Статьи и речи
Шрифт:
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
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!».
Сын поэтической Шотландии, Максвелл в душе всегда был поэтом. Это сказалось
Гению удаётся понять и чётко сформулировать то, что ранее, подчас в течение долгих веков, лишь смутно угадывалось. О существовании светового давления говорил ещё Кеплер. Ломоносов, поддерживавший волновую теорию света Гюйгенса, полагал, что между светом и электричеством имеется некая связь. Эйлер считал свет волнами в эфире. К началу XIX в. теория оптических явлений была уже основательно разработана. Но это была механическая теория, и тот общепризнанный факт, что световые волны являются волнами поперечными, поставил её перед большими трудностями. Теория Максвелла, сведя теорию света к электромагнитным волнам, вывела её тем самым из тупика. Это был замечательный синтез физики второй половины XIX столетия.
Мы помним: в своих исследованиях (в том числе и в исследованиях по электричеству) Максвелл отталкивался от механики. Он, например, писал: «Энергия электромагнитных явлений есть механическая энергия» (сегодня мы говорим «эквивалентна»), «То обстоятельство,— замечает Макс Планк,— что первоначально Максвелл вывел свои уравнения с помощью механических представлений, не изменяет существа дела». Больцман писал: «...этот цикл исследований, в котором Максвелл впервые пришёл к своим уравнениям, принадлежит к наиболее интересному, что только знает история физики, и именно как раз по причине своей оригинальности, по причине отличия его метода от всех применявшихся ранее и позднее, а также вследствие той скромной простоты, с которой Максвелл показывает, с каким трудом он постепенно продвигался вперёд и достиг наиболее абстрактной и наиболее своеобразной теории, которую только знает физика, пользуясь совершенно специальными и конкретными представлениями, связанными с тривиальными задачами обычной механики».
В «Эволюции физики» А. Эйнштейна и Л. Инфельда значение уравнений Максвелла определено так: «Их простая форма скрывает глубину, обнаруживаемую только при тщательном изучении. Формулировка этих уравнений является самым важным событием со времени Ньютона не только вследствие ценности их содержания, но и потому, что они дают образец нового типа законов».
Опираясь на механику, Максвелл пришёл к тому, что глубже, чем законы механики, вскрывало взаимосвязь явлении природы,— к законам электромагнетизма, а это был уже новый метод познания. Проницательный Больцман не ошибся, утверждая, что Максвелл «был столь же крупным творцом в теории познания, как и в области теоретической физики». Дж. Бернал в книге «Наука и общество» отмечает, кроме того, что «уравнения Максвелла составили теоретическую базу будущего электромашиностроения, представлявшего собой сложную взаимозависимость теории и практики». Максвелл понимал значение разрабатываемой им области: «...мне представляется,— писал он,— что изучение электромагнетизма во всех его проявлениях как средства движения науки вперёд сейчас приобрело первостепенную важность». Эти слова актуальны по сей день.
25 августа 1867 г. умер Фарадей. Начиная несколькими годами позже, в «Nature» с Фарадея серию «Портреты выдающихся учёных», Максвелл писал: «Мы... рассматриваем Фарадея как наиболее полезный и одновременно наиболее благородный тип учёного. Тот факт, что Фарадей существовал, делает более великой и сильной всю нацию, и нация была бы ещё более великой и сильной, вели бы среди нас было бы больше Фарадеев». Лучшим памятником Фарадею мог быть только «Трактат». И Максвелл работает над ним с ещё большим рвением.
«Трактат» — это вершина его научного творчества и вместе с тем это настоящая энциклопедия электромагнетизма, где обобщены результаты труда нескольких поколений учёных. Электромагнитной теории Максвелл отдал половину жизни, а «Трактату» — около восьми лет. Он вышел в 1873 г. Максвелл кончал его уже в Кембридже, куда переехал в 1871 г. Старинный друг Максвелла профессор Форбс убеждал его стать директором колледжа университета в Сент-Эндрью, но Максвелл не хотел об этом и слушать. В это время в Кембридже была учреждена кафедра экспериментальной физики. В. Томсон, имевший кафедру в Глазго, отказался её возглавить. Тогда предложили Максвеллу. По настоянию друзей-учёных он, не без колебаний, все-таки согласился. Вместе с кафедрой он принял и лабораторию, только начатую строительством. Формальное назначение состоялось 8 марта 1871 г., в октябре Максвелл прочёл вступительную лекцию. Тогда ходила студенческая шутка, что Кембридж-де «утратил связь с большими научными движениями, проходившими... вне его стен». В своей лекции Максвелл говорил: «Кембриджский университет... он с большей или меньшей быстротой приспособляется к требованиям времени, недавно ввёл курс экспериментальной физики. Курс этот, требуя поддержания способностей к вниманию и анализу, ...требует также упражнения наших чувств в наблюдении и наших рук в общении с приборами. Привычные принадлежности — перо, чернила и бумага — не будут уже достаточны, и нам потребуется большее пространство, чем пространство кафедры, и большая площадь, чем поверхность доски».