Ринат Нугаев - Максвелловская научная революция

Правда, некоторые герцевские измерения, судя по всему, свидетельствовали о мгновенном характере электростатической компоненты, но до конца он не был в этом убежден. Поэтому Герц предпочитал осторожные выражения: « В силу того, что интерференции вне всякого сомнения изменяют знак после 2,8 метров в окрестности первого осциллятора, мы можем заключить, что электростатическая сила, которая в данном случае превалирует, распространяется с бесконечной скоростью» (Hertz [1888], 1983, p. 110).

По сути дела последняя часть приведенной цитаты предвещает последующий переход Герца в «максвелловскую веру». С точки зрения Герца, существование двух различных скоростей, приписываемых двум различным частям электромагнитного действия, делает задачу анализа слишком сложной. Из двух различных объяснений полученных данных Герц выбрал такое, которое в большей степени соответствует критерию «простоты», который им и до этого применялся постоянно к уравнениям Максвелла.

Именно попытка обосновать рациональность принятия более простого объяснения опытов с радиоволнами вынудила Герца «забросить» сулящие эвристические (не говоря уже о технологических) перспективы опыты и посвятить последние три года своей жизни утопическому проекту преобразования классической механики.

В своих эмпирических схемах, аккумулировавших исследовательский опыт работы Герца с радиоволнами, Герц изображал самую важную часть своей установки – осциллятор радиоволн – как типичную кантовскую «вещь в себе». Аналогично, природа электромагнитных волн представлялась Герцу своего рода «вещью в себе», которая допускает множество интерпретаций. Исследователь естественно выбирает из этого множества такое, с которым проще всего работать. Главное – уравнения, которые отражают объективно существующие связи и отношения между теоретическими объектами. Именно об этом и свидетельствуют слова Герца: «На вопрос «что такое теория Максвелла?» я не знаю более короткого и более определенного ответа, чем следующий: теория Максвелла – это уравнения Максвелла.

Открытие Герца является результатом плодотворного взаимодействия двух исследовательских традиций – теоретической и экспериментальной, каждая из которых обладает своей собственной логикой эволюции. В этом процессе эти традиции «обтачиваются», используя термин Максвелла «are grinding out», шлифуют друг друга. А именно: в рамках теоретической традиции выдвигаются различные предсказания, предлагаются различные объяснения. Экспериментальная же традиция выбирает самое простое.

С другой стороны, эксперимент предоставляет в распоряжение исследователя чрезвычайно большое число опытных данных; теория же позволяет отобрать лишь наиболее существенные.

Через тридцать лет после максвелловского «Трактата об Электричестве и Магнетизме» эстафету подхватил Альберт Эйнштейн. В опубликованной им в 1905 г. статье «К электродинамике движущихся тел» была предложена специальная теория относительности (СТО). Она основывалась на т.н. «принципе относительности», утверждавшем, что все законы природы должны выглядеть одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Из этой теории следовало, по выражению Ричарда Фейнмана, что «магнетизм и электричество – не независимые вещи, они всегда должны быть взяты в совокупности как одно полное электромагнитное поле. Хотя в статическом случае уравнение Максвелла разделяется на две отдельные пары: одна пара для электричества и одна для магнетизма, без видимой связи между обеими полями, тем не менее в самой природе существует очень глубокая взаимосвязь между ними, возникающая из принципа относительности» (Фейнман, Лейтон, Сэндс, 1966, т. 5, С. 266).

В частности, если мы рассмотрим относительное движение заряженной частицы и проволоки, мы получаем один и тот же результат, независимо от того, рассматриваем ли мы движение летящей рядом с проволокой частицы в системе покоя проволоки или в системе покоя частицы. Но в первом случае сила является только «магнитной», а во втором – чисто «электрической».

В статье «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн показал, что электрические и магнитные силы составляют части одного и того же физического явления – электромагнитного взаимодействия. Разделение этого взаимодействия на электрическую и магнитную компоненты носит во многом условный характер и в большой степени зависит от системы отсчета, в которой мы описываем взаимодействие. В этом смысле «явление магнетизма – это чисто релятивистский эффект» (Фейнман).

