Ринат Нугаев - Максвелловская научная революция

В итоге ни о каком окончательном объединении электричества, магнетизма и оптики в 1861 г. не приходилось и говорить. Можно было уверенно заявлять лишь о начале согласования – взаимопроникновения френелевской оптики, фарадеевской концепции поля и ампер-веберовской электродинамики друг в друга, ставшем возможным за счет конструирования системы теоретических объектов из базисных объектов всех трех упомянутых программ. Представляется, что именно это и имел в виду Генрих Герц, когда в докладе на 62 съезде германской ассоциации содействия развитию естественных наук и медицины в Гейдельберге в 1889 г. отмечал, что именно Максвелл был тем «человеком, который смог соединить эти столь удаленные друг от друга предположения таким образом, что они стали взаимно поддерживать друг друга» (Hertz, 1889, p. 318).

Еще Уиттекер (1910) отмечал, что самым заметным недостатком представленной Максвеллом версии электромагнитной теории света было отсутствие объяснения явлений отражения и преломления света.

И сам Максвелл не очень доверял своим уравнениям в случаях высокочастотных колебаний в материальных телах. В диэлектриках, например, эти уравнения не объясняли явления оптической дисперсии и давали соотношение между показателем преломления света и индуктивностью, которое выполнялось только в первом приближении. В проводниках уравнения Максвелла предсказывали гораздо большее поглощение света, чем наблюдалось на самом деле (золотые листья). В этих случаях Максвелл заключал, что «наши теории структуры тел должны быть улучшены прежде чем мы можем вывести их оптические свойства из их электрических свойств».

Ток смещения сыграл лишь роль спускового крючка, запустившего механизм объединения оптики и теории электромагнетизма, «существенного параметра объединения», по терминологии М. Моррисон, или «гибридного объекта» по нашей терминологии. Несмотря на то, что в последующих стадиях развертывания теории эфир был отброшен, ток смещения остался как звено, объединявшее оптику и теорию электромагнетизма. Правда, статус его после инкорпорирования в лагранжеву систему значительно изменился.

Проникновение электромагнетизма в оптику выразилось в нахождении связи констант, полученных Вебером и Кольраушем, со скоростью света. Обратное проникновение оптики в электромагнетизм выразилось как в предсказании радиоволн, так и в связанных с ними эффектах интерференции и диффракции. Как отмечал в статье «Эфир» Максвелл, «мы поэтому и заключаем, что свет – это не вещество, а процесс, имеющий место в веществе» (Maxwell [1877], 1890, p. 765).

Вот как сам Максвелл описывает суть своего открытия в письма Майклу Фарадею от 19 октября 1861 г.

«Концепция, на которую я наткнулся, привела меня, будучи разработанной математически, к некоторым очень интересным результатам, способным проверить на опыте мою теорию, и показывающим численные соотношения между оптическими, электрическими и электромагнитными явлениями, которые я вскоре надеюсь более основательно подтвердить…

Моя теория эластичных сил состоит в том, что они вызываются в изоляторах небольшими электрическими смещениями; последние деформируют определенные малые порции вещества так, что сопротивление этому процессу со стороны эластичности вещества и создает электродвижущую силу…

Я предполагаю, что эластичность этой сферы воздействует на окружающую ее электрическую материю, и толкает ее вниз. Из результатов исследований Кольрауша и Вебера, относящихся к численному отношению между статическими и магнитными эффектами, я определил эластичность вещества в воздухе, и, предположив, что в светоносном эфире она та же самая, я определил скорость распространения поперечных колебаний.

Результат – 193,088 миль в секунду (как это следует из электрических и магнитных экспериментов). Определенная Физо из прямого эксперимента скорость света = 193,118 миль в секунду.

Это – не просто численное совпадение. Я разработал эти формулы в деревне прежде, чем увидел веберовские числовые результаты, которые даны в миллиметрах, и я полагаю, что мы имеем весомую причину, вне зависимости от того, является ли моя теория фактом или нет, верить в то, что светоносный и электромагнитный эфиры – это одно и то же» (цит. по: Campbell & Garnett, 1882, pp. 748-749).

Дальнейший прогресс должен был состоять – и не мог не состоять – в доказательстве большей всеобщности полученных результатов и в попытке уйти от сконструированных искусственных моделей. Именно это Максвелл и попытался сделать в течение трех лет, прошедших после публикации [II].

