Текст книги "Статьи и речи"
Автор книги: Джеймс Максвелл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 25 (всего у книги 32 страниц)
В ту пору Максвелл разрабатывал свой метод исследований. Жизненность метода определяется тем, даёт ли он возможность учёному находить новые пути в познании законов природы. Жизненность своего научного метода Максвелл подтвердил мемуаром «О фарадеевых силовых линиях» (1855—1856)—первой из его основных работ по электромагнетизму. Оказалось, что он не только владел оригинальным методом, но был уже вполне сложившимся исследователем – исследователем-философом. Замечательно введение к этой работе: в нём Максвелл изложил свою научную программу – глубоко продуманную, с далёким прицелом. Об этом введении Людвиг Больцман впоследствии писал: «Оно показывает, как мало обязан он был случайности в своих позднейших открытиях; более того, оно показывает, что он работал ко хорошо обдуманному заранее плану. Подобный план грезился, может быть, и другим великим исследователям, но немногие из них сознавали его так ясно и имели достаточно искренности, чтобы заранее разъяснить его так просто».
Д. К. Максвелл в молодости
В 1856 г. Максвелл принял назначение в Абердинский университет на кафедру натурфилософии Маришаль-колледжа. Абердин – шотландский порт на Северном море. Ни в одном университете Англии отдельной кафедры физики ещё не было, но «в шотландских университетах,– как отмечал Столетов,– физика несколько ранее получила право гражданства». Кроме того, Максвеллу хотелось быть ближе к отцу, здоровье которого все ухудшалось. Но сэр Джон не дожил ни до переезда сына, ни до своего 60-летия. Это было самое сильное потрясение в жизни Максвелла.
Его лекционная нагрузка в Абердине была небольшой. Помимо чтения лекций, много времени отнимали заботы о доставшемся ему в наследство Гленлэре. За преподавание Максвелл взялся горячо, однако нельзя сказать, что он преуспевал: ни в молодости, ни позже он не был блестящим лектором. Своему приятелю, читавшему проповеди у них в деревне, Максвелл советовал: «Почему бы тебе не дать им этого поменьше?» Но сам таким путём никогда не шёл. Он был обаятельным человеком, его лекции были сдобрены особым юмором, в котором была и эксцентричность, и гротеск, и непрямая, с намёками и игрой слов, манера выражать свои мысли. Но едва дело доходило до существа предмета, речь Максвелла становилась точной, ясной, совершенно простой и лишённой эмоций. Таким был и стиль его писаний. Однако в его лекциях содержалось столько сложных вещей и до таких глубин любил он докапываться, что многих этим отпугивал. А экзаменовал он строго. В общем, ему трудно было поддерживать мир с теми, кто не возвышался над средним уровнем. Зато для тех, кто любил трудности и не боялся работы мысли – лучшего учителя не было.
Весной 1857 г. Максвелл решился наконец заявить о себе Фарадею, своему кумиру. К статье «О фарадеевых силовых линиях», которую он направлял ему, было приложено почтительное письмо. Не избалованный вниманием, маститый учёный был глубоко тронут. «Я не благодарю Вас за то, что Вы сообщили о силовых линиях,– писал он,– ибо Вы это сделали в интересах философской правды и из любви к ней. Но... Ваша работа приятна мне и даёт мне большую поддержку...» Фарадея поразила сила таланта 25-летнего своего последователя и то, какой силой была в его руках математика. С этого началась их переписка, так много давшая им обоим.
А следующей весной Максвелл сообщил своей тётке, мисс Кей, что собирается жениться. «Не бойтесь,– шутил он,– она не математик... Но она, разумеется, не станет и помехой для моей математики». Он не ошибся. Напротив того, Кетрин Мери Дьюар, дочь директора Маришаль-колледжа, ставшая вскоре миссис Максвелл, помогала ему в работе, пока позволяло здоровье. Мемуаристы отмечают, впрочем, что «миссис Максвелл была женщиной трудной»...
Когда Кембриджский университет объявил конкурс на работу об устойчивости колец Сатурна, Максвеллу захотелось попытать счастья. К астрономии у него была давняя любовь. В Гленлэре сохранилась своеобразная и явно домашнего изготовления игрушка: карта звёздного неба, разнимающаяся на созвездия. На месте звёзд (в соответствии с их звёздной величиной) были вырезаны разного диаметра отверстия. Если позади ставили свечу, игрушка оживала. Кроме того, Джемс с отцом сделали солнечные часы, по которым (и это надолго стало обычаем) в доме регулировались все другие часы.
