Текст книги "Квинтэссенция. Книга первая"
Автор книги: Ирина Радунская
Соавторы: Ирина Радунская
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 16 страниц)
Любой человек стремится увидеть и понять закономерность, – нечто простое, скрытое в сложных процессах и явлениях. Там, где в дело вмешивается математика, одним из путей упрощения является исключение из уравнений каких-либо переменных величин.
Максвелл обратил внимание на то, что переменные величины входят в его уравнения попарно. Если есть член, отображающий электрическое поле, то всегда имеется член, описывающий изменение магнитного поля со временем. И наоборот, в уравнения для магнитного поля входит изменение во времени электрического поля.
Нечто подобное встречал каждый из нас в школе на уроках алгебры, знакомясь с парами уравнений, содержащих по две переменные величины, связанные между собой этими уравнениями. Вспомним и указание учителя – пожертвовать одним из уравнений для того, чтобы исключить одну из переменных величин в оставшемся уравнении. А после этого думать о том, как решить это уравнение. Конечно, Максвелл поступил именно так. Он пожертвовал одним из уравнений для того, чтобы во втором уравнении осталось только электрическое поле. Но совершенно аналогично можно пожертвовать вторым уравнением, чтобы оставить в первом только магнитное поле.
И тут свершилось чудо. Оба полученных таким образом уравнения оказались близнецами. Если в первом – изменение электрического поля в пространстве было связано с изменением того же поля во времени, то во втором обнаружилась точно такая же связь изменения магнитного поля в пространстве с изменением этого же поля во времени.
Словосочетание «точно такая же связь», в данном случае, означает, что в обоих уравнениях возник один и тот же множитель пропорциональности. И оба уравнения по форме ничем не отличались от уравнения, описывающего распространение обычных волн на поверхности воды! В этом была загадка и вызов…
Еще более удивительным Максвеллу показалось то, что аналогичный множитель в уравнении для волн на воде равнялся попросту квадрату скорости распространения этих волн.
Максвеллу, конечно, сразу стало ясно, что он получил уравнения распространения электрических и магнитных волн. А удивительная аналогия этих уравнений очевидно свидетельствовала о глубоком единстве обоих процессов.
Максвелл понял, что уравнения описывают две стороны общего процесса. Что речь идет об единой электромагнитной волне, отображенной один раз на языке электрического поля, а другой раз на языке магнитного поля.
Родилось великое открытие. Открытие электромагнитных волн.
В статье «Динамическая теория электромагнитного поля» Максвелл отбросил механическую модель, содержащую множество вращающихся ячеек. Он сообщал читателю, что электрическое поле в эфире является самостоятельной реальностью, что для его описания не нужно пытаться строить какие-либо механические модели.
Обратите внимание на то, что термин «электромагнитное поле» не только высказан впервые, но и вынесен в название статьи. Несомненно, Максвелл хотел подчеркнуть этим важное значение нового понятия.
Так, силовые линии Фарадея, сыграв свою роль, перешли во второй эшелон, отошли в историю, в учебники и в книги, предназначенные для любителей истории науки.
Но несмотря на все, о чем мы говорили, Максвелл в этой же статье пишет: «Энергия электромагнитных волн есть механическая энергия». Таким образом, отказавшись от механических моделей, Максвелл не мог освободиться от общей уверенности в том, что все рано или поздно, пусть еще неведомым путем, будет сведено к механике. В данном случае к еще не созданной механике эфира.
… Наряду с интенсивной научной работой, Максвелл читал лекции студентам Кингс-колледжа и возобновил чтение общедоступных лекций, начало которым положил Фарадей.
В сентябре 1865 года Максвелл перенес тяжелое рожистое воспаление головы. Он отказался от педагогической деятельности и уехал в имение Гленлэр, перешедшее к нему от отца. Он решил в спокойной обстановке полностью посвятить себя науке.
Свободное время он занимается хозяйством. Выполняя волю отца перестраивает дом, благоустраивает поместье, гуляет со своей собакой Тоби, навещает соседей, сочиняет конкурсные задачи по математике.
Но основное время отдано науке. В 1870 году вышла его книга «Теория теплоты». В ней, кроме итогов прежних работ, содержались и свежие мысли.
Наряду с другими материалами, в книгу вошло найденное Максвеллом в 1868 году новое доказательство закона распределения молекул по скоростям.
Главной задачей, поставленной перед собой Максвеллом в этот период, была систематизация его работ по созданию электродинамики. Он посвятил ей около восьми лет.
