Ринат Нугаев - Максвелловская научная революция

Введение тока смещения было следствием попыток Максвелла связать уравнения, относящиеся к электрическому току, с уравнениями электростатики, что потребовало модификации закона Ампера за счет введения нового члена, описывающего упругость вещества, из которого состоят вихри. В итоге импульс, побудивший Максвелла ввести ток смещения, все-таки лежал в попытках объединить все основные эмпирические законы, относящиеся к области явлений электричества и магнетизма, а также оптики, откуда свойство упругости эфира и было перенесено.

Максвелл положил начало не столько объединению электродинамики и теории магнетизма, сколько объединению британской и континентальной традиций – полевой и корпускулярной традиций рассмотрения электромагнитного взаимодействия.

Наиболее важное следствие предложенной Максвеллом системы уравнений состояло в «упрочении возможности того, что электромагнитные волны могут распространяться со скоростью, которая может быть подсчитана при помощи результатов чисто электрических измерений». Ни в одной из своих работ Максвелл ничего не написал ни о возможности генерации света, ни о том, что могут существовать другие, несветовые электромагнитные волны подобные радиоволнам или рентгеновскому излучению.

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.

Годы, последовавшие за публикацией статьи [II], отмечены следующим парадоксом. Многие современники Максвелла (и особенно его друг Уильям Томсон) надеялись на то, что дальнейшие шаги в разработке электродинамики будут связаны с совершенствованием вихревой модели, которую он с такой изобретательностью изложил на страницах «Philosophical Journal» и с тем, что он сконструирует, наконец, «истинный механизм» генерации и распространения электромагнитного излучения. Но их ждало полнейшее разочарование. (Это еще раз подтверждает справедливость больцмановского замечания о том, что большинство физиков-современников Максвелла просто не поняли сути его – кантианской – синтетической программы).

Из многократных заявлений Максвелла следует, что он предполагал, что истинные механизмы действия природных сил находятся далеко за пределами, заданными возможностями нашего понимания. Эти механизмы остаются в секрете, также как устройство колокольни в известном максвелловском примере, когда мы слышим звон и знаем откуда он, но не знаем как он производится, каким образом связаны между собой веревки, идущие от звонарей к колоколам.

В работе 1864 г. «Динамическая теория электромагнитного поля» (III]) Максвелл ставит своей целью вывести уравнения электромагнитного поля не из искусственно сконструированной механической модели, а из принципа наименьшего действия, из лагранжиана, специально сконструированного для электромагнитного поля. Но для этого лагранжиан сначала надо правильно построить, что Максвелл и делает, исходя из определенных «очевидных» умозрительных принципов.

То, насколько обычно сдержанный в оценках, высоко ставил Максвелл эту работу, видно из следующей приписки, сделанной им в письме к одному из своих кузенов: «у меня в полном разгаре работа над статьей с электромагнитной теорией света, которую, до тех пор пока меня не убедят в обратном, я буду считать великим оружием (great guns)» (цит. по: Mahon, 2002, p. 123).

Статья, признанная лучшей из электродинамических работ Максвелла по ясности и компактности изложения, начинается с утверждения о том, что явления света и тепла дают нам основание предполагать, что имеется некая «эфирная среда, заполняющая все пространство и пронизывающая все тела», которая обладает способностью быть приводимой в движение, передавать это движение и сообщать это движение плотной материи. Для этого части этой среды должны быть способны к определенному роду упругого смещения, поскольку передача от одного места к другому требует времени. Поэтому данная среда обладает способностью получать и сохранять два вида энергии – «актуальную» энергию, зависящую от движения ее частей, и «потенциальную» энергию – работу, которую среда выполняет в силу своей упругости. Распространение колебаний, по Максвеллу, состоит в преобразовании одной из этих форм энергии в другую попеременно.