Работа об устойчивости колец Сатурна заняла у Максвелла почти два года (1857—1859). Кольца Сатурна были открыты Галилеем в начале XVII в. и представляли собой удивительную загадку природы: планета казалась окружённой тремя сплошными концентрическими кольцами. Лаплас доказал, что они не могут быть твёрдыми. «Не жидкие ли они?» – предположил Максвелл. Но в атом случае, как показал математический анализ, они разделились бы на капли. Следовательно, подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если она состоит из роя несвязанных между собой метеоритов. Королевский астроном Эри назвал эссе Максвелла, изложенное на 68 страницах, одним из замечательнейших приложений математики. (Теоретическое решение Максвелла было со временем подтверждено спектроскопическими исследованиями Белопольского и Килфа.) Молодой учёный, которому была присуждена премия Адамса, «становится лидером математических физиков».
В науке, как и в жизни, все взаимосвязано. Исследование колец Сатурна пробудило интерес Максвелла к кинетической теории газов. В этой области переплетались такие важнейшие идеи века, как механическая теория теплоты, принцип сохранения энергии, атомистика. С момента своего возникновения кинетическая теория газов опиралась на представления о дискретном строении тел и о хаотическом движении дискретных частиц, составляющих газообразные тела. Углубление в высокую теорию не притупило живого интереса Максвелла к насущным проблемам техники. В промышленности тогда все шире применялся пар, росло число паровых машин, но неизвестно было, каким законам он подчиняется в их цилиндрах. А с этим, в частности, была связана проблема коэффициента полезного действия. Максвелл называет своих прямых предшественников в деле изучения газовых законов, это – Д. Бернулли, Джоуль, Крёниг и Р. Клаузиус. Но до Максвелла, для упрощения математических выкладок, полагали, что частицы (молекулы) газа движутся равномерно, прямолинейно и что их скорости одинаковы. Это допущение Максвелл отверг, как нереальное. Столкновение молекул друг с другом придаёт им различную скорость. В случае газа, изолированного от воздействия внешних сил, его молекулы распределены по скоростям группами. Невозможно вычислить скорость отдельных молекул газа, но вполне возможно вычислить скорость группы молекул. Как это сделать? Он воспользовался методом теории вероятностей и ввёл в кинетическую теорию статистический подход, который потом получил название – распределение скоростей газовых молекул («распределение Максвелла») и явился важным этапом в развитии кинетической теории газов. Однако тогда не имелось фактов, доказывающих правильность выводов Максвелла, да и сами представления о молекулах и законах их движения были весьма гипотетическими. Поэтому учёный обращается к своему излюбленному методу механических, или кинетических моделей. Одной из его первых кинетических моделей строения газа было представление о молекулах как об упругих телах конечных размеров (что не расходилось с общепринятыми тогда положениями). Затем Максвелл стал рассматривать молекулы как точечные центры, отталкивающиеся друг от друга пропорционально 5-й степени расстояния... Прочитав максвелловское «Объяснение динамической теории газов», Клаузиус сказал: «Вот как нужно писать по теории газов!» А Столетов позже констатировал: «В работах Клаузиуса и Максвелла кинетическая теория газов получила высокую степень развития». Впоследствии русский физик Н. Н. Пирогов, сын великого хирурга, распространил закон распределения скоростей на многоатомные газы.
