Текст книги "Падение Рыжего Орка (СИ)"
Автор книги: Дарья Волкова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 22 страниц)
Остановимся на этом подробнее, чтобы нам был более ясен дальнейший ход мысленного опыта. В изолированной от внешнего мира каюте воздух не может ни выйти из нее, ни войти вовнутрь. Если человек в этой каюте разговаривает, то с физической точки зрения он создает звуковые волны, которые распространяются в воздухе от его рта со скоростью звука. Они распространяются во все стороны с одинаковой скоростью. И достигают стен каюты одновременно во всех направлениях, если человек стоит в середине каюты. Пассажир в каюте скажет: скорость звука в моей системе координат одинакова во всех направлениях. Наблюдатель на берегу скажет: в моей системе координат — на неподвижном берегу — скорость звука, распространяющегося в движущейся каюте, в различных направлениях не одинакова. Она больше в направлении движения корабля (на величину его скорости) и меньше в противоположном направлении — также на величину скорости корабля. И никто не удивится и не оспорит эти измерения. Каюта изолирована, воздух в ней заперт, источник звука передвигается вместе с кораблем, и как следствие скорость звука различна для пассажира в корабле и наблюдателя на берегу. Тут полная аналогия с определением скорости пассажира, идущего по палубе.
Эйнштейн, который уверен в универсальности принципа относительности Галилея для всех явлений, а не только для механических, хочет доказать это объективно для оптических явлений. Он ставит вопрос: каков будет результат, если такой же опыт провести, измеряя скорость света?. И Эйнштейн производит мысленный эксперимент, полагая для наглядности, что свет — это волны эфира, подобно тому, как звук — волны в воздухе. Гипотеза эфира не влияет на результат. Она лишь упрощает рассуждения, уменьшает количество необходимых слов, экономит время. Можно «перевести» все рассуждения с «эфирного языка» на «безэфирный» — результаты не изменятся. Но здесь просто нет для этого нужного места. Не посчитал нужным сделать такой перевод и сам Эйнштейн.
Теперь он помещает в центре каюты источник света. Итак, говорит Эйнштейн, имеются две возможности. Первая: каюта увлекает эфир так же, как воздух. Тогда и результат измерения скорости света будет аналогичным опытам со звуком — скорость света зависит от скорости корабля. Наблюдатель на борту корабля и наблюдатель на берегу получат различные результаты для величины скорости света. Их результаты можно сопоставить при помощи формул преобразования Галилея, и опыт совпадет с расчетом.
Вторая возможность: эфир свободно проникает через стенки каюты, они не увлекают эфир в своем движении. Каюта движется сквозь эфир. Как корабль, медленно скользящий по абсолютно гладкому морю, не увлекает частиц воды, а продвигается между ними, так и прозрачные стенки каюты не увлекают эфира, он свободно проникает сквозь стенки. В этом случае наблюдатель, находящийся в каюте, мог бы, не выглядывая наружу, определить, движется корабль или нет: свет достигнет передней стенки каюты позже, чем задней.
Опыт со светом, в случае, когда эфир свободно проникает сквозь стены каюты, не отличался бы от опыта со звуком, если измерять скорость звука не в каюте, а на открытой палубе, где воздух не участвует в движении корабля.
Наблюдатель на палубе скажет: свет бежит к корме быстрее, чем к носу движущегося корабля. Наблюдатель, находящийся на берегу, увидит, что свет коснулся заднего каната, ограждающего палубу, раньше, чем переднего. Но он скажет: скорость света не зависит от движения корабля: различие времени касания лучами света соответствующих канатов определяется тем, что скорость корабля в одном случае прибавляется, а в другом вычитается из скорости света.
Обе возможности, говорит Эйнштейн, неприемлемы. Одна из них заставляет отказаться от предположения о том, что скорость света — постоянная величина, не зависящая от условий опыта и от применяемых приборов. Другая принуждает пренебречь фактом, установленным еще Галилеем: не выходя за пределы каюты, нельзя судить о ее движении. То, что Галилей установил свой принцип для механики, не дает основания для того, чтобы отказаться от него в оптике.
