История развития теории поля

Содержание

Введение

1. Возникновение идеи близкодействия в физике Декарта

2. Возникновение идеи дальнодействия в физике Ньютона

3. Представления о природе электричества и магнетизма в "эпоху невесомых"; период господства концепции дальнодействия

4. Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля

4.1. Изучение электромагнетизма. Эрстед. Ампер

5. Идея близкодействия в работах Фарадея

6. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом

7. Утверждение теории Максвелла

Заключение

Введение

Вопрос о том, как передается действие от одного тела к другому, приобрел особую остроту в связи с установлением закона всемирного тяготения. Учение об электричестве и магнетизме на рубеже XVI - XVII вв. только зарождалось, а в области тяготения в результате работ Ньютона был уже сформулирован в математической форме закон тяготения. Но этот закон не давал ответа на другой вопрос, каким образом удаленные друг от друга тела действуют друг на друга. В этот период и возникают две точки зрения на проблему передачи действия на расстояние.

1. Возникновение идеи близкодействия в физике Декарта

Родоначальником одной из них является французский мыслитель Рене Декарт. Декарт и его последователи (картезианцы) пытались объяснить тяготение, не прибегая к понятию силы и представляя его как чисто кинематический эффект, обусловленный движением любого вещества, заполняющего все пространство, невесомого флюида -- эфира. Некоторое представление о таком объяснении может дать хотя бы следующая мысль в духе Декарта. В жидкости, которая вращается в сосуде, легкие тела устремляются (как бы тяготеют) к оси вращения, и, подобно этому, в вихре среды, заполняющей мировое пространство, вызванном вращением Солнца, планеты испытывают тяготение к Солнцу. И свет, по Декарту, рассматривался как давление, передающееся частицами среды от источника к глазу. Электрические и магнитные явления объяснялись вихрями тонкой материи, которая выходит, например, из одного полюса магнита и входит в другой, действуя при этом на железные тела, находящиеся вблизи магнита.

Все объяснения такого рода совершенно искусственны и не вытекают из опытных фактов. Но объяснения Декарта получили широкое распространение, потому что были просты и наглядны. Для нас важны не сами эти объяснения, а лежащая в их основе идея: тяготение, электрическое и магнитное действия передаются от тела к телу через среду.

Принцип, согласно которому действие передается через среду в течение некоторого времени, получил название принципа близкодействия. Этот принцип берет свое начало от Декарта, хотя попытки объяснить передачу действия за счет существования особой среды -- эфира можно найти и у древних мыслителей, справедливо полагающих, что "тело не может действовать там, где его нет". В том же духе объяснял электрические явления и английский ученый Вильям Гильберт.

Однако при всей внешней простоте кинематические представления о тяготении были абсолютно бесплодны -- из них не вытекало ничего нового. Поэтому картезианские идеи не смогли долгое время выдерживать конкуренцию с теорией тяготения, выдвинутой Ньютоном.

2. Возникновение идеи дальнодействия в физике Ньютона

Из закона тяготения Ньютона вытекало множество следствий и объяснений различных Земных и небесных явлений. Так, например, закон объяснял, почему движение планет подчиняется законам Кеплера. Ньютоновское объяснение тяготения сводилось к утверждению о том, что на каждое тело со стороны других действует сила, вычисляемая по установленному им закону. Почему эта сила действует, как передается тяготение на огромные расстояния, т. е. каков механизм тяготения, Ньютон объяснить не смог, так как не было необходимых фактов, на базе которых можно было бы построить обоснованную гипотезу, а надуманных гипотез он не признавал. Последователи Ньютона (ньютонианцы), восхищенные успехами построенной им теории, довели до абсурда его тезис "Гипотез я не измышляю" -- стали вообще отрицать необходимость отыскания причин явлений, считая, что для объяснения всех явлений надо просто вводить соответствующие силы, не задумываясь об их происхождении.

Эта тенденция утвердилась в физике на долгие годы. Ньютон был бесспорно прав, отрицая умозрительные и надуманные гипотезы картезианства и не ставя преждевременного в ту эпоху вопроса "почему?".

Таким образом, от работ Ньютона берет начало второй принцип, связанный с проблемой взаимодействия, -- принцип дальнодействия, согласно которому действие передается от тела к телу без участия какой-либо промежуточной среды, и притом мгновенно.

