Чтение онлайн

С повестки научных обсуждений по сей день не сходит вопрос: почему существуют именно те универсальные постоянные, которые нам известны, и почему их величины именно таковы, какую дают результаты измерений? Это не перестает тревожить ученых. Их высшей целью остается создание теории, способной объяснить все. Универсальные постоянные всегда возникали как привязка теории к реальному явлению. Ведь так было и с постоянной Планка h, и со скоростью света с, и с гравитационной постоянной q, и со всеми остальными мировыми константами. То же произошло и с константами Максвелла — они вошли в теорию не по его капризу, а в силу интуитивной уверенности в объективном существовании природы.

Дедуктивное изложение теоретической части «Трактата» Максвелла, вся абстрактная структура его теории, как уже упоминалось, мешали ее усвоению. Несмотря на ее успехи, в большинстве университетов мира вплоть до начала XX века профессора излагали оптику Френеля, трактуя свет как упругие волны эфира. Профессора поступали так не из снисхождения к невежеству студентов, а потому, что сами не понимали всю глубину теории Максвелла или даже не были с нею знакомы. Наиболее разительным доказательством трудности понимания идей Максвелла для его современников являются лекции выдающегося физика Больцмана, которые он в 1891 году, излагая теорию Максвелла, начал строками из «Фауста»:

Я должен тяжким потом исходить,

Чтоб вас тому, чего не знаю, обучить.

Больцман считал, что теория Максвелла остается для большинства современных ему физиков книгой за семью печатями, но понимал необходимость ознакомления с ней будущих физиков. Далеко не каждый профессор решится сообщить студентам, что он сам еще не вполне овладел излагаемым предметом. Борн вспоминает, что знаменитый автор курса оптики Шефер еще в 1897 году говорил в лекциях только об упругих волнах эфира.

Первым, кто понял важность работы Максвелла, был молодой лейденский студент Лоренц. Он случайно наткнулся в журналах, пылившихся на полках библиотеки, на статьи Максвелла, посвященные синтетической теории электромагнетизма. Ясность и монолитность, с которыми перед ним предстала обширная и дотоле несвязная совокупность разнообразных электрических и магнитных явлений, поразили воображение Лоренца. После того как порыв восторга уступил место творческому возбуждению, Лоренц приступил к систематическому изучению теории Максвелла. Он начал применять ее к решению различных конкретных проблем и частных задач, связанных с многочисленными экспериментами, до того порождавшими различные, порой весьма частные, гипотезы, способные объяснить только данный опыт. Теория Максвелла позволила разобраться во всех сомнительных случаях, не требуя никаких дополнительных гипотез. Лишь одно оставляло чувство неудовлетворенности — необходимость введения в расчеты феноменологических постоянных. Лоренц задался целью дополнить теорию Максвелла так, чтобы новая теория содержала все необходимое для вычисления этих постоянных, исходя лишь из небольшого количества первичных универсальных постоянных. Мысленно оглядев все известные ему опыты, проведенные различными исследователями, Лоренц обнаружил один из циклов замечательных опытов Фарадея, не использованных Максвеллом при создании его теории. Более того, этот цикл опытов лежал как бы в стороне от теории, не нуждаясь в ее объяснениях и не противореча ей. Это был электролиз. Что-то подсказало Лоренцу — не проходи мимо, задержись…

Явление электролиза возникает при пропускании электрического тока через растворы. Известны жидкости, практически не пропускающие электрического тока, например многие масла. Но имеются и жидкости, очень хорошо проводящие электрический ток. Таковы растворы некоторых солей. Фарадей обнаружил, что при пропускании электрического тока через такие жидкости на электродах выделяются слои металла или пузырьки газа. Фарадей был блестящим экспериментатором, изобретательным, наблюдательным и вдумчивым. Он, как никто до него, умел придумывать опыты, способные ответить на интересовавший его вопрос, и толковать их результаты. Еще лучше он умел формулировать вопросы, подлежащие проверке. А правильно поставленный вопрос в существенной мере определяет ценность ответа.

Фарадей впервые соединил последовательно несколько сосудов с различными проводящими жидкостями. Он назвал такие жидкости электролитами, а пластины, введенные в сосуды, соответственно: анодом — тот, на котором выделяется кислород, и катодом — на котором выделяются водород или металлы. Наблюдая результат прохождения электрического тока через цепочку сосудов, Фарадей обнаружил, что отношения весов различных металлов, выделяющихся на катодах сосудов, всегда остаются одинаковыми, несмотря на изменения силы тока и времени его действия. Эти отношения не меняются при замене данной соли, содержащей применяемый металл, другой солью этого же металла. Так Фарадей установил основной закон электролиза: химическое действие тока пропорционально количеству прошедшего электричества. В отличие от предшественников, Фарадей считал, что разложение солей не есть результат действия тока. Он ввел гипотезу о том, что электролиты под действием внутренних сил самой жидкости распадаются на ионы двух типов. Электрический ток лишь переносит их к аноду и к катоду. Те, что оседают на анодах, он назвал анионы, на катоде — катионы. Другими словами, носителями тока в электролитах, по мнению Фарадея, являются заряженные частицы — анионы и катионы. О природе электрического тока в проводниках Фарадей не высказывался столь определенно.

Он писал: «Под током я разумею нечто распространяющееся, будь то электрический флюид, или два движущихся в противоположных направлениях флюида, или только колебания, или, выражаясь еще более обще, распространяющиеся силы».