Эйнштейн считает бесспорным, что симметрия явлений природы, заключающаяся в том, что законы природы едины в покоящихся и в движущихся телах, не ограничена механикой. Симметрия справедлива для всех явлений. В этом состоит истинная сущность принципа относительности. Этот принцип шире, чем думал Галилей, для которого механика была основой всех наук.
Эйнштейн убежден: нельзя отказаться ни от принципа относительности, ни от постоянства скорости света. Нужно искать выход из тупика, говорит Эйнштейн, вернее, пишет вместе с другом и сотрудником Инфельдом в замечательной книге «Эволюция физики», вышедшей в 1938 году. В более ранних статьях и брошюрах, посвященных теории относительности, Эйнштейн проводил свои мысленные эксперименты не в каюте корабля, а в купе поезда.
Кредо Эйнштейна — всякая теория должна опираться на реальный опыт — требовало полного доверия к факту постоянства скорости света, неоднократно подтвержденному всеми достоверными экспериментами. Врожденное чувство гармонии убедило Эйнштейна во всеобщей справедливости принципа относительности Галилея, отражающего симметрию природы — в данном случае симметрию покоя и равномерного прямолинейного движения. В чем же просчет мысленного опыта? Где логика рассуждений уводит от действительности? Может быть, вина лежит на математике? Все ли в порядке в самих формулах сложения и вычитания скоростей? В преобразованиях Галилея?
Кораблекрушения не будет!
Эйнштейн снова и снова обдумывает ситуацию. Переход от одной системы координат к другой осуществляется так, как это принято в классической механике. Это простой, механический закон сложения и вычитания скоростей. Он исходит из существования некоего абсолютного времени, единого для всех наблюдателей, для всех систем отсчета. Он исходит из предположения, что во всех системах координат расстояния между телами имеют одно и то же значение. Из этих двух принципов, которые казались всем вполне естественными, и следуют математические формулы преобразования Галилея… На них сосредоточивает свое внимание Эйнштейн. В них видит узкое место.
Не однажды, не дважды — множество раз ученые перестраивали формулы, рожденные теориями, подчиняясь необходимости увязать формулы с реальностью, с опытными данными. И Эйнштейн вынужден ввести в преобразования Галилея изменения. Он вводит небольшие изменения — о них мы еще будем говорить. Он вводит в них скорость света. Картина меняется словно по волшебству! Все становится на свои места! Теперь скорость света постоянна в обеих системах координат — и на корабле и на берегу! Теперь вновь торжествует принцип относительности Галилея, хотя математические преобразования Галилея изменены. Теперь вновь обретена симметрия явлений природы — на движущихся телах и на телах, пребывающих в покое. Вновь восстановлена гармония. Но… какой ценой? Эйнштейн еще не знает, какую бурю он вызовет, потянув за эту ниточку…
Эйнштейна не удовлетворяет успех от исправления преобразований Галилея, сделавшего их пригодными для анализа событий, связанных с оптическими явлениями, с событиями, где играет роль скорость света. Ему всегда и во всем нужно видеть физическую картину, понять анатомию явления. Эйнштейну было насущно важно понять причины, по которым преобразования Галилея необходимо заменить новыми формулами, выяснить физические следствия этой замены. Луи де Бройль комментирует: «Это Эйнштейн сделал при помощи тонкой и глубокой критики понятий пространства и времени». К этому его привела логика, ведь в формулу скорости входят именно расстояния и время. Затем де Бройль продолжает: «Такая критика была совершенно необходима, поскольку преобразование Лоренца влекло за собой целый ряд следствий, казавшихся тогда совершенно парадоксальными».
Итак, произнесено название «преобразования Лоренца». Да, формулы, найденные Эйнштейном как замена преобразований Галилея, носят наименование преобразований Лоренца. Эйнштейн получил эти усложненные формулы, не зная, что ранее они уже были выведены Лоренцом из других соображений. В то время Эйнштейн работал в должности эксперта третьего класса в Берне в «Бюро духовной собственности», как тогда именовалось Швейцарское патентное бюро. В Берне он не имел возможности ни общаться с физиками, ни пользоваться соответствующей литературой. Он был предоставлен себе, и все, чего он достиг, явилось результатом предельной интеллектуальной сосредоточенности, плодом самостоятельных усилий.
