Начав в Матье с повторения результатов Юнга, о которых Френель ничего не знал, он уже не прекращает поразительную по плодотворности деятельность в оптике. Вплоть до 1818 года все его исследования опираются на представления о продольных световых колебаниях (хотя на самом деле для рассматриваемого круга вопросов характер колебаний, продольный или поперечный, был пока не существен).
К 1819 году закончен первый, удостоенный премии Академии Наук, мемуар Френеля по дифракции и интерференции, где, в частности, Френель строго доказывает, что последовательное применение волновой картины ведет к прямолинейности световых лучей. Рассматривая по Гюйгенсу все точки сферического светового фронта как источники новых сферических волн, он показывает, что вторичные волны гасятся во всех направлениях, кроме того единственного, который отвечает направлению светового луча. Таким образом, пало главное возражение против волновой оптики. В этом же мемуаре Френель разрабатывает математический аппарат для описания интерференции и дифракции (появляются «интегралы Френеля» и пр.).
Теперь Френель все время поддерживает связь с Л. Араго, в то время сотрудником Института, а позже академиком, который лучше и раньше других оценил Френеля, снабжал его информацией, участвовал в постановке и обсуждении отдельных опытов, организовывал длительные поездки Френеля в Париж, а затем, в 1817 году, помог ему получить постоянную работу в Парижском округе. Роль Араго в качестве «доброго гения» Френеля не менее важна, чем все его заслуги в науке. В 1817 году Араго знакомит Френеля с письмом Юнга, в котором последний говорит о необходимости поперечных колебаний в связи с явлением поляризации (в этом случае появляются две недостающие степени свободы, отвечающие колебаниям эфира перпендикулярно к распространению луча в двух взаимно перпендикулярных плоскостях). Идея, возможно, обдумывалась Френелем раньше, но только начиная с 1818-1819 годов, его исследования опираются уже исключительно на представления о поперечных волнах. Френель не пытался дать последовательную динамическую теорию распространения таких волн, а занимался в основном феноменологией. В истории науки снова возникла ситуация, когда для того, чтобы сильно продвинуться дальше, нужно было крепко «зажмурить глаза» и не рассматривать неразрешимые вопросы, которые не имеют в данный момент отношения к описанию рассматриваемого узкого круга явлений.
В 1822 году Френелем представлен в Академию мемуар о двойном преломлении световых лучей в кристаллах. В 1821—1825 годах разработан, а в 1826 году опубликован второй мемуар о двойном лучепреломлении, являющийся, по существу, изложением новой науки — кристаллооптики. Обилие идей, а также простых и красивых результатов в этом сочинении, особенно с учетом того обстоятельства, что многие факты в кристаллооптике к тому времени вообще не имели естественного объяснения в корпускулярной теории или же требовали чрезвычайно сложных построений, — все это в совокупности служило убедительным доказательством адекватности волновых представлений и картины поперечных волн.
Короткая деятельность Френеля в науке отмечена и другими важными результатами, о которых здесь не было сказано. Кроме того, он предложил несколько блестящих решений технологических проблем, когда работал в комиссии по улучшению системы маяков. Френель умер от туберкулеза 14 июля 1827 года в возрасте 39-ти лет. Его последние три года прошли в тяжелой борьбе с болезнью. Он уже не работал над физическими проблемами, так как с трудом справлялся со своими обязательными делами по службе, которые давали ему средства к существованию. Но эти годы отмечены постепенным признанием его заслуг. В 1823 году (со второго «захода») он выбран во Французскую Академию, с 1825 года он член Королевского Общества в Англии. Уже к середине XIX века Френель был справедливо оценен как человек, который «составил честь Франции и своего века».
Френель сделал для современников несомненным существование оптического эфира. Но он был далек от того, чтобы дать законченную мысленную картину распространения света, его теории на сей счет имеют кусочный характер. Он правильно использует одни динамические принципы (например, сохранение живой силы), но пренебрегает другими (например, непрерывностью в нормальных компонентах сцепления частиц эфира на границе раздела двух сред). С одной стороны, Френель получает яркие точные результаты, с другой, — свободно формулирует неясные гипотезы, которые требуют обоснования, причем в ряде случаев возможность такого обоснования не очевидна. Например, Френель без доказательств запрещает распространение продольных волн в эфире, поскольку только поперечных волн достаточно для объяснения опытных данных, но совершенно неясно, может ли в принципе существовать среда, обеспечивающая такое свойство. Впоследствии на протяжении сотни лет многие выдающиеся физики пытались теоретически обосновать некоторые френелевские гипотезы.