Иногда о Максвелле говорят как об учёном, строившем свои теории при помощи карандаша и бумаги. Это неверно. Никого так не раздражали «холодные и пустые абстракции», как Максвелла. Его главная черта (что проявилось уже в первых работах) – органическое сочетание конкретного и абстрактного, умение мыслить наглядными образами при решении самой отвлечённой задачи, и отсюда – его стремление к геометрическим методам и кинематическим схемам. В этом он – типичное дитя своего времени, когда одни конструкции быстро сменялись другими, когда конструктивно-кинематические модели находились в центре внимания инженеров и учёных, когда дух классической механики пронизывал не только технику, но и физику. И это не случайно: механика, всесторонне и фундаментально к тому времени разработанная, была в полном смысле слова точной наукой. Поэтому физики и стремились свести к ней все физические проблемы, полагая, что, в конечном счёте, все может быть объяснено механически. Это хорошо выразил В. Томсон (будущий лорд Кельвин): «...подлинный смысл вопроса – понимаем ли мы данную физическую проблему, определяется тем, можем ли мы сконструировать соответствующую механическую модель?» Максвелл с детства любил механизмы и машины; ставши учёным, он увидел в них ещё и механические модели, демонстрировавшие определённые принципы и законы. Естественно поэтому и обратное – его стремление представить вновь найденные принципы и законы в виде механических моделей и схем. Он никогда не ограничивался одной моделью, а давал их, щедро, легко и как бы импровизируя, по несколько, иногда – десятки: выбирайте, мол, ту, которая, по-вашему, наиболее близка к действительной сути явления. Они бывали и примитивны, бывали и грубоваты, но надо помнить, что модели Максвелла – это лишь варианты творческой мысли, наглядное её отображение; они, предупреждает учёный, «должны пониматься как иллюстративные, а не объясняющие». И в этом – принципиально отличное от других физиков его отношение к механике: он искал в ней лишь внешнее сходство, аналогию, а не разгадку природы изучаемого явления. (Кстати сказать, метод моделей и аналогий получил широкое распространение и в современной науке.)
За четыре абердинских года Максвелл с наилучшей стороны зарекомендовал себя в учёном мире, было самое время перебираться в столицу. В 1860 г. он простился с Абердином, чтобы занять место профессора натурфилософии в Лондонском университете, в Кингс-колледже. Кроме физики, он должен был читать и астрономию. Здесь он наконец встретился с Фарадеем, жившим в здании Королевского института. Фарадей был стар и болен. Он давно жаловался на катастрофическую потерю памяти: «Моя голова так слаба, что я не знаю, правильно ли я пишу слова». Это почти лишало его возможности работать. Однажды после лекции, заметив своего молодого друга в плотном кольце людей, Фарадей воскликнул: «Ха, Максвелл! Вы не можете выбраться?! Если кто и может пробраться сквозь толпу – так это вы, такой специалист по молекулярному движению!..» Фарадей полюбил Максвелла и с интересом следил за его работой. Максвелл завязал знакомства и с другими физиками. «Работа – хорошая вещь, и чтение – тоже,– говорил он,– но лучше всего – друзья!» Он умел распределять время таким образом, что знакомства, встречи, дружеские беседы и развлечения не мешали ему работать. Он говорил: «Человек, вкладывающий в работу всю свою душу, всегда успевает больше...» Он достиг такого состояния интеллекта, когда, по его словам, «даже случайные наши мысли начинают бежать по научному руслу». Работал он легко, как бы играя. И даже когда он действительно играл, развлекался, то и в такие минуты умел думать о вещах серьёзных. В лаборатории он был очень искусным, быстрым; экспериментируя, имел привычку негромко насвистывать.
Переезд в Лондон совпал ещё с одним успехом Максвелла-учёного: за исследования по восприятию цветов и по оптике ему была присуждена Румфордовская медаль Королевского общества. Максвеллу шёл тридцатый год, талант его был в полном расцвете. В мае 1861 г. на лекции в Королевском институте он продемонстрировал первую в мире цветную фотографию – бант из разноцветных лент на фоне чёрного бархата. Правда, в современном смысле это ещё не было цветной фотографией: цветное изображение давали, проецируясь на экран, три диапозитива (красный, зелёный, синий). Максвелл, признанный глава математической физики, становится «одним из главных авторитетов по цвету»; им опубликовано пять работ, относящихся к этой области (по физиологии цветового зрения, колориметрии, цветовой печати и цветной фотографии). Некоторые из них замечательны по тем экспериментальным приёмам, которые в них использованы. Навестивший несколько позже Максвелла Гельмгольц писал жене в Гейдельберг: «Был тёмный, дождливый день, но я все-таки поехал в Кенсингтон (район Лондона) к профессору Максвеллу. Он показал мне прекрасные приборы, относящиеся к учению о цветах,– области, в которой я сам ранее работал... Он пригласил для меня коллегу, страдающего цветовой слепотой, профессора Поля, над которым мы делали опыты». Максвелл потом скажет: «Чтобы вполне правильно вести научную работу посредством систематических опытов и точных демонстраций, требуется стратегическое искусство...» Сам он, как, быть может, никто тогда, владел таким искусством. Лаборатории в его распоряжении, по существу, не было. Но он жил в окружении приборов, причём дома у него их было даже больше, чем в колледже; одни были изготовлены им самим, другие – по его указаниям. Приборы служили ему ещё и чем-то вроде игрушек: он придумывал забавные опыты, развлекался сам и развлекал других. С мыльными пузырями он манипулировал как заправский фокусник. Изучая смешение цветов, он часами выстаивал у окна, заглядывая в отверстие цветового ящика – соседи посчитали его за сумасшедшего. Работы по измерению вязкости газов он проводил в большой мансарде своего дома. Необходимо было поддерживать постоянную температуру; на плите, даже в жару, кипели чайники, из которых внутрь «лаборатории» непрерывно струился пар. Хрупкая миссис Максвелл действовала в качестве истопника.