Эйнштейн пришел к этим преобразованиям в 1905 году, исходя из чисто интуитивного, внутреннего убеждения в том, что в природе властвует симметрия и она должна отображаться в уравнениях. Симметрия в природе проявляется, в частности, в принципе относительности и в независимости скорости света от движения наблюдателя. Математика должна отображать эту симметрию. Симметрия жестко ограничивает выбор математических формул, пригодных для описания природы. Эйнштейн был убежден — симметрия требует изменения формул, полученных Галилеем, поэтому он и отважился на эти изменения.
Итак, выход из тупика, найденный Эйнштейном, звучит очень просто: скорость света всегда и везде постоянна; принцип относительности везде и всегда справедлив. Природа устроена так, что скорость света постоянна при всех условиях и никакие тела не могут двигаться со скоростью света или еще большей. В своей автобиографии Эйнштейн рассказывает о мысленном эксперименте, послужившем первым толчком для этой мысли. Школьником он задумался над тем, какой должна предстать световая волна перед наблюдателем, движущимся вдоль нее со скоростью света. Ответ гласил: она должна выглядеть неподвижным электромагнитным полем, величина которого изменяется в пространстве. И вывод школьника: этого не может быть!
Если читатель нуждается в уточнении, если требуется сказать, чего не может быть, то ответ гласит: не может быть движения со скоростью, равной скорости света. Недопустимо даже мысленно считать, что световая волна может при каких-то условиях предстать неподвижным образованием. Природа устроена так, что принцип относительности справедлив не только для механики, что установил Галилей, но и для всех других известных процессов и явлений. Впоследствии пришлось ввести два пояснения: принцип относительности останется справедливым и для всех явлений, которые еще не известны, но могут быть открыты в будущем: элементарные частицы, способные двигаться со скоростью света, не могут двигаться иначе (не могут существовать в покое). Это относится к частицам света — фотонам— и к тем, не имеющим массы покоя частицам, которые, может быть, еще будут открыты.
Казалось бы, замечательный ответ, показавший выход из тупика и открывший новую эру в науке, куплен лишь небольшим усложнением формулы, выражавшей принцип относительности на языке математики. Нет, это не совсем так. Эйнштейн не только изменил формулу. Это был не формальный акт. Эйнштейн проник так глубоко, что пришлось поставить под сомнение исходные принципы, лежащие в основе преобразований Галилея и законов Ньютона. Они исходили из постулата абсолютности времени и пространства для любых наблюдателей — на покоящихся или движущихся телах. Эйнштейн усомнился в неизбежности этого постулата. Пересмотрел основные положения классической механики и в конце концов… отказался от них! Ввел другие исходные постулаты. Основным критерием он принял свое юношеское прозрение — никакая энергия, никакой сигнал не может распространяться со скоростью, большей, чем скорость света в пустоте. Вторым постулатом он счел незыблемость принципа относительности для всех явлений в природе как основы симметрии, гармонии мира, неизбежно отраженной в законах природы. Все это меняло взгляд на устоявшиеся понятия физики. И с этим теперь нужно было жить… Чтобы свести концы с концами, Эйнштейн провел глубокий критический анализ методов измерения времени и расстояний. Эйнштейн много размышлял перед тем, как пришел к расширению принципа относительности и к необходимости пересмотреть многие привычные нам понятия о размерах тел, о постоянстве течения времени во Вселенной, о понятии одновременности событий. Это и легло в основу Специальной теории относительности, о которой будет подробнее рассказано впереди.
ШЕСТЕРЕНКИ ДЛЯ СВЕТА
Что будет, если кит нападет на слона?
Один из добрейших детских писателей возбуждал миллионы умов этим, казалось, бессмысленным вопросом. В самом деле, что может послужить причиной столкновения этих миролюбивых гигантов? И как они могут встретиться, обитая в различных условиях? И вообще, что будет…
Писатель знал, сколь полезно, хотя бы иногда, подумать над подобной ситуацией. Жизнь преподносит и более сложные задачи. Ставит нас в положения не менее невероятные. Химеры вдруг оживают и требуют ответа, принуждают к принятию решения, от правильности которого зависит очень многое.