Фундаментом максвелловых полевых уравнений является на этот раз лагранжева механика вместе с «экспериментальными фактами трех типов» (индукция токов, распределение магнитной интенсивности в соответствии с изменениями потенциала и индукция статического электричества).

«Несмотря на то, что Максвелл провозгласил в качестве основного метода получения своих уравнений дедукцию их из экспериментальных фактов, его вывод все еще требовал постулирования тока смещения, что не могло быть ни подтверждено экспериментами, ни выведено из них» (Моррисон, 2000, p. 85).

Общие уравнения в дальнейшем применяются к случаю магнитного возмущения, и демонстрируется, что единственные возмущения, которые могут распространяться таким образом, – это возмущения, поперечные к направлению распространения. Максвелл специально отмечает, что концепция распространения поперечных магнитных возмущений с исключением продольных разрабатывалась Фарадеем в его «Мыслях о лучевых вибрациях» (Phil.Mag., май 1846).

«Эта теория света в том виде, в каком она предложена им, является такой же по существу, как и та, которую я развиваю в настоящем докладе, за исключением того, что в 1846 г. не имелось данных для расчета скорости распространения» (Максвелл, [1864], С. 263).

Трудно переоценить это максвелловское замечание. Последний здесь ясно указывает на источник своей идеи о том, что свет – это электромагнитные колебания. Это – фарадеевская работа 1846 г. (и, возможно, личные контакты с Фарадеем, имевшие место в 1861). Максвелл добавил к ней свою собственную гипотезу о том, что скорость распространения электромагнитных колебаний равна скорости света – самое простое из возможных соотношений между скоростью света и скоростью электромагнитных возмущений.

Важно также то, что и в [III] Максвелл вынужден еще и еще раз обратиться к принципиальному моменту, относящемуся к постоянно используемым механическим аналогиям.

«Я имел уже прежде случай ([II]) описать особый вид движения и особый вид напряжения, приспособленных для объяснения этих явлений. В настоящем докладе я избегаю какой-либо гипотезы такого рода и, пользуясь такими словами, как электромагнитное количество движения и электрическая упругость в отношении известных явлений индукции токов и поляризации диэлектриков, я хочу только направить мысли читателя на механические явления, которые могут помочь ему понять электрические явления. Все подобные выражения в настоящей статье должны рассматриваться как иллюстративные, а не как объясняющие…. Однако, говоря об энергии поля, я хочу быть понятым буквально. Всякая энергия есть то же, что механическая энергия, существует ли она в форме обычного движения или в форме упругости, или в какой-нибудь другой форме. Энергия в электромагнитных явлениях – это механическая энергия. Единственный вопрос заключается в том, где она находится?

Согласно старым теориям, она находится в наэлектризованных телах, проводящих цепях и магнитах в форме неизвестного качества, называемого потенциальной энергией или способностью производить определенные действия на расстоянии.

По нашей теории она находится в электромагнитном поле, в пространстве, окружающем наэлектризованные и намагниченные тела, а также в самих этих телах и проявляется в двух различных формах, которые могут быть описаны без гипотез как магнитная поляризация и электрическая поляризация, или согласно весьма вероятной гипотезе как движение и напряжение одной и той же среды» (Максвелл, [1864], С. 73—74).

Важно то, что здесь Максвелл уже по-другому оценивает соотношения между своей собственной исследовательской программой, и программой Ампера-Вебера. Теперь, в отличие от [II], он усматривает достоинство своей программы не в том, что она дает описание механизма генерации электромагнитного излучения, а в том, что предлагаемый им подход имеет более общий характер, описывая энергию не только в самих телах, но и пространстве, которое их окружает.

Но особое значение представляет, конечно, VI часть работы [III], озаглавленная «Электромагнитная теория света», где Максвелл не только получает свои уравнения без явного использования тока смещения, но и приходит еще раз к выводу о том, что скорость электромагнитных возмущений в точности равна скорости света, без каких-либо модельных представлений и «разумных физических допущений».