После Френеля математики Навье, Пуассон, Коши, Стоке и другие начали разрабатывать строгую механическую теорию движения непрерывных упругих сред. Параллельно стали возникать физические модели эфира, в рамках которых с помощью строгой математики можно было бы надеяться описать все наблюдаемые оптические явления. Вскоре, как мы увидим, цели стали более амбициозными, так как появилась необходимость включить в рассмотрение электромагнетизм. Такая деятельность началась в 40-е годы и продолжалась, не ослабевая, до конца XIX столетия. В ней принимали участие лучшие умы и была проявлена необычайная изобретательность. Все это в конечном счете оказалось ненужным, но в 70-е годы отсюда возник побочный плод, который стал главным научным достижением века и, по-видимому, одним из важнейших результатов в физике за все время. Речь идет об уравнениях Максвелла. Но прежде, чем переходить к этой части истории, мы кратко расскажем, что происходило в электромагнетизме после Эрстеда, когда Френель осуществлял свою революцию в оптике.
3.4. Андре Мари Ампер (1775-1836)
Работа Эрстеда была напечатана на латинском языке 21 июля 1820 года в Копенгагене. В конце лета она стала доступной во Франции, а 18 октября профессор Политехнической школы A.M. Ампер (1775-1836) уже докладывал в Академии Наук об открытии взаимодействия двух проводников с током. Логика этого открытия после Эрстеда сейчас кажется очень простой.
Андре Мари Ампер (1775-1836)Если ток отклоняет магнитную стрелку так же, как это делает постоянный магнит, то естественно рассматривать электричество в движении как источник магнитной силы определенного направления. Поскольку два магнита взаимодействуют, то и два тока должны действовать друг на друга на расстоянии.
Начиная с этого момента, работы Ампера следуют одна за другой и возникает здание новой науки — «электродинамики» (термин введен Ампером), в которой все магнитные явления сводятся к чисто электрическим: к взаимодействию токов. Ампер связывает с каждой молекулой вещества круговой ток, который приближенно можно интерпретировать как элементарный магнитик, намагничивание выражается как упорядочивание элементарных круговых токов.
Установленный Ампером количественный закон, характеризующий взаимодействие бесконечно малых элементов электрической цепи, позволяет вычислить силу между элементарными круговыми токами. Она выглядит как центральная сила, действующая на расстоянии через пустоту, чисто в ньютоновском духе. Дальше возникает проблема вывести отсюда следствия для электрического взаимодействия макроскопических тел. Можно представить, что такая задача требует изощренной математики и многих дополнительных предположений, но Ампер смог далеко продвинуться в ее решении.
Андре Мари Ампер родился в Лионе, в семье коммерсанта. В 1793 году его отец Жан Жак Ампер был казнен якобинцами. Это несчастье обрушилось на семью, когда Андре только вступал в жизнь, оно многое определило в его дальнейшей судьбе. Ампер не смог получить систематического и глубокого образования и в самые плодотворные годы имел мало времени для творчества. Но он напоминал Юнга многообразием интересов и редкими способностями, проявлявшимися в различных областях. После гибели отца Ампер больше года был выключен из жизни из-за тяжелой депрессии, но постепенно к нему возвращается страсть к приобретению знаний. В конце 1794 года он начинает заниматься ботаникой, в 1796 году пишет эпопею, увлеченный идеями Руссо о пагубной роли культуры и блаженстве первобытного человека. Рано проявляется его математический талант. Но жизнь складывается трудно. Ампер рано женился, в 1800 году у него родился сын. Чтобы содержать семью, в течение нескольких лет он работает на износ частным преподавателем математики в Лионе, иногда давая по 12 уроков в день. Его семья в Бурге, но там он не может найти работу и мечется между двумя городами. В 1803 году выходит его первая серьезная математическая работа, вскоре он получает должность профессора лицея в Лионе. Его служебное положение стабилизируется, но тут умирает его жена. Ампер остается один с маленьким сыном. С 1807 года он профессор Политехнической школы в Париже. В 1806 году следует второй брак, причем крайне неудачный, закончившийся скандалами, материальными потерями и разводом через два года. Ампер берет к себе дочку от второго брака. И так, в борьбе за выживание, протекает его жизнь, и по ходу возникают рядовые математические статьи. В 1814 году он избирается членом Института. К 1820 году Амперу уже 45 лет, а он, при своих блестящих способностях, еще не сделал ничего по-настоящему существенного. Свои главные работы Ампер выполнил в возрасте от 45-ти до 53-х лет. За восемь лет этот больной, неудачливый в личной жизни, обремененный долгами и материальными заботами, уставший от непрерывной борьбы с жизненными невзгодами человек завершил труд, названный им «Теория электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта». Через сорок лет Максвелл назовет Ампера «Ньютоном электричества».