Знаменитый вопрос Кассиля — что будет, если кит нападет на слона? — модель всеобъемлющей проблемы: кто сильнее, что важнее? В науке этот вопрос возрождается вновь и вновь в дискуссиях о роли опыта, об отношениях опыта и теории.
Опыт — высший судья в науке. С этим теперь никто не спорит. Но как отличить праведного судью от неправедного? Ведь опыты иногда приводят к противоречивым, несовместимым результатам. И как быть, если судья воздерживается от ответа… А бывает и так, как об этом рассказал Пушкин:
Глухой глухого звал к суду судьи глухого;
Глухой кричал: «Моя им сведена корова!»
«Помилуй, — возопил глухой тому в ответ. —
Сей пустошью владел еще покойный дед».
Судья решил: чтоб не было разврата,
Жените молодца, хоть девка виновата.
Судья может судить справедливо, только зная факты и опираясь на закон. Это относится и к науке. Опыт, взятый сам по себе, способен дать лишь очень мало или даже ничего. Для того чтобы правильно поставить опыт и понять его результаты, необходимы правильные законы, правильная теория.
Но как опознать правильные законы в науке, какую теорию следует считать истиной? Ясно, что при этом нельзя просто ссылаться на опыт. Иначе получается порочный круг. Иван кивает на Петра, а Петр кивает на Ивана.
В науке, как и в юриспруденции, законы представляют собой сформулированные человеком и проверенные опытом человечества формулы. В юриспруденции — это словесные выражения объективно сложившихся человеческих отношений. Результат многовекового развития общества. В точных науках — это выраженные на языке математики объективные соотношения, присущие явлениям природы или возникающие в ситуациях, созданных человеком, в научных экспериментах. Только в этом смысле следует понимать известную фразу: законы природы создаются человеком. Человек формулирует их математическим языком, чтобы таким путем понять происходящее в природе.
И в юриспруденции, и в науке законы должны удовлетворять целому ряду логических требований. Вот важнейшие из них:
Непротиворечивость. Один закон не должен противоречить другому. Если два закона противоречивы, один из них должен быть отброшен. Или необходим третий закон, определяющий условия применения первых двух: в таких-то случаях применять первый, а в этих — второй.
Полнота. Все возможные ситуации должны попадать в сферу действия свода законов. Если свод законов полон, то любая возникшая, даже ранее не встречавшаяся, ситуация должна попасть в сферу его действия. Если хотя бы одна новая ситуация оказывается непредусмотренной, то свод законов не полон и нуждается в дополнении. Есть и менее важные требования, но и они существенны, например:
Простота. Желательно, чтобы количество отдельных законов было минимальным, а каждый из них охватывал много соответствующих ситуаций.
Однозначность и ясность. Необходимо, чтобы законы не допускали различных толкований и не требовали дополнительных разъяснений.
Законы науки и учет их следствий требуются для правильной постановки экспериментов и при обработке полученных результатов. Эксперименты необходимы для проверки правильности предсказаний, даваемых теорией. Ибо теория, лишь объясняющая известное, но не позволяющая продвинуться в неведомое, не делающая предсказаний, поддающихся проверке, не может претендовать на то, чтобы заменить ранее существовавшие теории. В этом проявляется диалектика познания: только совокупность опыта и теории составляет настоящую науку.
Мы знаем, что будет, если хотя бы один новый опыт противоречит теории, то есть противоречит огромной совокупности прежних опытов, из которых выросла эта теория. Речь идет, конечно, только о правильном опыте, об опыте, поставленном и обработанном без ошибок и, желательно, повторенном независимыми исследователями. Такой опыт не может отвергнуть результатов других столь же тщательно поставленных и обработанных опытов. Он является лишь сигналом о том, что теория не полна. Что она должна быть дополнена или переработана.
Но что будет, если внезапно обнаружится противоречие между двумя фундаментальными теориями? Общепризнанными теориями, относящимися к двум не связанным между собой областям науки и до того непринужденно объяснявшими огромное количество опытных данных.
Слон вышел на отмель, около которой плещется кит!
