Максвелловская научная революция - Ринат Нугаев

Конечно, энциклопедичностью вклад Максвелла в теорию электромагнетизма не ограничивался. В частности, именно в «Трактате» Максвелл сделал важное предсказание, впоследствии подтвержденное в опытах П.Н. Лебедева, о том, что электромагнитные волны способны оказывать давление.

Но особый интерес для данной работы представляет подробно описанная Максвеллом эвристическая сторона этого открытия; сопоставление Максвелла – автора [IV] – с Максвеллом – автором [I]– позволяет подтвердить справедливость описанной в данной работе максвелловской методологической позиции: автор был создателем собственной синтетической программы, программы объединения не столько электричества и магнетизма (это очень неплохо сделали до него Ампер и Вебер, а континентальной и британской традиций рассмотрения явлений электричества и магнетизма. Действительно, «прежде чем начать изучение электричества, я решил не читать никаких математических работ по этому предмету до тщательного прочтения мной «Экспериментальных исследований в области электричества» Фарадея. Я знал, что между пониманием явлений Фарадеем и концепцией математиков предполагалось наличие такой разницы, что ни тот, ни другие не были удовлетворены языком друг друга. Я был убежден также, что расхождение это возникало не из-за неправоты какой-либо из сторон. Впервые меня убедил в этом сэр Вильям Томсон» (Максвелл, [1873], 1952, С. 348).

Но не только признанием равнозначности британской и континентальной традиций для развития теории электричества и магнетизма интересен рассматриваемый «Трактат», но и оценкой вклада Фарадея и его исследовательской программы: «приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов. Я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и таким образом сравнить с методами профессиональных математиков» (Максвелл, [1873], 1952, С. 349).

А теперь сопоставим данный отрывок с хорошо известным введением в [I], где Максвелл одинаково критически отзывается и о математических, и о физических методах исследования, критикуя их за односторонность и ратуя за цельный, синтетический подход. Приведем данный отрывок в силу его важности еще раз: «для дальнейшего эффективного изучения науки первым делом надо упростить и свести результаты предыдущих исследований к такой форме, которую ум может усвоить. Результаты этого упрощения могут принять вид или чисто математической формулы, или физической гипотезы. Но в первом случае мы полностью теряем из виду то явление, которое мы собираемся объяснить; и, несмотря на то, что мы можем проследить следствия из данных законов, мы никогда не сможем получить более широкие представления о взаимосвязях рассматриваемого предмета.

Если же, с другой стороны, мы примем физическую гипотезу, мы получим только опосредованный образ явлений, и будем нести ответственность за ту слепоту к фактам и за ту скороспелость в принятии предпосылок, которые этим односторонним объяснением одобряются. Поэтому мы должны открыть такой метод изучения, который позволит уму на каждом этапе владеть ясной физической концепцией, не отдавая предпочтения никакой теории, основанной на той физической науке, из которой эта концепция заимствована, так что она ни уводится в сторону от предмета аналитическими тонкостями, ни выходит за пределы истины из-за принятия излюбленной гипотезы « (Maxwell [1856]; 1890, p. 155).

Таким образом, воззрения Фарадея, к тому же выраженные на языке математики, ничем в лучшую сторону не отличаются от воззрений Ампера и Вебера, и также должны быть включены в конструируемую теоретическую схему лишь в качестве частного случая. Здесь налицо попытка использовать своего рода (неявно сформулированный) «принцип дополнительности». Максвелл понимал, что то, что мы называем «объектами», «силами» и «полями», является нашими попытками отображения некоей реальности, которая непосредственно нашим чувствам недоступна, и может быть строго описана только на математическом языке. Последний может описывать не глобальные, «онтологические» свойства самой реальности, но лишь отношения между ее частями.

В «Трактате» Максвелл множит свои усилия в направлении очищения своих результатов от остатков модельного подхода и усиления абстрактной, лагранжевой составляющей. В начале V главы «Об уравнениях движения системы со связями» он подчеркивает, что «то, что я предполагаю сейчас сделать, это исследовать следствия допущения, что явления электрического тока представляют собой явления движущейся системы, причем движение передается от одной части системы к другой при помощи сил, природу и законы которых мы пока даже не будем пытаться определить, т.к. мы можем исключить эти силы из уравнений движения при помощи данного Лагранжем метода для любой системы со связями» (Максвелл, [1873], 1952, С. 411).

И далее Максвелл прямо опирается на результаты «Аналитической механики» Лагранжа, в которой последний дал метод сведения обычных динамических уравнений движения частей системы со связями к числу, равному числу степеней свободы этой системы, а также на метод теории импульсивных сил, разработанной в «Натуральной философии» Томсона и Тэта.

«Я применил это метод для того, чтобы избежать явного рассмотрения движения каких-либо частей системы за исключением координат или переменных, от которых зависит движение целого» (Максвелл, [1873], 1952, С. 413).

Найденные в итоге уравнения Гамильтона, содержащие обобщенные переменные q, dq/dt, p и dp/dt, а также выражения для кинетической (Tu ) и потенциальной (Tp) энергий Максвелл применяет в главе VI для создания «Динамической теории электромагнитного поля». В последней он исходит из предположения о том, что энергия электрического тока предстает как в той форме, которая определяется «действительным движением материи», так и в той, которая заключается в возможности получать движение в результате наличия сил, действующих между действительно расположенными друг относительно друга телами. Здесь он еще раз подчеркивает, – несмотря на указания Фарадея, – что «электрический ток нельзя рассматривать иначе, как некоторое кинетическое явление. Даже Фарадей, который постоянно старался освободить свою мысль от влияния тех представлений, которые слишком связаны со словами «электрический ток» и «электрический флюид», говорит об электрическом токе как о движении, а не о расположении… мы достаточно знаем относительно электрических токов для того, чтобы признать в системе материальных проводников, несущих ток, динамическую систему, являющуюся местонахождением энергии, часть которой может быть кинетической энергией, а часть потенциальной. Природа связей частей этой системы нам неизвестна, но, поскольку мы имеем динамические методы исследования, которые не требуют знания механизма системы, мы будем применять их к этому случаю» (Максвелл, [1873], 1952, С. 429-430).

Получаемые в итоге «Общие уравнения электромагнитного поля» (гл. IX) еще далеки от т.н. «уравнений Лоренца-Хевисайда», состоя из трех систем уравнений (всего 20 штук). В красноречивом отрывке, приводимом ниже, Максвелл еще раз подчеркивает, что выражение для тока смещения не является само собой разумеющимся результатом, вытекающим естественным образом из основных принципов динамики, а возникает как результат принятия определенной точки зрения.