Книга Максвелловская научная революция - Ринат Нугаев

Среди возможных причин, побудивших Максвелла ввести ток смещения, в учебно-методической литературе до сих пор (вслед за Хевисайдом) обсуждается симметрия уравнений (М-1) по векторам E и H. Если j = 0, то эти уравнения переходят друг в друга при замене E→-H, H→ E. Этот вопрос подробно рассматривался в статье Борка (1968), справедливо отметившего, что ни текст максвелловских работ [I] – [IV], ни другие его публикации не дают никаких оснований утверждать, что ток смещения введен для придания уравнениям указанной симметрии. Представляется невероятным, что Максвелл, введя ток смещения по соображениям симметрии, ни разу не обратил внимание читателя на эту симметрию.

В итоге, наиболее важный результат предложенной Максвеллом системы уравнений состоял в «упрочении возможности того, что электромагнитные волны могут распространяться со скоростью, которая может быть подсчитана при помощи результатов чисто электрических измерений» (Sengupta & Sarkar, 2003,p. 16). Важно подчеркнуть, что ни в одной из своих работ Максвелл ничего не написал ни о возможности генерации света, ни о том, что могут существовать другие, несветовые электромагнитные волны подобные радиоволнам или рентгеновскому излучению.

В итоге ни о каком окончательном объединении электричества, магнетизма и оптики в 1861 г. не приходилось и говорить. Можно было уверенно заявлять лишь о начале согласования – взаимопроникновения френелевской оптики, фарадеевской концепции поля и ампер-веберовской электродинамики друг в друга, ставшем возможным за счет конструирования системы теоретических объектов из базисных объектов всех трех упомянутых программ. Представляется, что именно это и имел в виду Генрих Герц, когда в докладе на 62 съезде германской ассоциации содействия развитию естественных наук и медицины в Гейдельберге в 1889 г. отмечал, что именно Максвелл был тем «человеком, который смог соединить эти столь удаленные друг от друга предположения таким образом, что они стали взаимно поддерживать друг друга» (Hertz, 1889, p. 318).

Еще Уиттекер (1910) отмечал, что самым заметным недостатком представленной Максвеллом версии электромагнитной теории света было отсутствие объяснения явлений отражения и преломления света.

И сам Максвелл не очень доверял своим уравнениям в случаях высокочастотных колебаний в материальных телах. В диэлектриках, например, эти уравнения не объясняли явления оптической дисперсии и давали соотношение между показателем преломления света и индуктивностью, которое выполнялось только в первом приближении. В проводниках уравнения Максвелла предсказывали гораздо большее поглощение света, чем наблюдалось на самом деле (золотые листья). В этих случаях Максвелл заключал, что «наши теории структуры тел должны быть улучшены прежде чем мы можем вывести их оптические свойства из их электрических свойств».

Ток смещения сыграл лишь роль спускового крючка, запустившего механизм объединения оптики и теории электромагнетизма, «существенного параметра объединения», по терминологии М. Моррисон, или «гибридного объекта» по нашей терминологии. Несмотря на то, что в последующих стадиях развертывания теории эфир был отброшен, ток смещения остался как звено, объединявшее оптику и теорию электромагнетизма. Правда, статус его после инкорпорирования в лагранжеву систему значительно изменился.

Проникновение электромагнетизма в оптику выразилось в нахождении связи констант, полученных Вебером и Кольраушем, со скоростью света. Обратное проникновение оптики в электромагнетизм выразилось как в предсказании радиоволн, так и в связанных с ними эффектах интерференции и диффракции. Как отмечал в статье «Эфир» Максвелл, «мы поэтому и заключаем, что свет – это не вещество, а процесс, имеющий место в веществе» (Maxwell [1877], 1890, p. 765).

Вот как сам Максвелл описывает суть своего открытия в письма Майклу Фарадею от 19 октября 1861 г.

«Концепция, на которую я наткнулся, привела меня, будучи разработанной математически, к некоторым очень интересным результатам, способным проверить на опыте мою теорию, и показывающим численные соотношения между оптическими, электрическими и электромагнитными явлениями, которые я вскоре надеюсь более основательно подтвердить…

Моя теория эластичных сил состоит в том, что они вызываются в изоляторах небольшими электрическими смещениями; последние деформируют определенные малые порции вещества так, что сопротивление этому процессу со стороны эластичности вещества и создает электродвижущую силу…

Я предполагаю, что эластичность этой сферы воздействует на окружающую ее электрическую материю, и толкает ее вниз. Из результатов исследований Кольрауша и Вебера, относящихся к численному отношению между статическими и магнитными эффектами, я определил эластичность вещества в воздухе, и, предположив, что в светоносном эфире она та же самая, я определил скорость распространения поперечных колебаний.

Результат – 193,088 миль в секунду (как это следует из электрических и магнитных экспериментов). Определенная Физо из прямого эксперимента скорость света = 193,118 миль в секунду.

Это – не просто численное совпадение. Я разработал эти формулы в деревне прежде, чем увидел веберовские числовые результаты, которые даны в миллиметрах, и я полагаю, что мы имеем весомую причину, вне зависимости от того, является ли моя теория фактом или нет, верить в то, что светоносный и электромагнитный эфиры – это одно и то же» (цит. по: Campbell & Garnett, 1882, pp. 748-749).

Дальнейший прогресс должен был состоять – и не мог не состоять – в доказательстве большей всеобщности полученных результатов и в попытке уйти от сконструированных искусственных моделей. Именно это Максвелл и попытался сделать в течение трех лет, прошедших после публикации [II].

В письме своему старому кембриджскому товарищу (Henry R.Droop, декабрь 1861), написанному как раз перед публикацией знаменитой третьей части статьи о молекулярных вихрях, Максвелл отмечал, что «я сейчас пытаюсь найти точную математическую форму для всего того, что известно об электромагнетизме, без помощи гипотезы» (цит. по Siegel, 2000, p. 145).

И в 1864 Максвелл уже представляет усовершенствованный вариант статьи [II], который на этот раз уже не зависел от модели молекулярных вихрей. Хотя на словах он не отказывался от самой модели, он старался избегать, насколько это было возможно, каких-либо детализаций устройства и взаимосвязи молекулярных вихрей – начиная с [III] и заканчивая «Трактатом об электричестве и магнетизме». Правда, что касается теоретического воспроизведения «эффекта Фарадея», он в молекулярном механизме все-таки нуждался, хотя и вынужден был делать следующую оговорку: «теория, предложенная на предыдущих страницах, с очевидностью носит временный характер, основываясь на неподтвержденных гипотезах как о природе молекулярных вихрей, так и о способах, при помощи которых они связаны со смещением среды» (цит. по: Siegel, 2000, p. 157).

Или, как сообщал Питеру Тэту сам Максвелл в письме от 23 декабря 1867, «теория вихрей… сконструирована так, чтобы показать, что явления таковы, как может быть объяснено при помощи механизма. Природа этого механизма относится к истинному механизму так же, как планетарий относится к самой солнечной системе» (цит. по: Siegel, 2000, p. 200).