Здесь следующий удивительный момент. Невозможно сомневаться, что Максвелл знал формально-математический вывод волнового уравнения для E и Н. (Это было простым упражнением для студента даже в то время.) В более сложной постановке задачи Максвелл приводит этот вывод, но только через три года — в третьей статье. С другой стороны, без него, используя только механическую аналогию, нельзя доказать, что скорость распространения электромагнитных колебаний в точности равна с. (Можно лишь сделать утверждение о порядке величины.) Но тем не менее, такого вывода волнового уравнения нет в обсуждаемой статье, нет даже упоминания о нем! Приводится только решение механической задачи, которая формулируется так: «Найти скорость распространения поперечных колебаний через упругую среду, из которой состоят ячейки (вихри) в предположении, что ее упругость целиком обусловлена силами, действующими между парами материальных точек». В такой постановке окончательный результат целиком зависит от детальных предположений о свойствах среды. Как мы говорили, они специально подбираются, чтобы иметь желаемый ответ.
Рассказывают, что однажды Л.Д.Ландау воскликнул, обращаясь к своему собеседнику: «Как Вы можете делать вычисления, если заранее не знаете, что хотите получить?» Это качество крупного физика-теоретика — заранее видеть ответ сложной задачи — в том же ряду, что и, скажем, способность композитора мгновенно слышать содержание всей симфонии. Максвеллу нельзя отказать в этом качестве. Поэтому естественно предполагать, что введение тока смещения было в равной степени стимулировано как уравнением непрерывности в форме (Е), так и существованием волновых решений. Связь этих фактов, совершенно независимая от модели, несомненно, была ясна Максвеллу в 1861 году. А что послужило причиной, что следствием — нам никогда не дано узнать. Подчеркнем также, что Максвелл мог специально стремиться к электромагнитной теории света, потому что сама идея была не нова — ее обсуждал Фарадей. (У Фарадея в статье «Размышления о вибрациях лучей» (1846) говорится, конечно, без всяких доказательств, о возможности распространения возмущений в «линиях силы» со скоростью света.) Кроме того, Максвеллу были известны численные совпадения между результатами опытов Физо, Вебера-Кольрауша и Кирхгофа.
Хочется сделать еще одно предположение. В последующие три года Максвелл был обязан предпринимать попытки усовершенствования своей механической модели и устранения в ней бросающихся в глаза дефектов. При этом он должен был постепенно привыкать к осознанию той же трудной истины, которую примерно через 20 лет сформулировал для себя Г. Герц, отчаявшись найти какое-то дополнительное содержание в максвелловской механической конструкции: «Теория Максвелла — это его уравнения».
Процесс завершился в 1864 году статьей «Динамическая теория электромагнитного поля». «Материальное» обоснование уравнений исчезает — от Чеширского Кота остается одна улыбка. Но даже тридцать лет спустя О. Хэвисайд еще напишет Г. Герцу (эти два человека в наибольшей степени способствовали упрощению и пониманию уравнений): «Нет сомнений, что максвелловская теория смещений и индукции в эфире должна остаться ... Бумажной Теорией до тех пор, пока мы не знаем, какие функции эфира описывают D и B!».
Кто мог представить в XIX веке, что эфиру суждено умереть, вопрос о его функциях отпадет сам собой, а «Бумажная Теория» Максвелла в своей области применимости будет описывать все, что в принципе можно пытаться узнать, о Природе?
Книга М.В. Терентьева «История вакуума» заканчивается изложением электродинамики Фарадея—Максвелла. Смерть не позволила Михаилу Васильевичу завершить эту книгу.
Цель этого послесловия — кратко описать историю концепции эфира после Максвелла. Последние десятилетия XIX века физики усиленно пытались создать непротиворечивую теорию. Однако, чем больше они старались, тем больше накапливалось противоречий. Опыты Майкельсона, показавшие, что скорость света не зависит от движения источника света относительно эфира, углубили противоречия, связанные с этой концепцией.
В 1905 году была опубликована статья Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой была создана специальная теория относительности. Основываясь на двух постулатах: принципе относительности, который заключается в том, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах координат, и конечности скорости света, Эйнштейн разрешил все имеющиеся в электродинамике противоречия. Введение светоносного эфира оказалось излишним, и теория эфира стала одним из тупиковых направлений в науке. У физиков возникла стойкая аллергия на слово эфир, и оно исчезло из научной литературы. Созданная Эйнштейном в 1916 году общая теория относительности, в принципе, завершила построение классической физики.
