Чтение онлайн

Хотя Фарадей был крупнейшим, общепризнанным ученым своего времени, а вклад его в науку исключительно велик, его научное мировоззрение, теоретические концепции, в сущности, отвергались его современниками.

Создание теории электромагнитного ноля принадлежит Максвеллу — также крупнейшему, общепризнанному и разностороннему ученому. Прежде чем говорить о научных исследованиях и успехах Максвелла, кратко остановимся на его биографии. Английский физик, член Лондонского королевского общества, организатор и первый директор Кавендшнской лаборатории Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) родился в г. Эдинбурге, в семье шотландского дворянина. Он учился в Эдинбургском и Кембриджском университетах, причем, будучи студентом, проявил не только блестящие способности и трудолюбие, но и необычайную живость характера. Вот что говорится в книге В. Карцева «Максвелл», изданной в серии «Жизнь замечательных людей»: «Кто сказал, что вставать надо утром, а спать ночью? Это еще надо проверить!

И Джеймс с двух до половины третьего ночи носится по коридорам общежития: бег — полезная штука для тех, кто не занимается физическим трудом! Сначала он бежит верхним коридором, спускается по правой лестнице на этаж, затем нижним коридором назад, по левой лестнице вверх — и так до тех пор, пока не пройдут полчаса, и пусть обитатели иных квартир, притаившись в черноте своих дверей, мечут в него башмаками, щетками и другими небольшими и не слишком ценными предметами! Джеймс твердо знал, что в Кембридже прощается эксцентричность» [305] .

По окончании Кембриджского университета Максвелл занимал должность профессора Маршал-колледжа в Абердине, после этого — в Лондонском университете, а с 1871 г. он снова в Кембридже.

Его научная деятельность очень разностороння. Выше уже сказано о выдающихся работах Максвелла в области молекулярно-кинетической теории газов. Его работы охватывают также механику, теорию упругости, оптику. Максвелл в 1895 г. доказал, что яркие, плоские, концентрические кольца планеты Сатурн являются не сплошными (твердыми или жидкими), а состоят из огромного количества разного размера твердых образований.

Но все же главным из того многого, что было сделано Максвеллом в науке, является создание электродинамики, теории электромагнитного поля. Максвелл проявил большой интерес к еще недостаточно ясным для него силовым линиям Фарадея. Не получивший систематического образования и слабо владевший математическими методами, Фарадей настойчиво утверждал, что принцип дальнодействия противоречит реальным физическим представлениям, одно тело не может воздействовать на другое через ничто. Как действуют друг на друга два магнита, находящиеся на некотором расстоянии? — спрашивал Фарадей. Если через ничто, то почему железные опилки, если ими покрыть слой бумаги и поднести эту бумагу к магниту, образуют особые правильные линии? Не свидетельствует ли это о том, что в пространстве (даже если это вакуум) есть нечто?

Максвелл все в большей мере принимал концепцию силовых линий Фарадея, но для общего признания этой концепции нужна была теория. В 1855 г. была опубликована в «Трудах Кембриджского философского общества» первая статья Максвелла по электричеству под названием «О фарадеевских линиях силы». Максвелл послал эту статью Фарадею и получил следующий ответ:

«Профессор М. Фарадей — профессору Д. К. Максвеллу.

Альбермарл-стрит, 25 марта 1857

Дорогой сэр, я получил Вашу статью и очень благодарен Вам за нее. Не хочу сказать, что благодарю Вас за то, что Вами сказано относительно „силовых линий“, поскольку я знаю, что Вы сделали это в интересах философской правды; но Вы должны также предполагать, что эта работа не только приятна мне, но и дает мне стимул к дальнейшим размышлениям. Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет ее выдержал…

Всегда истинно Ваш М. Фарадей» [305] .

Ответ Максвелла не вызывает сомнений в его отношении к концепции Фарадея:

«Профессор Джеймс Клерк Максвелл — профессору Майклу Фарадею.

129 Юнион-стрит

Абердин, 9 ноября 1857 г.