Устойчивый интерес к практическим вопросам заставлял Максвелла продолжать работы по теории сооружений. Он, кроме того, деятельно участвовал, как член комиссии, в организации работ по определению единицы электрического сопротивления (эталона сопротивления) и по проверке закона Ома. В качестве материала для эталона был выбран сплав серебра и платины. Эта единица была названа омом. Измерениям Максвелл придавал огромное значение и даже в сугубо теоретических своих работах отводил большое место системам единиц, инструментам и методам измерений. Многие физики в точности измерений видели цель, конец работы, для Максвелла это было средство для достижения иной цели. «Я мог бы,– говорит он,– привести примеры из любой отрасли науки, показывающие, как работа над тщательными измерениями была вознаграждена открытиями новых областей исследования и развитием новых научных идей».
Лондонский период был для него плодотворным. Одна за другой выходят его работы. Вырос круг друзей, но круг научных проблем остался, по сути, прежним. Он с явным удовольствием продолжал те исследования, которые начаты были в юности. В 1861– 1864 гг. он публикует вторую и третью из своих основных работ по электромагнетизму – «О физических линиях сил» и «Динамическую теорию электромагнитного поля». В эти годы Максвелл пришёл к основным идеям в молекулярно-кинетической теории и в области электромагнетизма. Эти проблемы не только двигали науку XIX столетия, но сохранили своё значение и поныне.
Работа в Кингс-колледже была более напряжённой, чем в Абердине. Девять месяцев в году читались лекции. Кроме того, по вечерам Максвелл читал физику мастеровому люду. Лето он проводил у себя в поместье. В сентябре 1865 г. он перенёс тяжёлое рожистое воспаление головы; плохим было и здоровье жены. И вот – неожиданно – Максвелл, как некогда его отец, решает променять столицу на Гленлэр. Он отказался от кафедры и, отращивая бороду, зажил как лэрд. Выполняя волю отца, он перестраивает дом, занимается хозяйством, благоустраивает поместье. Он навещает соседей, играет с их детьми (своих у него не было), ездит верхом, совершает длинные прогулки с собакой Тоби. Вечера обычно посвящались чтению вслух, причём предпочтение отдавалось старым авторам – Чосеру, Мильтону, Шекспиру. Но Максвелл отлично был знаком и с современной ему английской литературой, особенно с поэзией. У него был острый критический глаз, тонкое чувство прекрасного, он помнил множество стихов и прозаических отрывков, целые сцены из Шекспира. Его суждения об искусстве были столь же самобытны и глубоки, как и его научные статьи. Он вёл большую переписку, изучал теологию, сочинял «каверзы» для конкурсных задач по математике, писал стихи. Весной он ездил в Лондон на учёные совещания и на экзамены в Кембридж; в таких случаях он ежедневно писал жене. Летом 1867 г. они совершили путешествие по Италии. Чтобы объясняться с итальянскими физиками, в частности с профессором Моссоти, Максвелл основательно изучил язык (из языков ему почему-то трудно давался только датский). Встретивший его в Италии Кемпбелл пишет, что Максвелл смотрел на собор св. Петра в Риме глазами «сочувствующего гения». В Гленлэре Максвелл львиную долю своего времени отдавал научному творчеству и написал несколько сочинений по математике и физике и две книги – «Теорию теплоты» и «Трактат по электричеству и магнетизму», в которых подытожил и завершил свои основные теоретические исследования.