Победы королевы Механики
Великая древняя наука механика… Вместе с арифметикой и геометрией она пришла к нам из тьмы веков. Это не просто красивая метафора. Возраст «Механики» Аристотеля перевалил за двадцать веков. А еще четыре века назад она безраздельно властвовала в умах образованных людей и, несмотря на множество своих ошибок, служила фундаментом великолепных зданий и мостов, акведуков и прекрасных скульптур. Надежным фундаментом, ибо во всех подобных случаях достаточно законов статики, относящихся к условиям равновесия сил, действующих на неподвижные тела. Главные же ошибки «Механики» Аристотеля начинаются там, где он пытается объяснить процесс движения.
Движение оставалось непостижимой тайной для древних мудрецов — их мышление было сугубо конкретным. Даже богов они наделяли человеческим обликом, а герои и чудовища выходят за пределы реального только своими масштабами: Геракл — силой, Аргус — количеством голов. Пределом абстракции для древних мыслителей было число и простейшие геометрические фигуры. В построении системы чисел они сделали лишь два шага. Простые числа, при помощи которых можно считать предметы, и простые дроби — отношения простых чисел, позволяющие делить то, что поддается делению. Когда Пифагор обнаружил несоизмеримость диагонали квадрата с его сторонами, если их размер — единица, он велел ученикам сохранить это в тайне. Существование величин, несопоставимых с простыми дробями, казалось ему ниспровержением основ. Страх перед такими величинами привел к застою математики на два тысячелетия.
Дымные костры инквизиции еще подсвечивали гнетущую ночь средневековья, когда Коперник, Кеплер и Галилей, отбросив древние предрассудки, положили начало новой науке о небесных и земных движениях. Коперник и Кеплер сосредоточили свои усилия на движении планет. Галилей, кроме того, стремился понять законы, лежащие в основе движений обычных земных тел и механизмов. Так возник фундамент современной науки, в который вошла мощь абстрактного мышления и сочетание все более сложной математики с искусством опытного исследования природы, пионером которого по праву считается Галилей. Под этим фундаментом сохранились, обеспечивая его устойчивость, древние блоки арифметики и алгебры, геометрии и логики, астрономических наблюдений и законов рычага. Конечно, кое-что пришлось удалить, иное лишь впоследствии вошло в общий монолит знаний после многовекового забвения.
Ньютон хорошо сказал, что ему удалось создать что-то новое только потому, что он стоял на плечах гигантов. Великолепный труд «Математические начала натуральной философии» сообщал людям суть научного метода, развитого Ньютоном на основе, заложенной Галилеем.
Вот этот метод: исходя из опыта обнаруживать «принципы» — фундаментальные свойства природы; на основе «принципов» строить законы — математические зависимости, связывающие между собой различные характеристики явлений и процессов, полученные из измерений; при помощи законов выводить следствия, поддающиеся проверке путем специально поставленных новых опытов. Этот метод и сейчас надежно служит ученым, успешно сочетаясь с методами гипотез. Конечно, речь идет не о гипотезах, придумываемых для объяснения отдельного частного явления, с которыми так страстно боролся Ньютон. Каждая гипотеза такого рода обычно требует дополнительных гипотез, объясняющих, почему новая гипотеза не противоречит другим явлениям или другим гипотезам, и этой порочной цепи нет конца. Но Ньютон сам с большим искусством создавал гипотезы другого рода. Их скорее следовало бы называть «пробными принципами». Они с самого начала строятся так, что оказываются согласующимися со множеством фактов и явлений или хотя бы с широким кругом родственных процессов, и способны вести к предсказаниям, поддающимся проверке опытом. Ко времени появления «Начал» Ньютон уже был известным и общепризнанным ученым. Но не это явилось причиной совершенно необычного успеха его книги — она оказалась распроданной так быстро, как сейчас расходятся бестселлеры, хотя это был не детектив, а сложный научный труд. Причина заключалась в революционном содержании «Начал». Впервые ученому удалось связать общими законами земные и небесные явления. Объяснить на основе механики процессы, не имеющие видимой общности с какими-либо механизмами.