Пусть Фарадей не знал, что такое электрический ток. Очень важно, что он наконец-то сказал слово об электрически заряженных частицах. Лоренц сохраняет основную идею Фарадея, воплощенную Максвеллом в «Трактате»: электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством поля. А так как Лоренц верил в эфир, то именно его считал носителем поля. По его мнению, эфир неподвижен и проникает во все тела.

Это заблуждение не помешало ему сделать великий шаг. Лоренц предположил, что любые тела, а не только электролиты, как считал Фарадей, состоят из маленьких заряженных частиц, существующих в эфире, погруженных в него. Став на эту точку зрения, Лоренц пересмотрел строение веществ, электромагнитных полей и их взаимоотношения. Он догадался, что число частиц, несущих положительные заряды, в обычных условиях равно числу отрицательно заряженных частиц. Поэтому все тела, за исключением особых случаев, электрически нейтральны. Компенсация разноименных зарядов обеспечивает нейтральность и твердых тел, и жидкостей, и газов. Как повлияет на нейтральные тела внешнее электрическое поле? — спросил он себя. Поле, вызывающее движение ионов, обнаруженное Фарадеем в растворах электролитов, может вызвать в твердых или жидких диэлектриках только небольшие местные смещения заряженных частиц. Поэтому их заряды внутри диэлектрика остаются скомпенсированными. Избыточные заряды проявляют себя только на поверхности диэлектриков.

Но только ли этим выдают свое присутствие заряды, скрытые в диэлектрике? Нет, решил Лоренц, они «нагружают» эфир подобно тому, как мелкие плавающие предметы или слой масла нагружают поверхность воды, замедляя скорость бегущих по ней волн. Заряженные частицы замедляют скорость электромагнитных волн, в том числе скорость света в прозрачных телах. И Лоренц создал теорию, которая позволяет вычислить это замедление, вычислить скорость света в прозрачных телах, а значит, и диэлектрические постоянные, входившие в теорию Максвелла как эмпирические величины, определяемые из опыта. Уже одно это обеспечивало Лоренцу почетное и заметное место в истории физики.

Теория Лоренца позволила объяснить и таинственное явление, открытое Холлом. Оно состоит в появлении напряжения, направленного поперек проводника, если вдоль него течет электрический ток и проводник подвергается действию сильного магнитного поля. В течение пяти лет ученые ломали голову над этим загадочным явлением. Лоренц показал, что это, результат действия магнитного поля на электрические заряды, образующие ток в проводнике. Магнитное поле отклоняет их в поперечном направлении, что и приводит к возникновению напряжения, обнаруженного Холлом. Мы знаем теперь, что тот же механизм приводит в действие электромоторы. Магнитное поле, действуя на заряды, образующие электрический ток, вызывает движение проводника, по которому течет ток. Если проводник закреплен неподвижно, то смещаются лишь текущие по нему заряды, возникает эффект Холла. Сила, действующая на заряды, движущиеся в магнитном поле, была названа «силой Лоренца». Она играет важнейшую роль в науке и технике.

Прежде чем представления Максвелла о самостоятельной природе электромагнитных волн слились с фактом существования заряженных частиц Лоренца, должен был родиться электрон. Честь открытия электрона принадлежит Дж. Дж. Томсону, он же определил величину его заряда и массы. Конечно, это открытие возникло не на пустом месте. Еще в 1862 году Вебер полагал, что с весомыми атомами связаны электрические атомы. Максвелл высказал мысль о том, что явление электролиза связано с молекулами электричества, но не развил эту мысль и не ввел молекулы электричества в свою теорию. В 1874 году Стоней, выступая на заседании Британского физического общества, предположил, что в природе есть три «естественные единицы»: скорость света, постоянная тяготения и заряд электрического атома. Он даже определил величину этого атома, разделив количество электричества, затрачиваемого на получение при помощи электролиза одного кубического сантиметра водорода, на число атомов водорода в этом объеме. Стоней предложил называть этот электрический атом электроном.

Через шесть лет Гельмгольц, по-видимому не зная о выступлении Стонея, говорил в своей фарадеевской лекции об электрических зарядах ионов, играющих роль атомов электричества. Это была идейная линия, приведшая к теории Лоренца. Параллельно развивались эксперименты. Начало им положил Гитторф, изучавший электрические разряды в разреженных газах. В 1869 году ему удалось снизить давление в разрядной трубке менее чем до 1 мм ртутного столба. При этом он заметил, что темное, несветящееся пространство, до того прилегавшее к катоду трубки, начало быстро увеличиваться, захватывая весь ее объем. Теперь вся внутренняя часть трубки стала темной, но стенки начали сильно флюоресцировать. При этом светящиеся места на стенках можно было перемещать, воздействуя на трубку магнитом. Конечно, это был явный намек на электрическую природу свечения. Исследования Гитторфа через десять лет продолжил Крукс. Проведя целый цикл эффектных опытов, Крукс писал: «…явления в этих разреженных трубках открывают перед физикой новый мир — мир, в котором материя существует в четвертом состоянии; мир, к которому применима корпускулярная теория света, — здесь свет не всегда движется по прямой линии; мир, в который мы никогда не будем в состоянии войти и по отношению к которому мы должны удовлетворяться наблюдениями и опытами со стороны».