В письме своему старому кембриджскому товарищу (Henry R.Droop, декабрь 1861), написанному как раз перед публикацией знаменитой третьей части статьи о молекулярных вихрях, Максвелл отмечал, что «я сейчас пытаюсь найти точную математическую форму для всего того, что известно об электромагнетизме, без помощи гипотезы» (цит. по Siegel, 2000, p. 145).

И в 1864 Максвелл уже представляет усовершенствованный вариант статьи [II], который на этот раз уже не зависел от модели молекулярных вихрей. Хотя на словах он не отказывался от самой модели, он старался избегать, насколько это было возможно, каких-либо детализаций устройства и взаимосвязи молекулярных вихрей – начиная с [III] и заканчивая «Трактатом об электричестве и магнетизме». Правда, что касается теоретического воспроизведения «эффекта Фарадея», он в молекулярном механизме все-таки нуждался, хотя и вынужден был делать следующую оговорку: «теория, предложенная на предыдущих страницах, с очевидностью носит временный характер, основываясь на неподтвержденных гипотезах как о природе молекулярных вихрей, так и о способах, при помощи которых они связаны со смещением среды» (цит. по: Siegel, 2000, p. 157).

Или, как сообщал Питеру Тэту сам Максвелл в письме от 23 декабря 1867, «теория вихрей… сконструирована так, чтобы показать, что явления таковы, как может быть объяснено при помощи механизма. Природа этого механизма относится к истинному механизму так же, как планетарий относится к самой солнечной системе» (цит. по: Siegel, 2000, p. 200).

Тем самым Максвелл справедливо охарактеризовал весь аппарат молекулярных вихрей как демонстрационную – или «рабочую – модель» (на языке «Трактата об электричестве и электромагнетизме»).

Проведенных в статье 1856 г. исследований оказалось недостаточно для того, чтобы охватить всю область известных электромагнитных явлений, и в 1861 г. Максвелл начинает публикацию в четырех частях в журнале «Philosophical Magazine» второй статьи, посвященной проблемам электричества и магнетизма – «О физических силовых линиях». Название ее первого раздела говорит само за себя: «Применение теории молекулярных вихрей к явлениям магнетизма». Его цель – переполучить результаты теорий Вебера и Неймана, исходя на этот раз из новой, «вихревой» механической модели несжимаемой жидкости.

Но во второй части статьи 1861 г., которая была озаглавлена «Применение теории магнитных вихрей к электрическим токам», Максвелл подходит к тяжелейшей проблеме своей исследовательской программы – как «физически связаны эти вихри с электрическими токами». В этом пункте он осознает ограниченность чисто механической модели для описания взаимосвязи явлений электричества и магнетизма и вынужден напрямую заимствовать элементы теории действия на расстоянии. Максвелл вынужден приступить к конструированию гибридных теоретических моделей, сконструированных из базисных объектов и сочетающих черты принципиально разных, чужеродных теоретических схем.

Важность введения гибридной модели Максвеллом трудно переоценить. Оно было равносильно признанию в том, что механические объяснения принципиально неполны и должны быть дополнены другими. И электрический заряд, и масса не могут быть полностью объяснены механически.

Но полученные результаты были, конечно, недостаточными для того, чтобы серьезно конкурировать с теорией действия на расстоянии, в частности, не хватало теоретического воспроизведения основного закона электростатики – закона Кулона. Именно это и было сделано в знаменитой третьей части работы 1861 г., которая называлась «Применение теории молекулярных вихрей к статическому электричеству». Оказалось, что если мы, в процессе встречи френелевской оптики и теории электромагнетизма перенесем одни свойства эфира из оптики в теорию электромагнетизма, то мы избавимся по меньшей мере от одного предположения ad hoc. Распространение теории молекулярных вихрей на явления электростатики оказалось возможным именно из-за учета упругости вихрей, которые делают магнито – электрическую субстанцию способной поддерживать волны упругости. В итоге Максвелл не объяснил – откуда берутся, как генерируются электромагнитные волны. Он лишь показал, что его эластичная вихревая среда способна распространять электромагнитные волны со скоростью, которую можно подсчитать из электромагнитных констант и которая весьма близка к скорости света.