Мир электричества - Анатолий Томилин

В пятницу 20 июня 1862 года Фарадей на середине прервал свою лекцию в Королевском институте. Он внимательно вгляделся в зал и неожиданно поделился со слушателями мыслью о том, что, пожалуй, слишком долго находится здесь… Присутствовавшие поднялись и долго аплодировали старому ученому. Больше Фарадей не читал, не входил в лекционный зал и не поднимался на кафедру. Дома в дневнике он так объяснил причину своего ухода: «Здесь я провел счастливые годы, но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга. Причины: 1) колебания и неопределенность в доказательствах, на которых лектор должен настаивать; 2) неспособность извлечь из памяти ранее накопленные сокровища знаний; 3) тускнеют и забываются прежние представления о своих правах, чувстве собственного достоинства и самоуважения; 4) сильная потребность поступать справедливо по отношению к другим и неспособность сделать это. Удалиться».

Какую силу духа и стойкость надо было иметь для такого вывода и поступка! Фарадею было в то время семьдесят лет.

«Ученый должен быть человеком, который выслушивает любое предположение, но определяет его справедливость сам. Внешние признаки явлений не должны связывать суждений ученого, у него не должно быть излюбленной гипотезы, он обязан быть вне школ и не иметь авторитетов. Относиться почтительно он должен не к личностям, а к предметам. Истина должна быть главной целью его исследований. Если к этим качествам еще добавится трудолюбие, то он может надеяться приподнять завесу в храме природы», – писал Майкл Фарадей.

Он «изменил весь аксиоматический базис науки»

Эти слова Альберта Эйнштейна относятся к Джеймсу Клерку Максвеллу, гениальному ученому, создавшему теорию электродинамики.

В середине XIX столетия наука об электромагнетизме пребывала в довольно путаном состоянии. По-прежнему в представлениях о природе электричества и магнетизма существовали предположения о двух видах неких невесомых жидкостей, подчиняющихся, подобно силам тяготения в ньютоновой философии, принципу дальнодействия. Если каждая масса оказывала мгновенное действие через пустое пространство на другую массу, то как же надо смотреть на электрические и магнитные тела? Ведь закон Кулона по своему виду – аналогия закона Ньютона…

Ампер построил свою математическую теорию электродинамики, приняв ньютоновскую концепцию. И все было хорошо. Правда, кое у кого временами возникали некоторые недоумения, ну хотя бы по такому поводу: известно, что электрический ток может идти только по замкнутому пути. Между тем математические выражения для взаимодействующих токов в теории Ампера выводились для изолированных и незамкнутых элементов токов.

Или наивный вопрос Фарадея: почему железные опилки выстраиваются между полюсами магнитов по неким линиям сил?

Согласно принципу дальнодействия, сила притяжения магнита – это просто свойство материи. Притяжение магнита, как и всемирное тяготение, должно было мгновенно преодолевать любое расстояние. Но почему же тогда образуются силовые линии между магнитными полюсами? Ведь они явно показывают, что пространство между полюсами не есть пустота, через которую мгновенно распространяется сила притяжения… Поневоле напрашивалось сомнение: может быть, для магнита неверен сам принцип дальнодействия?.. Если согласиться с этим, все становится на свои места. Невесомая магнитная жидкость действует в пространстве между полюсами, выстраивая железные опилки от одной к другой по пути, заданному средой. Сторонники дальнодействия возражали: какая среда может быть в пустоте? Силовые линии – это просто направления равнодействующих магнитных сил в пространстве.

Ученых, несогласных с новой постановкой вопроса, было много. И среди них – очень авторитетные исследователи. Силовые линии Фарадея, не владеющего математическим языком, были, конечно, наглядны. Но их грубый качественный материализм отталкивал сторонников сложной, но тонкой и изящной математики Ампера.

Спор становился сложнее, когда возникал другой вопрос: почему одни и те же пластины, разделенные диэлектриком (сегодня мы назвали бы их конденсатором), заряжаемые от одной и той же электрической машины, накапливают разный заряд при разных диэлектриках?.. Разве это не означает, что в промежутке между пластинами, в диэлектрике, в том числе и в вакууме, происходит некое смещение?