25 августа 1867 года скончался Фарадей. Максвелл продолжал чтить память учителя. Он много раз возвращался к роли Фарадея и его открытий. В различных вариантах он заявлял: «Я только облек идеи Фарадея в математическую форму». Этой задаче он посвятил почти половину своей жизни. Созданный Максвеллом «Трактат об электричестве и магнетизме» является лучшим памятником Фарадею.
ТРАКТАТ«Трактат» состоит из двух томов. В каждом из них по две части. В первом томе электростатика и электрический ток. В нем дано систематическое описание достижений предшественников, изложенное ясным фарадеевским «геометрическим» языком электрических силовых линий и переведенное на язык математических формул.
Первая часть второго тома посвящена магнетизму. В нем опять основой служат фарадеевские силовые линии и фарадеевское поле, эфирная среда, передающая электрическое и магнитное взаимодействие между удаленными телами. Силовые линии поля, стремящиеся сократиться и расшириться в стороны, воздействуют таким образом на тела и делают не нужным представление о действии на расстоянии.
Главное в «Трактате» – вторая часть второго тома, посвященная электромагнетизму. Здесь с единых позиций рассмотрена «поворачивающая сила» Эрстеда, наблюдения Ампера, опыты Фарадея. Словом, проанализировано все известное о связи между электрическими и магнитными явлениями. И выражено это языком математических формул. Они предсказывают неведомое электромагнитное поле, в котором со скоростью света бегут электромагнитные волны, волны эфира, переносящие энергию, излученную источником этих волн.
Максвелл утверждает, что волны продолжают распространяться в эфире и после того, как их источник перестал работать. Продолжают распространяться до тех пор, пока на их пути не встретится препятствие. Это препятствие может их поглотить, поглотить переносимую ими энергию, может отразить их обратно или изменить направление движения.
Формулы утверждали, что электромагнитные волны способны оказывать давление на поглощающие или отражающие их тела.
Формулы сообщали, что свет – не особая субстанция, а лишь разновидность электромагнитных волн, что повергало читателя в недоумение. И это продолжалось до тех пор, пока П. Н. Лебедев не измерил величину давления света. Величину, совпадавшую с вычисленной Максвеллом.
В «Трактате» воплотилась в уравнения и приобрела реальность мысль Фарадея о том, что действие одного тела на другое передается на расстояние через посредство окружающей среды, роль которой может играть эфир.
В то время, когда Максвелл завершал свой «Трактат», в Кембридже была учреждена кафедра экспериментальной физики. Максвелла пригласили занять эту кафедру. Ведь он, отдавая главные силы теоретическим исследованиям, прославился и своими экспериментами, связанными с кинетической теорией газов и с цветовым зрением.
Максвелл колебался, но по настоянию друзей, которых он ценил за их вклад в науку, принял приглашение.
Формальное назначение состоялось 8 марта 1871 года. В октябре того же года он прочел вступительную лекцию. Она была посвящена значению эксперимента в теоретическом познании. Максвелл обратил внимание слушателей на то, что курс экспериментальной физики читается в Кембриджском университете впервые. Он сообщил, что этот курс будет опираться на экспериментальные возможности Девонширской физической лаборатории, строительство которой только развертывалось.
Лектор знакомит студентов с соотношениями между теорией и опытом. При этом он обращает их внимание на существование двух типов опыта. Один из них – иллюстративный, проводимый в целях обучения. Опыт не претендующий на получение новых научных фактов. Опыт, имеющий целью развитие способности слушателей мысленно сопоставлять содержание теорий с явлениями, воздействующими на наши органы чувств. Воздействующими непосредственно, как свет и звук, тепло и тяготение, или через посредство приборов, как магнетизм и электричество.
Задачей опытов другого типа является исследование новых, еще не изученных явлений и процессов. Центральным в этих опытах является процесс измерения. Он дает основу воображению и интуиции, способствует установлению количественных математических связей, характеризующих изучаемое явление и процесс.
Максвелл обращает внимание слушателей на огромные возможности коллективной экспериментальной работы. Он ссылается на идею коллективных опытов, восходящую к Бэкону. Подчеркивает мысль о том, что при таком экспериментировании разрозненные ученые превращаются в регулярную научную армию. Он рассказывает о задуманной великим математиком К. Ф. Гауссом, организованной и руководимой им вместе с В. Вебером работе по долговременному изучению земного магнетизма, приведшей к целому потоку открытий. Увлекает слушателей новейшими гипотезами, проблемами молекулярного строения вещества и внутреннего строения атомов…
Максвелл вложил огромные усилия и собственные средства в создание лаборатории, название которой должно было напоминать о щедрости герцога Девонширского, лорда-канцлера университета.