Например, в плоской волне, движущейся со скоростью света в пустом пространстве, происходит постоянная перекачка ее магнитной энергии в электрическую и обратно.

Но проблема «дополнительности» электрического и магнитного полей оказалась на самом деле связанной с другой, более глубокой проблемой – «дополнительности» полевого и корпускулярного описания электромагнитных явлений.

В самом деле, статья 1905 г. по специальной теории относительности (СТО) начинается Эйнштейном со знаменитого описания «глубокой асимметрии» в объяснении явления электромагнитной индукции. Опыт говорит нам о том, что индукционный ток, вызванный в проводнике движением магнита, зависит только от относительной скорости движения проводника и магнита. Однако теория Максвелла-Лоренца дает нам два принципиально разных описания этого эффекта, приводящим каким-то чудесным образом к одному и тому же результату. Если магнит движется, а проводник покоится, ток в проводнике создается электрическим полем с определенной плотностью энергии. Во втором случае, когда магнит покоится, а проводник движется, никакого электрического поля нет, а индукционный ток приписывается электродвижущей силе, энергия поля которой равна нулю.

Для понимания причин создания СТО принципиально важно то, что Эйнштейн не был ни в коем случае первым, кто заметил эту асимметрию в теоретическом воспроизведении явления индукции. В 1885 г. об этом писал такой выдающийся последователь Максвелла, как Оливер Хевисайд, в том же году – телеграфный инженер Толвер Престон, в 1894 – Герман Феппль, ну а в 1898 – сам Вильгельм Вин (подробнее см.: Darrigol, 2001, p. 377). Поэтому принципиально важный вопрос – не в том, что Эйнштейн заметил эту асимметрию, а почему именно он оказался к ней особо чувствительным?

Мы, например, точно знаем по эйнштейновской переписке, что еще в 1901 г. он работал над «капитальным трудом» по электродинамике движущихся тел, но почему он оставил этот труд и вернулся к нему только в 1905 г.? Что произошло в этом промежутке, и почему Эйнштейн, бывший сначала сторонником эфира, от него в 1905 г. отказался?

– Принцип относительности? Относительности пространства и времени и их свойств? – Но о них писал и Анри Пуанкаре, что не помешало последнему сохранить концепцию эфира – как среды, необходимой для распространения электромагнитных колебаний?

Скажем, в 1902 г. Анри Пуанкаре отмечал: «Абсолютного времени не существует. Заявление о том, что две длительности равны, – это утверждение, которое само по себе не имеет смысла, и которое может получить последний только по соглашению. Непосредственная интуиция не говорит нам ничего не только о равенстве двух длительностей, но даже об одновременности двух событий, имеющих место в двух разных местах; я объяснил это в статье, названной «Измерение времени»« (цит. по: Darrigol, 2001, p. 347).

Ключ к ответу на поставленные выше вопросы – в других работах Эйнштейна (подробнее см.: Нугаев, 2010). Тот же Альберт Эйнштейн раскрыл в том же 1905 г., но в другой, опубликованной в том же журнале «Annalen der Physik» на три месяца раньше работы по СТО статье «Об одной эвристической гипотезе, касающейся явлений распространения и превращения света» другую, более глубокую асимметрию: «Существует глубокое различие (курсив мой – Р.М.Н.) между теоретическими представлениями физиков о газах и прочих весомых телах и максвелловской теорией электромагнитных процессов в так называемом пустом пространстве». (Эйнштейн, [1905], 1966, С. 322).

В чем состоит это различие? – В том, что «хотя мы полагаем, что состояние тела полностью определяется положениями и скоростями хотя и очень большого, но все же конечного числа атомов и электронов, для определения состояния электромагнитного поля в пространстве используются непрерывные функции, так что конечное число переменных недостаточно для определения состояния электромагнитного поля в пространстве» (там же).

К чему это различие может привести? – К тому, что «теория света, оперирующая непрерывными пространственными функциями, приведет, будучи примененной к явлениям возникновения и превращения света, к противоречиям с опытом (курсив мой – Р.М.Н.»).