«О каком токе смещения в пустоте может идти речь?» – возражали оппоненты. Теоретики писали новые уравнения, громоздили сложные формулы друг на друга… Но в результате, когда речь заходила о промежуточной среде, оказывались в тупике. Получалось, что для объяснения накапливающихся противоречий нужен был новый физический подход к наблюдаемым явлениям, возможно, – новая модель среды или пространства, в котором действуют магнитные силы.

Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879)

Молодой профессор Маришаль-колледжа в шотландском городе Абердине, Джеймс Клерк Максвелл, тоже не мог принять грубые железные опилки Фарадея за материальные аналогии линий сил, заполнявших пространство. Ему больше импонировала гипотеза о том, что они лишь указывают направление, по которому среда испытывает определенное напряжение.

Напряжение же это создается, как позже предположил Максвелл, токами смещения. Ведь уже Ампер, говоря о том, что каждый ток в проводе порождает вокруг себя магнитные силы, фактически уходил от понятия пустого «ничто» и от принципа дальнодействия, хотя и не признавал этого…

И Максвелл решительно порывает с дальнодействием. Он задумывает так описать математически линии магнитных сил, чтобы это не противоречило основным электромагнитным идеям. В 1857 году в «Трудах Кембриджского философского общества» появляется его статья «О фарадеевских линиях сил» – 56 страниц математики. Максвелл разослал свою статью по списку всем британским физикам, занимающимся вопросами электродинамики. Однако надо признать, что эта работа, по сути, – программа его исследований в области электричества на всю жизнь, особого внимания не привлекла. Разве что друг семьи и старший коллега Максвелла профессор Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) поздравил его с успехом. Большинство же коллег, признавая за автором виртуозное владение математическими методами, недоумевали. «Почему бы профессору Максвеллу, – говорили они, – не применить свои математические способности для уточнения и совершенствования уже существующей теории? Чего ради он бьется над измышлениями бывшего переплетчика, не владеющего языком науки?» (Так, несмотря на признание, кое-кто из снобов от науки называл Фарадея.) Но Максвелл и не надеялся особенно на отзывы. И тем больше была его радость, когда почтальон принес ему письмо от самого Фарадея. Старый ученый благодарил молодого коллегу за его работу, добавив в конце послания: «Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет ее выдержал.» Фарадей прислал Максвеллу и свою статью, из которой тот понял, что мэтр сам не полностью уверен в идее близкодействия. Его силовые линии не подходили для описания природы тяготения. Неясной была и скорость распространения «электротонического состояния», как называл Фарадей магнитное поле.

В ответном письме Максвелл писал:

«Дорогой сэр. Сейчас, насколько мне известно, Вы являетесь первым человеком, у которого возникла идея о том, что тела действуют друг на друга на расстоянии посредством обращения окружающей среды в состоянии напряжения, идея, в которую действительно следует поверить. У нас были когда-то потоки крючочков, летающих вокруг магнитов, и даже картинки, на которых изображены окруженные ими магниты; но нет ничего более ясного, чем Ваше описание всех источников силы, поддерживающих состояние энергии во всем, что их окружает, состояние, усилением или ослаблением которого можно измерить проделанную в системе работу. Мне кажется, что Вы ясно видите, как силовые линии огибают препятствия, гонят всплески напряжения в проводниках, сворачивают вдоль определенных направлений в кристаллах и несут с собой везде все то же самое количество способности к притяжению, распределенной более разреженно или густо, в зависимости от того, расширяются эти линии или сжимаются. Но когда мы встречаемся лицом к лицу с вопросом о гравитации. имеет ли она какое-нибудь отношение к электричеству? Или она покоится в самых глубинных фундаментах материи, массы или инерции? – тогда мы ощущаем необходимость экспериментов.

Я только попытался сейчас показать Вам, почему я не считаю гравитацию опасным объектом в смысле применения Ваших методов. Вполне возможно и на нее пролить свет, воплощая те же идеи, которые математически выражаются функциями Лапласа и сэра В. Р. Гамильтона в планетарной теории.

Искренне Ваш Джеймс Клерк Максвелл».