Но, через некоторое время, лаборатория была переименована в «Кавендишскую лабораторию» – в честь Г. Кавендиша, замечательные исследования которого долгое время оставались неизвестными и были буквально открыты Максвеллом.
Кавендиш опубликовал лишь две из своих работ в области физики. Остальные лежали более ста лет в архивах университета. В 1874 году герцог Девонширский передал Максвеллу двадцать пакетов запыленных манускриптов. Максвелл был поражен замечательными открытиями в области физики и химии, сделанными этим экспериментатором – оригиналом, отшельником и подвижником.
Максвелл не только изучил, но и переписал, готовя к печати, манускрипты Кавендиша. Он повторил, а в некоторых случаях и уточнил все опыты Кавендиша. На это ушло пять лет.
Когда в 1879 году труды Кавендиша вышли из печати, мир узнал, что работая в домашней лаборатории, Кавендиш в 1771 году (за двенадцать лет до Кулона) установил закон взаимодействия электрических зарядов, за шестьдесят лет до Фарадея открыл влияние диэлектрика на емкость конденсатора и измерил диэлектрическую проницаемость ряда веществ. Он предвосхитил закон Ома, а в 1798 году при помощи крутильных весов измерил силу взаимного притяжения двух сферических тел, подтвердив справедливость закона всемирного тяготения.
В ходе этих экспериментов Кавендиш определил величину гравитационной постоянной, входящей в закон тяготения и величину средней плотности Земли. Он получил в 1766 году чистый водород и изучил его свойства, а также получил воду, сжигая водород, и определил состав воды. Вернувшись к этим исследованиям, он в 1771 году определил содержание кислорода в воздухе.
Кавендиш обязан Максвеллу своим вторым рождением.
Последние пять лет жизни Максвелл, не прерывая научной работы, ухаживал за тяжело больной женой, выполняя функции квалифицированной сиделки. Весной 1877 года у него, никогда не жаловавшегося на здоровье, внезапно начались боли в груди. Он никогда не говорил об этом, ежедневно бывал в лаборатории, работал над рукописями Кавендиша, ухаживал за женой.
В июне 1879 года Максвелл сдал рукопись трудов Кавендиша в типографию и впервые признал, что его здоровье пошатнулось. Жена уговорила его уехать в Гленлэр, надеясь на целебное действие родных мест. Но ему становилось хуже, боли стали ужасными, он сильно похудел. В октябре эдинбургский врач сообщил, что ему осталось жить не больше месяца. Он поспешил в Кембридж к прикованной к постели жене.
Максвелл умер 5 ноября 1879 года от рака. Кембридж и ученые всего мира были в глубоком трауре.
Максвелл не дожил до признания его электродинамики. Но он относился спокойно к недоверию одних и к равнодушию других. Он работал. Работал всю жизнь.
В Англии его идеи разрабатывали О. Хевисайд, Д. Пойтинг и Дж. ДЖ. Томсон. В Германии Л. Больцман, Г. Гельмгольц, и Г. Герц. В Голландии молодой Г. Лоренц.
О Хевисайде и Герце можно сказать, что они, в определенном смысле, продолжили «переводческую» работу Максвелла. Они облегчили физикам усвоение электродинамики, а, главное, упростили ее применение к решению новых научных задач. Они, независимо один от другого, заменили математический язык Максвелла – двадцать уравнений, которыми Максвелл выразил идеи Фарадея и свои открытия – новыми, более удобным математическим языком, языком векторов. Этим они придали идеям Фарадея и открытиям Максвелла новую наглядность, способствующую обострению интуиции и облегчающую развитие науки.
Герц и Лоренц независимо обратили внимание на ограниченность теории Максвелла и стремились расширить ее. Сохранив в качестве основы электромагнитный эфир Фарадея и Максвелла, они направили свои поиски в противоположных направлениях. Их сближает стремление к неведомому. В следующей главе будет рассказано, как, двигаясь различными, противоположными путями, Герц и Лоренц пришли в один и тот же тупик.
Глава 6. ДВА ПУТИ, ВЕДУЩИЕ В ТУПИК
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭФИР – ТЯЖКИЕ РАЗДУМЬЯВ этой книге мы неоднократно встречались с эфиром, с тем, как изменялись взгляды ученых на его свойства, на роль в явлениях природы.
