Максвелловская научная революция - Ринат Нугаев

Точка зрения Фарадея – это воззрения хорватского иезуита о. Роджера Бошковича (1711—1787): атомы – это материальные точки, т.н. «центры сил». С этой точки зрения, Лейбниц был прав, утверждая, что силы более фундаментальны, чем материя. Поэтому в конце традиционной пятничной лекции в Королевском Институте Фарадей «высказал спекулятивное утверждение, которое он долго вынашивал в себе, но которое все крепло в его сознании, что возможно все те вибрации, при помощи которых такие излучения как свет и тепло передают свои силы в окружающем пространстве, – это колебания не эфира, а силовых линий, которые соединяют друг с другом наиболее отдаленные части материи… таким образом, я намереваюсь низложить эфир» (цит. по: Dr. Bence Jones, 1870, p. 227).

Итак, согласно Фарадею, эфир не существует; существуют только гравитационные, электрические и магнитные силовые линии, пронизывающие пустое пространство. Свет – поперечные колебания световых линий.

Поэтому часто встречающиеся утверждения о том, что с самого начала исследования Фарадея противопоставлялись им немецким и французским теориям «действия на расстоянии» во многом основаны на недоразумении. На самом деле Фарадей рассматривал взаимодействие посредством силовых линий как прямое действие на расстоянии, поскольку в передаче сил от одной точки к другой никакая материя не участвовала. Действительно, в этом случае эта передача сил занимала некоторое время, но отнюдь не из-за какого-то промежуточного вещества или эфира. Причиной запаздывания была физическая природа силовых линий. В итоге, фарадеевское понятие силовых линий изменило традиционную дихотомию между прямым действием и действием, опосредованным веществом (Darrigol, 2001).

Недаром во введении к своему шедевру – «Динамической теории электромагнитного поля» (1864), в котором он получил, наконец, свои уравнения математически безукоризненным способом, во многом свободным от сомнительных «модельных» допущений, Максвелл подчеркивает: «Концепция распространения поперечных магнитных возмущений с исключением продольных определенно проводится проф. Фарадеем в его «Мыслях о лучевых вибрациях» (Phil.Mag., май 1846) .Электромагнитная 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, [1846], 1953, С. 263).

Тяжеловесный фарадеевский аппарат «силовых линий» и /или соответствующих «напряжений и натяжений в эфире» представлялся большинству его современников зыбким и неуклюжим, особенно в сравнении с точными и математически элегантными теориями действия на расстоянии. Поэтому теория поля развивалась весьма слабо и медленно до тех пор, пока в середине 1840-х гг. в игру не вступил Уильям Томсон. Именно Томсону принадлежала ключевая идея об аналогии между электромагнитными процессами и гидродинамическими явлениями. В частности, т.н. «эффект Фарадея» (1845) – вращение плоскости поляризации света в сильном магнитном поле – Томсон объяснил исходя из предположения, что магнитное поле заполнено крошечными «молекулярными вихрями», вращающимися вдоль силовых линий. Эти крошечные вихри могли отдавать часть своей вращательной энергии световым волнам.

Друг и наставник шотландца Джеймса Максвелла – ирландец Уильям Томсон – был старше его на 9 лет. Томсон уже при жизни добился всех возможных чинов и званий и был за свои заслуги перед наукой удостоен звания лорда (лорд Кельвин). Он и при жизни считался, и до сих пор считается патриархом классической (викторианской) физики XIX в. Его ультрамеханистическое мировоззрение слишком хорошо известно для того, чтобы нуждаться в комментариях. Томсоновский подход значительно отличался от фарадеевского, поскольку Томсон истово верил в механический эфир, в котором фарадеевские силовые линии представляли собой натяжения и напряжения этой механической среды. Томсону принадлежит следующий знаменитый девиз: «я никогда не буду удовлетворен познанием какой-либо вещи до тех пор, пока не создам ее механическую модель. Если я могу сделать механическую модель, я могу это понять. Если я не могу создать механическую модель явления, я его не понимаю; вот почему я не могу принять электромагнитную теорию».

Другое его высказывание (обращение к членам британской ассоциации по содействию развитию науки, 1900) не менее известно: «сейчас в физике больше нечего открывать. Все, что нам осталось – проводить все более и более точные измерения».

В авторитетной энциклопедии классической физики – «Трактате о Натуральной Философии» (1882), написанной вместе с другим другом и коллегой Максвелла – шотландцем Питером Тэтом – глава «Динамические законы и принципы» начинается с утверждения о том, что «мы не можем в самом начале изложения выбрать лучший путь, чем возможно более тщательное следование Ньютону. В самом деле, введение в «Математические начала натуральной философии» содержит в предельно ясном виде общие основания Динамики. Изложенные там и относящиеся к движению дефиниции и аксиомы требуют только небольших разъяснений и дополнительных иллюстраций, предложенных последующими достижениями, для того, чтобы привести их в соответствие с современными достижениями науки; мы получим тем самым гораздо более совершенное введение в динамику, чем даже некоторые самые лучшие современные трактаты» (Томсон и Тэт, 1882, p. 219).

Неслучайно, что когда Максвелл писал рецензию на фундаментальный труд своих друзей, результаты которого он плодотворно использовал в своих работах (см., например, IV главу данной работы), он все же вынужден был подвергнуть критике, как чрезмерно вульгарно-материалистическое, их определение массы. Он отмечал, с высоты своего кантовского априоризма, что «материя никогда не воспринимается чувствами непосредственно» (Mahon, 2003, p. 25).

Согласно Максвеллу, материя как субстанциональное вещество как раз и была тем «неизвестным субстратом, против которого Беркли направлял свои критические аргументы». В этом смысле материя – это предполагаемая возможность наших ощущений, но как «вещь в себе» она непознаваема. Как теоретическое понятие, материя аналогична такому математическому идеальному объекту, как «прямая линия» (Morrison, 2000, p. 101).

Именно своему старшему товарищу и наставнику Уильяму Томсону юный Максвелл, только что окончивший кембриджский университет, сообщил в письме в феврале 1854 г. о своих намерениях «атаковать электрическую науку». Томсон возглавил гонку по созданию механических моделей эфира, опубликовав в 1846 г. классическую работу, в которой выявлялась аналогия между электрическими явлениями и эластичностью упругой среды, заполнявшей все пространство. Для этого он исследовал состояние равновесия в несжимаемом эластичном твердом веществе и показал, что распределение в пространстве вектора, описывающего эластические смещения, похоже на распределение электрической силы в электростатической системе.

Но было одно радикальнейшее отличие подходов Максвелла и Томсона к механическим моделям эфира. Томсон понимал эти модели буквально: как описание того, что в действительности происходит в пространстве. Поэтому, в частности, он никогда и не принял максвелловское понятие тока смещения. (Это, впрочем, никак его не умаляет, поскольку даже Гельмгольц признал это понятие через много лет после максвелловской статьи 1861 г.). В частности, в 1888 г. Томсон охарактеризовал ток смещения как «любопытную и изобретательную, но в целом несостоятельную гипотезу».