Теория электромагнетизма имела большую историю и до Максвелла. «Постепенное разгадывание законов электромагнетизма в течение последних полутора веков,– писал У. Брэгг,– является одним из самых удивительных достижений науки во все времена. Путь был длинным и трудным, хотя сами по себе основные принципы не трудны».
Изучение электромагнетизма началось в XVIII в. Максвелл отмечает: «Кавендиш, Кулон и Пуассон – основатели точной науки об электричестве и магнетизме». (К ним следовало бы ещё причислить и Вольта). В 1819 г. Эрстед открыл действие тока на магнитную стрелку, показав таким образом, что электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле. До этого не знали, что между электричеством и магнетизмом ость какая-то связь. Ампер установил, что провод с током обладает всеми свойствами магнита и «исследовал математические законы механического взаимодействия между электрическими токами» (Максвелл). Араго открыл способность тока намагничивать железо. Дэви объяснил, почему железные опилки, рассыпанные на листе картона, сквозь который, перпендикулярно к нему, проходит провод с током, располагаются вокруг провода по концентрическим кругам. Взаимодействие электричества и магнетизма таило в себе нечто необыкновенное. Учёный мир был взбудоражен.
Увлечение опытами по электромагнетизму становится модой.
Заинтересовался этими опытами и ассистент Дэви, Майкл Фарадей.
К своим опытам, составившим в науке эпоху, он приступил в 1821 г., но только через десять лет добился успеха – открыл электромагнитную индукцию.
Открытия Фарадея, Ленца, Ома обогатили науку. После изобретения телеграфа Роберт Оуэн писал: «Возможность передавать мысли людей на расстояние 200 тысяч миль в секунду представляет собой самое чудесное открытие в летописи всех народов». Но не было теории, в которой бы математически разрабатывались принципы электродинамики и удобной для практических целей, а жизнь её требовала. В объяснении притяжения и отталкивания электрических зарядов и магнитных полюсов господствовал так называемый принцип дальнодействия (actio in distans). Взаимное притяжение тел, удалённых подчас на огромные расстояния да ещё разделённых непроводящей средой, казалось чем-то нереальным. Чтобы как-то найти объяснение, пространство заполнили вещественной средой – эфиром. При этом считалось, что действие и всемирного тяготения, и магнитоэлектрических сил распространяется мгновенно и без участия промежуточной среды. Все тогдашние теории (например, теория Неймана, Вебера, Грассмана и др.) базировались на принципе дальнодействия.
И лишь один Фарадей, отрицавший этот принцип, шёл против течения. В теории Фарадея главное внимание было обращено на пространство, которым разделены взаимодействующие заряды или магнитные массы. Молодой Максвелл напишет потом Фарадею: «Вы – первый человек, которому пришла в голову идея о действии тел на расстоянии через посредство окружающей среды». Дж. Дж. Томсон замечает: «Фарадей был глубоко убеждён в аксиоме или, если хотите, в догме, что материя не может действовать там, где её нет». Поэтому существование эфира – упругой, непроводящей среды – он принимал. Через неё-то (быстро, но не мгновенно) и распространяется электрическое действие – последовательно от точки к точке – так что имеет место близкодействие. Пространство, участвующее в передаче электрического действия, Фарадей назвал электрическим полем; оно пронизано потоками электрических и магнитных сил – силовых линий. Силовые линии окружают электрические заряды и магнитные полюсы. «Фарадей,– писал Максвелл,– своим умным глазом увидел силовые линии, пересекающие пространство...» Они сделали это пространство чем-то живым и вполне реальным. Фарадей считал, что понятие о силовых линиях должно раскрыть загадку природы взаимодействия магнетизма и электричества.
