Максвелловская научная революция - Ринат Нугаев

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.»).

Отсюда следует, что «монохроматическое излучение малой плотности (в области применимости закона излучения Вина) в смысле калорической теории ведет себя так, как если бы оно состояло из независимых квантов энергии величиной Rβv/N… Но если монохроматическое излучение (достаточно малой плотности) в смысле зависимости энтропии от объема ведет себя как дискретное вещество, состоящее из квантов энергии Rβv/N, напрашивается вопрос: а не являются ли и законы возникновения и прекращения света такими, как будто свет состоит из подобных же квантов энергии» (Эйнштейн, [1905],1966, С. 236).

Через четыре года, в обзорном докладе «О развитии наших взглядов на сущность и структуру излучения» (Зальцбург, 1909), представлявшем практически первую серьезную попытку проанализировать все свои работы в совокупности, Эйнштейн констатирует, что «существует обширная группа фактов в области излучения, показывающих, что свет обладает рядом фундаментальных свойств, которые можно понять с точки зрения теории истечения Ньютона намного лучше, чем с точки зрения волновой теории. Поэтому я считаю, что следующая фаза развития теоретической физики даст нам теорию света, которая будет в каком-то смысле слиянием волновой теории света с теорией истечения (курсив мой. – Р.М.Н.)» (Эйнштейн [1909], 1966, С. 183).

Именно к основным положениям лоренцевской дуалистической программы относятся следующие проницательные и точные слова Альберта Эйнштейна: «Установленные с тех пор [т.е. со времен Максвелла – РМН] и добившиеся успеха физические теории являются скорее компромиссом между обеими программами. Именно из-за своего компромиссного характера эти системы носили на себе печать недолговечности и логического несовершенства, несмотря на то, что в отдельности каждая из них добивалась значительных успехов.

В первую очередь следует назвать созданную Лоренцом электронную теорию, в которой поле и электрические частицы одновременно выступают в качестве равноправных элементов» (Эйнштейн, [1931], 1968, С. 246).

Таким образом, дуализм между корпускулярным и волновым описаниями, лежащий в основе максвелловской теории, был адекватно разрешен только в первой половине XXв. совместными усилиями создателей квантовой теории. Но это – уже другая история.

Итак, мы рассмотрели генезис и становление максвелловской электродинамической научно-исследовательской программы. Какие же выводы для философии и методологии науки мы можем теперь сделать? В частности, что нового дает проведенное исследование для ответа на следующие – особо значимые для «унификационистов» (unificationists) – вопросы (Kitcher, 1981; Glymour,1980; Friedman, 1983; Watkins,1984;Wayne, 2002)?