При его рождении в трудах Аристотеля он представал незримой прозрачной твердью, к которой прикреплены звезды.
Затем появились другие незримые и невесомые субстанции, новые эфиры, возникшие для объяснения явлений света и тепла, электричества и магнетизма. Некоторые авторы называли их флюидами.
Светоносный эфир Гюйгенса обладал свойствами разреженного газа. Световые волны, писал он, представляют собой чередование сжатий и разрежений эфира, происходящих вдоль луча. Однако, скоро выяснилось, что эфир Гюйгенса непригоден для объяснения поляризации света.
Светоносный эфир Френеля объяснял явление поляризации света. Для этого пришлось считать свет поперечными волнами эфира, а поперечные волны распространяются только в твердых телах. Это заставило Френеля уподобить эфир твердому телу, много более упругому, чем сталь, но не мешающему движению светил. Сочетание столь противоречивых свойств тревожило ученых, но иного выхода не было.
Фарадей считал, что электрические и магнитные силы передаются через пространство посредством полей. Они проявляют себя натяжениями эфира, отображаемыми силовыми линиями. В 1846 году в мемуаре «Мысли о лучевых колебаниях» он высказал догадку об электромагнитной природе света, но ничего не говорил о природе эфира.
Наконец Максвелл в своем «Трактате об электричестве и магнетизме», отказавшись от механических моделей, убедительно доказал самостоятельное существование электромагнитных волн, распространяющихся в эфире, и показал, что свет является частным случаем электромагнитных волн.
Теперь эфир характеризовался лишь двумя свойствами: способностью передавать электромагнитные волны и тем, что он не препятствует движениям небесных тел.
Оставался неясным лишь вопрос: движутся ли материальные тела сквозь эфир (не испытывая его противодействия) или они при движении увлекают эфир за собой?
Этот, казалось бы, второстепенный вопрос оказался одной из двух причин, приведших к революционному преобразованию физики на рубеже XIX и XX веков.
Он вывел физиков на распутье, где им пришлось выбирать одну из двух дорог, каждая из которых, как выяснилось позже, ведет в общий тупик.
Прежде чем заняться возникшей дилеммой, познакомимся с тем, что думали по этому поводу ученые, вступая в последнюю четверть XIX века.
К счастью для нас Максвелл на склоне лет написал несколько статей для «Британской энциклопедии». Одна из них называлась «Эфир». Она вышла в год смерти автора. Воспроизведем краткое основное содержание этой статьи.
Прежде всего – определение: «Эфир – материальная субстанция, несравненно более тонкая, нежели видимые тела, предполагается существующей в тех частях пространства, которые кажутся пустыми».
Обратим внимание на осторожные формулировки: «предполагается существующей» – не более того; основное свойство присущее эфиру: «материальная субстанция, несравненно более тонкая, нежели видимые тела».
Далее: «Изобретали эфиры для планет, в которых они могли бы плавать, для образования электрических атмосфер и магнитных истечений, для передачи ощущений от одной части нашего тела к другой и т. д., пока все пространство не было наполнено тремя или четырьмя эфирами».
Максвелл напоминает как Ньютон, интуитивно отвергавший возможность действия на расстоянии, пытался привлечь эфир к объяснению природы тяготения. Максвелл излагает мысли Ньютона следующим образом: «… если давление этой среды меньше вблизи плотных тел, нежели на больших от них расстояниях, то эти плотные тела будут притягиваться друг к другу, и если уменьшение давления обратно пропорционально расстоянию от плотного тела, то закон будет законом тяготения».
«Но, – продолжает Максвелл, – Ньютон не опубликовал этой теории, так как не удалось на основании опытов и наблюдений дать удовлетворительного объяснения касательно этой среды и того, как она действует, производя главные явления природы».
Ньютон поставил перед потомками вопрос о свойствах эфира и о его роли в природе. Все попытки ответить на этот вопрос кончались неудачей.
Но, возвратимся к статье Максвелла. Он пишет:
«Только один эфир пережил остальные, это – эфир, придуманный Гюйгенсом для объяснения распространения света. Доказательства в пользу существования светоносного эфира получили прочную опору, когда были открыты новые явления света и других излучений. Свойства этой среды, выведенные на основании явления света, оказались совершенно такими же, какие требуются для объяснения электромагнитных явлений».
Далее Максвелл обсуждает главные свойства света:
«Что самый свет не есть вещество, доказывается явлением интерференции». (Свет, в некоторых случаях, гасит свет!)