Теория Фарадея, однако, не была проста. Гельмгольц, например, вспоминает, как он «часами просиживал, застрявши на описании силовых линий, их числа и напряжения...» Фарадей не владел математическим методом и не делал поэтому попыток им воспользоваться. Он считал, что самые сложные вопросы можно изложить просто, не прибегая к «языку иероглифов». (Эйнштейн потом скажет о нём: «ум, который никогда не погрязал в формулах»), И что же получилось? В то время как теории адептов дальнодействия были блестяще математически обоснованы, гениальные фарадеевы «Экспериментальные исследования по электричеству», изложенные на языке «житейской логики», казались чем-то прикладным и пребывали вне «высокой науки». Открытия Фарадея использовались на практике очень широко, но к ним, однако же, относились свысока, иронически сомневались – а можно ли вообще под его теорию подвести математическую базу? Роберт Милликэн писал: «Когда Фарадей подтвердил своя гениальные физические идеи гениальнейшими открытиями в области электромагнетизма, он этим не завоевал своим идеям даже минимального признания. Формалисты школы Ампера – Вебера, подобно современным формалистам школы Маха – Авенариуса, с тайным, а иногда и с явным презрением смотрели на «грубые материальные» силовые линии и трубки, порождённые плебейской фантазией переплётчика и лабораторного сторожа Фарадея». Вот почему молодой Максвелл имел все основания заявить: «Современное состояние учения об электричестве представляется особенно неблагоприятным для теоретической разработки».
В этот решающий момент Максвелл и начал сражение за теорию Фарадея. Что же он сделал? Образно Милликэн определил это так: «облёк плебейски обнажённое тело фарадеевских представлений в аристократические одежды математики». Известный советский физик Т. П. Кравец это же самое выразил в других словах: «Если мы теперь освоились с системой воззрений Фарадея, если его электромагнитное поле стало одним из наших основных знаний, если его система превратилась в стройную теорию и получила адекватное математическое выражение, то это заслуга Максвелла и только Максвелла».
В искусных руках Максвелла математика оказалась могучим средством. Раньше других это понял. Фарадей. Прочитав присланную ему статью «О фарадеевых силовых линиях», великий физик в марте 1857 г. писал Максвеллу: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, применённую к вопросу, но потом изумился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо». Для Максвелла математика никогда не была самоцелью, и не наслаждения он искал в математических тонкостях, а орудие познания. «Насколько возможно,– писал он,– я буду избегать вопросов, которые хотя и могут явиться предметом полезных упражнений для математиков, но не в состоянии расширить наших научных знаний». Вместе с тем Максвелл безоговорочно берет под защиту фарадеевский метод: «Может быть, для науки является счастливым обстоятельством то, что Фарадей не был собственно математиком, хотя он был в совершенстве знаком с понятиями пространства, времени и силы. Поэтому он не пытался углубляться в интересные, но чисто математические исследования, которых требовали его открытия. Он был далёк от того, чтобы облечь свои результаты в математические формулы, либо в те, которые одобрялись современными ему математиками, либо в те, которые могли дать основание новым начинаниям. Благодаря этому он получил досуг, который требовался ему для работы, соответствующей его духовному направлению, смог согласовать идеи с открытыми им фактами и создать если не технический, то естественный язык для выражения своих результатов».
Максвелл решительно опровергает версию о якобы «антиматематичности фарадеевского мышления». Он писал: «...по мере того, как я подвигался вперёд» в изучении Фарадея, «я замечал, что его способ понимания явлений также был по своей природе математическим, хотя он и не был представлен в обычной математической форме. Я убедился, что его идеи могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы вполне сравнимы с формулами профессиональных математиков...» Более того, говорит Максвелл: «Способ, который Фарадей использовал для своих силовых линий при координировании явлений электромагнитной индукции, показывает, что он был математиком высокого порядка и таким, у которого математики будущего смогут перенять ценные и плодотворные методы». Он, писал Максвелл, «сообщил этой концепции силовых линий такую ясность и точность, каковые математикам удалось сообщить своим формулам».
«Трактат об электричестве и магнетизме» («Treatise on electricity and magnetism») разделён Максвеллом на два тома, а каждый том – на две части; в первом томе – электростатика и электрический ток, во втором – магнетизм и электромагнетизм.
По характеру мышления Максвелл был геометром, поэтому ему была близка геометрическая модель Фарадея, который оперировал с электрическими и магнитными силовыми линиями. В работах В. Томсона и Гельмгольца получила завершение гидродинамическая модель трубок. Между этими двумя моделями Максвелл усматривал аналогию. Следуя, с другой стороны, по пути Ома, использовавшего гидродинамические образы при установлении законов тока, Максвелл перенёс эти образы в своё учение об электромагнетизме.
Ещё в «Динамической теории поля» он писал: «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 также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления». Свою задачу Максвелл видит в том, чтобы объяснить электромагнитные явления «при помощи механического действия, передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей пространство между этими телами». Это был путь, указанный Фарадеем. Сосредоточив внимание на новом объекте – электромагнитном поле, Максвелл вывел электродинамику на единственно верный путь.