«Начала» стали не только вершиной науки, но началом нового быстрого прогресса различных ее областей. Метод, созданный Ньютоном, оказался очень аффективный, а результаты, полученные им, столь эффектными, что многие поколения ученых, взяв на вооружение его метод, стремились, подобно ему, объяснить при помощи законов механики весь окружающий мир, со всеми его особенностями и част-частностямиИ это удавалось. Казалось, нет предела возможностям механического объяснения природы.
Поразительные успехи механики и ее применений к другим областям физики привели к далеко идущим последствиям. Некоторые важнейшие понятия механики Ньютона были восприняты философами и обобщены ими далеко за пределы, первоначально установленные их автором. Затем возникло то, что инженеры называют обратной связью, что зачастую ведет к возникновению самовозбуждающихся колебаний, нередко приводящих к катастрофическим последствиям. Ученые начали применять эти же понятия уже не как атрибуты механики, а как философские категории. Так случилось, в частности, с понятиями пространства, времени и причинности. Реальное пространство и время были отождествлены с абсолютным пространством и временем механики Ньютона. А причинность, трудами великого математика и механика Лапласа, была сведена к детерминизму: к жесткой связи между различными этапами механических процессов. Связи, описываемой уравнениями движения.
Сложившаяся ситуация вначале не только не мешала прогрессу науки, но и способствовала ему. Кристальная ясность и строгость уравнений механики, торжество причинности импонировали людям, склонным к исследовательской работе. Они стремились изгнать из науки малейшую неясность и произвол. Механика и ньютоновский метод познания природы всегда приводили к цели. Казалось, успехам методов механики никогда не будет конца.
Максвелл пытается обмануть себя
Дальнейшее в существенной мере покоится на новаторских работах Фарадея. Этот гениальный самоучка не получил систематической подготовки и в течение всей жизни испытывал трудности в области высшей математики. К счастью, в то время еще удавалось сделать многое на основе элементарных расчетов. Конечно, и тогда требовалась способность интуитивного понимания связей, скрытых за явлениями природы. В этом отношении равным Фарадею был впоследствии, по-видимому, лишь Бор. Фарадей, подобно Ньютону, интуитивно чувствовал неудовлетворенность оттого, что для объяснения взаимодействия тяжелых тел и электрических зарядов приходится привлекать дальнодействуюшие силы. Но если в области механики им не было видно замены, то в области магнетизма дело обстояло иначе.
Более того, в 1820 году Эрстед обнаружил доселе неведомую силу, никак не укладывающуюся в ряд уже изученных сил, действующих не только в механике, но и в экспериментах с электричеством и магнетизмом. Все силы, с которыми встречались физики: сила тяготения, сила электростатического притяжения или отталкивания, сила притяжения или отталкивания полюсов магнитов и другие действовали по прямым, соединяющим тела — источники силы. Это позволило Ньютону, а затем его последователям применить геометрию и математику для формулировки законов действия сил. Так возник закон тяготения и его близнец — закон Кулона, определяющий взаимодействие наэлектризованных тел.
Эрстед изучал влияние электрического тока на намагниченную иглу. Он протянул прямолинейный провод вдоль стрелки компаса, указывающей на север и юг. Когда провод был присоединен к электрической батарее, стрелка компаса повернулась поперек своего начального положения. Эрстед был потрясен. Он понял, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не вдоль соединяющей их прямой, а в поперечном направлении. Эрстед назвал эту силу «поворачивающей силой». Статья Эрстеда была написана по-латыни. В то время мода на латынь миновала и большинство научных журналов выходило на живых языках. Переводчик, а он, несомненно, был ученым, работавшим в близкой области, не был уверен в том, что правильно понял Эрстеда, и в примечании дал латинский оригинал той части его статьи, где говорилось о «поворачивающей силе». В таком же замешательстве были и читатели. Экспериментаторы проверили и подтвердили опыты Эрстеда. Био и Савар установили зависимость этой силы от расстояния, а затем была определена и ее зависимость от силы тока. Но причина «поперечности» направления действия силы оставалась совершенно непонятной.
Так появился первый факт, противоречащий самому духу ньютоновской механики.
Следуя методам Ньютона и используя гипотезу светоносного эфира, Фарадей объяснил явление магнетизма действием особых натяжений эфира. Ему удалось сделать еще один шаг. Огромный шаг. Связать между собой электрические и магнитные явления. Так возникли законы электромагнитной индукции.