Дорогой сэр… Этой весной Вы были настолько добры, что выслали мне копию последней статьи и спрашивали, что я о ней думаю…

Сейчас, насколько мне известно, Вы являетесь первым человеком, у которого возникла идея о том, что тела действуют друг на друга на расстоянии посредством обращения окружающей среды в состояние напряжения, идея, в которую действительно следует поверить. У нас были когда-то потоки крючочков, летающих вокруг магнитов, и даже картинки, на которых изображены окруженные ими магниты; но нет ничего более ясного, чем Ваше описание всех источников силы, поддерживающих состояние энергии во всем, что их окружает, состояние, усилением или ослаблением которого можно измерить проделанную в системе работу. Мне кажется, что Вы ясно видите, как силовые линии огибают препятствия, гонят всплески напряжения в проводниках, сворачивают вдоль определенных направлений в кристаллах и несут с собой везде все то же самое количество способности к притяжению, распределенной более разреженно или густо в зависимости от того, расширяются эти линии или сжимаются…

…Но когда мы встречаемся лицом к лицу с вопросом о гравитации: требует ли она времени? Полярна ли она чему-нибудь „за вселенной“ или чему-нибудь еще? Имеет ли она какое-нибудь отношение к электричеству? Или она покоится на самых глубинных фундаментах материи, массы или инерции? — тогда мы ощущаем необходимость экспериментов — будут ли объектами их кометы или туманности, или лабораторные образцы, или даже дерзкие вызовы по отношению к истинности общепринятых мнений.

Я только попытался сейчас показать Вам, почему я не считаю гравитацию опасным объектом в смысле применения Ваших методов. Вполне возможно и на нее пролить свет, воплощая те же идеи, которые математически вира; каются функциями Лапласа и сэра В. Р. Гамильтона в планетарной теории…

Искренне Ваш Джеймс Клерк Максвелл» [306] .

Не правда ли, уважаемые читатели, какое удивительно интересное письмо? Сколько в нем идей. Глубоко смотрел Максвелл! Уже в 1857 г. он не отождествлял материю с массой.

Может быть, это будет несколько бесцеремонпо по отношению к читателям, но мы хотим привести еще одно письмо Фарадея, являющееся ответом на приведенное письмо Максвелла:

«Профессор Фарадей — проф. Максвеллу.

Альбермарл-стрит

Лондон, 13 ноября 1857

… Ваше письмо для меня — это первый обмен мнениями о проблеме с человеком Вашего образа мышления. Оно очень полезно для меня, и я буду снова и снова перечитывать его и размышлять над ним…

Есть одна вещь, о которой я хотел бы Вас спросить. Когда математик, занятый исследованием физических действий и их результатов, приходит к своим заключениям, не могут ли они быть выражены общепонятным языком так же полно, ясно и определенно, как и посредством математических формул?

Я думаю, что это так и должно быть, потому что я всегда обнаруживал, что Вы могли донести до меня абсолютно ясную идею Ваших выводов, которые даже без понимания шагов Вашего математического процесса дают мне результаты не выше и не ниже правды, причем настолько ясные в своей основе, что я могу над ними думать и с ними работать» [307] .

Основной работой Максвелла, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, был двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 г. В нем Максвелл использовал введенное им же ранее (в 1861–1862 гг.) понятие тока смещения— величины, пропорциональной скорости изменения переменного магнитного поля в вакууме или диэлектрике. Понятие тока смещения понадобилось Максвеллу потому, что по его теории, впоследствии подтвержденной опытом, магнитное поле создается не только движением электрических зарядов (т, е. током проводимости или просто током), но и любым изменением во времени электрического поля. «Трактат об электричестве и магнетизме» представлял собой глубоко обоснованный капитальный труд, в котором, кроме самой главной его части — уравнений, отображающих законы электромагнитного ноля, были даны соответствующие методы измерения и описания измерительной аппаратуры, полный обзор существовавших к тому времени теорий электричества и магнетизма, подробные математические обоснования полученных уравнений электромагнитного поля — уравнений Максвелла, как их вскоре стали называть.

Здесь мы должны сделать маленькое замечание. Максвелл писал Фарадею, что, ему кажется, Фарадей ясно видит силовые линии. Возможно, читатель этой книги видит, какие трудности испытывает ее автор, стараясь по возможности просто объяснить сложные физические явления. Но иногда наступает предел, и тогда приходится вместо объяснения существа дела говорить о значении открытия, об оценке его крупными учеными.

Так обстоит дело с уравнениями Максвелла. Привести их здесь означало бы заняться очень сложными объяснениями, не отвечающими духу и цели этой книги. Ограничимся тем, что заметим следующее. Из первого уравнения Максвелла (а их всего четыре) следует, что электрическое поле образуется зарядами, а его силовые линии имеют начало и колец в зарядах. Второе уравнение показывает, что силовые линии магнитного поля всегда замкнуты на себя, а поле не имеет магнитных зарядов. Третье уравнение свидетельствует о том, что электрический ток и переменное электрическое поле («ток смещения») создают магнитное поле. И, наконец, четвертое уравнение представляет собой уравнение электромагнитной индукции, открытой Фарадеем; из него следует, что изменение магнитного поля приводит к возникновению электрического поля.