Ещё в 20-х годах было известно, что магнитное поле возникает вокруг проводника, по которому проходит электрический ток («ток проводимости», по терминологии Максвелла). В его гипотезе утверждалось, что магнитное поле возникает и при отсутствии тока проводимости, если электрическое поле меняется во времени. Тем самым Максвелл утверждал, что существует явление, обратное явлению электромагнитной индукции и названное им «магнитоэлектрической индукцией». Если электрическое поле меняется не в пустоте, а в некой диэлектрической среде, то изменение это вызывает смещение (т. е. движение) зарядов – появляется так называемый «ток смещения». Идея тока смещения – центральная идея электромагнитной теории Максвелла. Анри Пуанкаре отмечал потом с изумлением: «Все опыты того времени, казалось, противоречили этому, так как токи наблюдались исключительно в проводниках. Как мог Максвелл примирить свою смелую гипотезу с фактом так прочно установленным?». На это можно ответить словами репетитора Гопкинса: «Он органически был неспособен думать о физике неверно».
В мемуаре «Динамическая теория поля» (Джинс считал эту работу Максвелла «наиболее важной и имевшей наибольшее влияние... из всего им написанного») дана знаменитая электродинамическая система уравнений, в которой нашло отражение все то, что было тогда известно из теории электромагнетизма: 1-е уравнение выражает электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е – закон сохранения количества электричества, а 4-е – вихревой характер магнитного поля. (Это, в частности, дало повод Энгельсу заметить: «...вихри старого Декарта снова находят почётное место во всех новых областях знания»48f).
Свою роль в развитии учения Фарадея Максвелл оценивал чрезвычайно скромно: «Я только облёк идеи Фарадея в математическую форму». Работы Максвелла развеяли миф о «нематематичности» теории Фарадея. Но возник другой миф – что теория Максвелла якобы не физическая теория, а исключительно математическая. Теперь вряд ли надо опровергать, что это не так, что теория Максвелла – глубоко физическая теория, как не требуется доказывать и то, что Максвелл не только «пересказал» идеи Фарадея на языке математики, не только объяснил все известные в ту пору электромагнитные процессы, но и открыл для науки электромагнитное поле, представление о котором вскоре вытеснило понятие об эфире и – под именем «теория поля» – стало одной из основ современной физики. Пуанкаре считал теорию Максвелла вершиной математической физики. «Самым увлекательным предметом во времена моего учения была теория Максвелла,– вспоминает Эйнштейн.– Переход от сил дальнодействия к полям, как основным величинам, делал эту теорию революционной».
Это не все. Анализируя свои уравнения, Максвелл установил, что должны существовать импульсы, или волны, которые распространяются в пространстве как свободные поля (это предполагал и Фарадей). Вычислив их скорость, Максвелл получил 186 тысяч миль в секунду, т. е. скорость этих волн равнялась скорости света. И Максвелл говорит: «..мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая суть причина электрических и магнитных явлений». К такому же выводу он пришёл и с другой стороны – разрабатывая свою гипотезу о токе смещения. Все это позволило ему уверенно заявить: «...свет есть электромагнитное возмущение в непроводящей среде», т. е. свет – это разновидность электромагнитных волн. Это мы находим в той части второго тома «Трактата», которая озаглавлена «Электромагнитная теория света». Так, по меткому замечанию Луи де Бройля, Максвелл «сделал всю оптику частной главой электромагнетизма». Здесь же содержится и ещё один замечательный вывод: «В среде, в которой распространяется волна, появляется в направлении её распространения давящая сила, которая во всякой точке численно равна количеству находящейся там энергии, отнесённой к единице объёма». И далее: «Плоское тело, подвергающееся действию солнечного света, будет испытывать это давление только на своей освещённой стороне и, следовательно, будет отталкиваться от той стороны, на которую падает свет». Максвелл подсчитывает и величину этого давления. П. Н. Лебедев писал потом: «Максвелл вычислил в 1873 г., что при ясном небе, в полдень давление солнечных лучей на поверхность в 4 м2 едва достигает величины тысячной доли грамма». Как тут не вспомнить восклицание маленького мальчика Джемса Максвелла, которое стало, можно сказать, пророческим: «Это Солнце, папа! Я поймал его в оловянную тарелку!».