«Отсюда мы заключаем, что свет не вещество, а процесс, происходящий в веществе…»
«Известно, что свет распространяется с определенной скоростью».
«… мы должны теперь обратить внимание на среду, в которой он (процесс) имеет место. Какова бы ни была эта среда, мы будем называть ее эфиром. Во-первых, она способна передавать энергию… Во-вторых, эта энергия передается… не мгновенно, но некоторое время существует в среде».
Максвелл подчеркивает: передаваемое эфиром излучение может действовать на наши чувства и нагревать тела, его поглощающие. Измеряя теплоту, можно вычислить энергию излучения.
Он рассуждает дальше: «Эфир отличен от обычной материи. Когда свет движется через воздух, то… среда, по которой свет распространяется, не есть сам воздух, потому что… воздух не может передавать поперечных колебаний… Твердые прозрачные тела… способны передавать поперечные колебания, но скорость передачи… в сотни тысячи раз меньше скорости света».
«Однако скорость света различна в различных прозрачных телах, и, следовательно, … эти среды принимают некоторое участие в процессе, их частицы колеблются, как и частицы эфира».
«Итак, эфир внутри плотных тел… нечто такое, что слабо связано с плотными телами, … Нам нужно исследовать, несут ли с собой эти твердые тела, когда они движутся по великому океану эфира, содержащийся в них эфир или эфир проходит сквозь них, как морская вода проходит сквозь ячейки сети, которая тянется за лодкой».
Максвелл указывает, как можно поставить опыт, способный решить этот вопрос, и считает, что при существующем в то время уровне техники невозможно зафиксировать движение Земли относительно эфира.
Переходя к обсуждению роли эфира в электромагнитных явлениях, Максвелл цитирует Фарадея:
«Что касается меня, – говорил Фарадей, – то, рассматривая отношение пустоты к магнитной силе и общий характер магнитных явлений вне магнита, я скорее склонен думать, что распространение силы есть действие вне магнита, нежели эти действия суть простые притяжения и отталкивания на расстоянии. Подобное действие может быть функцией эфира».
Максвелл заключает: «Последующие изыскания только подтвердили эту догадку».
Далее Максвелл обсуждает соотношение свойств электромагнитной среды со свойствами светоносной среды. Решающим здесь является сравнение скоростей распространения электромагнитных возмущений и света. В частности, эти скорости в воздухе различаются меньше, чем могли бы в пределах точности измерения.
Максвелл ссылается на Больцмана, который обнаружил, что для исследованных им газов диэлектрическая постоянная равна квадрату показателя преломления. А это доказывает равенство скорости распространения электромагнитных возмущений и скорости света в этих газах.
Заключая этот раздел, Максвелл отмечает, что: «Волновая теория, рассматривающая явления света как движение упруго-твердого тела, до сих пор борется с разного рода трудностями… электромагнитная теория света удовлетворяет всем требованиям одной единственной гипотезой, а именно, – электрическое смещение перпендикулярно к плоскости поляризации». Здесь Максвелл дает ссылку на докторскую диссертацию никому еще не известного начинающего физика Г. А. Лоренца, с которым мы еще не один раз будем встречаться. Эта ссылка свидетельствует не только о научной добросовестности Максвелла, но и о внимании, с которым он относился к работам других, даже неизвестных, физиков.
Как мы видим, Максвелл отнюдь не считал «историю эфира» завершенной. Он был убежден в том, что эфир существует, что он материален и что в нем происходят материальные процессы, – процессы, передающие взаимодействия между зарядами и между магнитами. Что в нем распространяются волновые процессы, переносящие энергию, что эти волновые процессы, в том числе свет, воздействуют на вещество и порождаются веществом, несущим в себе электрические заряды и токи.
Так же думали его последователи, современники и потомки. Более того, они считали теорию Максвелла – электродинамику – надежным обоснованием существования эфира. Они стремились познать строение эфира, его свойства. Стремились выяснить механизмы его взаимодействия с веществом, с электрическими зарядами и с магнитами, с нейтральным веществом, не обладающим ни электрическими зарядами, ни магнитными свойствами.
Они еще надеялись на то, что удастся объяснить строение и свойства эфира посредством механики. Надеялись потому, что в результате любых взаимодействий электромагнитного эфира с веществом, в конце концов, возникали механические силы и перемещения.
Эфир, в их глазах, продолжал оставаться полноправной составной частью природы, но еще недостаточно познанной.