Эрнест Резерфорд, анализируя опыты по рассеянию α-частиц на ядрах, показал в 1911 году, что атомы состоят из тяжелого ядра малых размеров и движущихся вокруг него электронов. Согласно классической электродинамике электроны должны упасть на ядра за время ≈ 10-13 с. Однако, это не происходит. Для объяснения этого и многих других фактов была построена квантовая теория, наиболее революционная теория XX века. Объединение квантовой механики со специальной теорией относительности привело к созданию квантовой электродинамики и квантовой теории поля. На основе квантовой теории поля физики пытаются построить теорию элементарных частиц, которая еще очень далека от завершения.
Вакуум — то, что раньше называлось эфиром — это самое низкое энергетическое состояние всех полей, в котором нет реальных частиц. При этом в нем происходят сложные процессы взаимного превращения так называемых виртуальных частиц. Родившись, виртуальные частицы не могут вылетать из вакуума, превращаясь в реальные частицы, так как это запрещено законами сохранения энергии и импульса. Поэтому они превращаются в другие виртуальные частицы. Однако взаимодействие виртуальных частиц с реальными происходит, и это фиксируется экспериментально. Там, где взаимодействие между частицами слабое, например, в области применимости квантовой электродинамики, теория и эксперимент согласуются с очень высокой точностью.
Структура вакуума очень сложна и возможно, поняв его, физики смогут создать последовательную теорию элементарных частиц.
Теория вакуума существенна и для космологии — науки о строении и эволюции Вселенной. По современным воззрениям в вакууме существуют различные состояния, отличающиеся энергией. Вселенная образовалась ≈ 1010 лет назад.
Существует гипотеза, согласно которой до этого она представляла собой возбужденное состояние вакуума, которое со временем перешло в самое низкое энергетическое состояние, а оставшаяся часть энергии перешла в ту Вселенную, где мы живем.
Б. В. Гешкенбейн
Москва, 1999
1. Лауэ М. История физики. М.: Гостехиздат, 1956.
2. Льоцци М. История физики. М.: Мир, 1970.
3. Мак-Дональд Д. Фарадей, Максвелл и Кельвин. М.: Атомиздат, 1967.
4. Розенберг Ф. История физики. М.-Л.,-1933-1936.
5. Труды XIII Международного Конгресса по истории физики. М., 1974.
6. У истоков классической науки. М.: Наука, 1968.
7. Физика на рубеже XVIL-XVTII веков. Сб. статей. М.: Наука, 1974.
8. Holt on G. Thematic origins of scientific thought. Cambridge, 1973.
9. Whittaker E. A history of the theories of ether and electricity. London: Nelson, 1953.
10. Williams L. The origin of field theory. New York: Random House, 1966.
Дополнительно к разделу «Рене Декарт»
11. Асмус В.Ф. Декарт. М.: Госполитиздат, 1956.
12. Декарт Р. Избранные произведения. М.: Госполитиздат, 1950.
13. Декарт Р. Рассуждение о методе с приложениями. Диоптрика, метеоры, геометрия. М.: Изд-во АН СССР, 1953.
14. Ляткер Я.А. Декарт. М.: Мысль, 1975.
15. Матвиевская Г.П. Рене Декарт. М.: Наука, 1976.
16. Рабинович В.Л. Ученый средневековья. Психологический очерк. М., 1969.
17. Gilson E. Descartes. Paris, 1925.
Дополнительно к разделу «Исаак Ньютон»
18. Вавилов С.И. И.Ньютон. М.: Изд-во АН СССР, 1961.
19. Исаак Ньютон. 1643-1727. Сборник статей к 300-летию со дня рождения. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1943.
20. Кобзарев И.Ю. Ньютон и его время. М.: Знание, 1978. (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Физика», N5).
21. Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. М.: Гостехиздат, 1954.
22. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. В сб. трудов академика А.Н.Крылова. М.-Л., Т. 7, 1939.
23. Manuel F. A portrait of Isaac Newton. Cambridge, USA, 1968.
24. The correspondence of Isaac Newton. Ed. by H.W. Turnbull, J. F. Scott. Cambridge, UK, 1959.
25. Unpublished scientific papers of Isaac Newton. Ed. by A.R.Hall, M.B.Hall. Cambridge, 1962.
26. West fall P.S. Forces in Newton's physics. New York, 1971.
Дополнительно к разделу «Джеймс Клерк Максвелл»