Следующий шаг сделал Максвелл. Он тоже следовал методам Ньютона: отыскивать в явлениях природы общие принципы, получать из них законы, выраженные на языке математики, и извлекать из них следствия, доступные опытной проверке. При этом, однако, он смело прибегал к гипотезам и к тому, что теперь иногда называют «экспериментальной математикой», или методом математических гипотез. Он смело вводил в уравнения новые члены, добиваясь симметрии уравнений и придавая им такой вид, который лучше соответствует всей совокупности опытных фактов. При этом Максвелл искусно опирался на метод аналогий, на механические модели, ибо он стремился строить теорию электричества и магнетизма на основе механики Ньютона.
Исходным принципом было единство электрических и магнитных явлений, установленное Фарадеем. Оно требовало объединения известных ранее, но выступавших как независимые, законов электричества и магнетизма: закона Кулона, описывающего взаимодействие между электрическими зарядами; закона индукции Фарадея, объяснявшего, каким образом движущийся магнит возбуждает электрический ток в металлических проводниках. Максвелл сумел найти недостающие зависимости и описать все эти разрозненные законы при помощи единой системы из четырех взаимосвязанных уравнений. Самым трудным при этом, требовавшим не только гениального предвидения, но и смелости, явилось введение в одно из уравнений дополнительного члена, никак не связанного с известными законами и, более того, с известными явлениями. Этот член нужен был для придания уравнениям симметрии, для достижения чисто математической завершенности.
Современникам, да и многим потомкам этот член казался совершенно абсурдным, ибо он соответствует электрическому току, проходящему через пустоту. Явление невиданное и казавшееся невозможным. Абсурдный член сыграл в истории развития знаний роль, аналогичную той, которая впоследствии выпала на долю легендарной «аш» (h) Планка. Чисто формальный шаг привел к пониманию физической картины Вселенной.
Максвелл не сразу осознал, что уравнения подсказали ему возможность самостоятельного существования в пустом мировом пространстве электромагнитных волн. Максвелл не сразу поддался обаянию простой картины мира, нарисованной его уравнениями. Для него было естественнее предположить, что электромагнитные волны являются движущимися волнами эфира. Ведь Максвелл, как и все его современники, находился под глубоким влиянием механики Ньютона и считал высшей целью науки объяснение всех явлений природы при помощи механики. Поэтому он настойчиво пытался построить механическую модель, способную отобразить все электромагнитные явления, в том числе и электромагнитные волны. Сохранились многочисленные эскизы различных механических конструкций, созданных воображением Максвелла на основе его уравнений. Многие из них представляют собой бесконечные наборы различных связанных между собой шестеренок, скомбинированных так, чтобы они моделировали волновые движения. Теперь нам, живущим в совершенно иную эпоху, кажется удивительным и странным, как гениальный создатель электродинамики мог надеяться на то, что ему удастся представить оптические явления при помощи комбинации движений множества шестеренок! Осознать это можно, лишь вспомнив, в какую эпоху он учился и творил.
Все усилия оставались тщетными. Модель могла иллюстрировать одно или несколько единичных явлений. Но никакая механическая модель не в силах объединить в себе всю совокупность разнообразных электромагнитных явлений. То, что у Фарадея было чрезвычайно простым, при механической трактовке становилось весьма сложным. Максвелл сам чувствовал, что созданная им теория переросла пределы возможностей механических моделей. В последующей работе он обходится без этих механических подпорок. Он стремится убрать строительные леса и формулирует теорию в замкнутой математической форме. Он пишет: «Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля потому, что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или магнитные тела, и она может быть названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении…» Дальше констатации того факта, что в мировом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, Максвелл, конечно же, не мог пойти. И так это было крамольное утверждение, ниспровергающее основы. И Максвелл сосредоточился на математическом углублении своей теории. Рождалась новая наука — электродинамика. Максвелл поставил свой целью«…показать, каким образом непосредственным применением идей и методов Фарадея лучше всего могут быть выяснены взаимные отношения различных классов открытых им явлений». Он пишет: «…Я имею в виду представить фарадеевскую теорию электричества с математической точки зрения…»