Таким образом, к XVIII в. оформляются две точки зрения на проблему взаимодействия. Одна основана на принципе дальнодействия, другая -- на принципе близкодействия. Влияние взглядов Ньютона на последующее развитие физики было столь велико, что и учение об электричестве и магнетизме строилось в духе ньютоновской концепции дальнодействия, требующей установления математических законов взаимодействия электрических и магнитных сил без выяснения их природы. Так было вплоть до эпохи Фарадея - Максвелла.

Но помимо вопроса о том, как взаимодействуют магнитные и наэлектризованные тела, требовали решения другие вопросы: что такое электричество и магнетизм? Чем магнитные и наэлектризованные тела отличаются от "обычных" тел и друг от друга? И теория электромагнитного поля не могла быть создана до установления взаимосвязи электричества и магнетизма. Обратимся теперь к рассмотрению развития взглядов на природу электричества и магнетизма.

3. Представления о природе электричества и магнетизма в "эпоху невесомых"; период господства концепции дальнодействия

Первоначально электрические и магнитные явления отождествлялись, так как было известно, что наэлектризованные тела, как и магнитные, лишь притягивают другие тела. Первая серьезная работа в области электричества и магнетизма принадлежит В. Гильберту (1600 г.), который, изучая магнитные явления, резко отграничивает их от электрических (магнитные свойства "вечны", электрические же можно возбудить и уничтожить, в отличие от электрических, взаимодействий магнитные проявляются и как притяжения, и как отталкивания; электрические слабее магнитных). Исследование электрических явлений пошло значительно быстрее после создания первого генератора электричества -- электрической машины Отто фон Герике, бургомистра немецкого города Магдебурга, человека изобретательного ума, дипломата, общественного деятеля, инженера и тонкого экспериментатора, который на шестом десятке лет после своих знаменитых опытов с "магдебургскими полушариями" занялся электричеством. Вращающийся шар из серы при трении о ладонь руки позволил Герике получать большие электрические заряды. Он обнаружил притяжение и отталкивание зарядов, электрическую искру, а также проводимость льняных ниток.

Спустя семь десятков лет голландским ученым Мушенбруком был получен новый источник больших электрических зарядов -- первый конденсатор -- лейденская банка. Желая зарядить воду в стеклянной банке, Мушенбрук опустил цепочку от генератора в сосуд с водой, а потом вынул ее. О том, что он при этом испытал, говорят слова из его сообщения: "Я думал, что пришел конец" и "не согласился бы подвергнуться еще раз такому испытанию даже за королевский трон Франции". Опыты с лейденской банкой, вызывающие физиологическое действие электричества и сопровождающееся искровым разрядом, стали повторять очень многие и не только в лабораториях, но и при дворе, в аристократических гостиных. Семьсот взявшихся за руки парижских монахов, а в другой раз -- 180 солдат при дворе Людовика XV, содрогающихся от электрического разряда конденсатора, -- таковы были первые цепи электрического тока, первые колебательные (в прямом смысле!) контуры.

Электричество стало модным, что способствовало возбуждению интереса к этой области явлений. Развитию исследований способствовала надежда на практическое использование электричества для лечебных целей, а также стремление на основе изучения электричества решать проблему грозозащиты, поскольку утверждалась мысль об электрическом характере молнии.

Бенджамин Франклин (1706 - 1790), сын ремесленника, выдающийся американский дипломат, борец за независимость Америки и равноправие негров, популярный писатель, обаятельный человек, занимался физикой всего семь лет, но сделал очень многое -- с него начинается теоретическое осмысление электричества. Впервые в его работах появляются современные термины: "положительный" и "отрицательный" заряд, "разряд", "конденсатор" и т. д. По Франклину, электричество -- это особая невесомая субстанция (флюид), состоящая из мельчайших отталкивающихся частиц и содержащаяся во всех телах. Избыток ее означает положительную электризацию, недостаток -- отрицательную. Это представление оказалось очень плодотворным, так как многое объясняло: одновременную электризацию трущихся тел -- переходом флюида от одного тела другому; проводимость -- движением субстанции в проводниках; конденсацию в лейденской банке -- накоплением флюида и т. д.

Вместе с этим возникают теории, в которых фигурируют два рода флюидов -- положительный и отрицательный. Франц Эпинус, долгое время работавший в России, считал электричество и магнетизм разнородными явлениями (ведь магнит не притягивает электризованное тело) и ввел в физику понятие об особом магнитном флюиде. Соответствующие уровню науки того времени теории, основанные на представлениях об электричестве и магнетизме как особых жидкостях, господствовали много десятков лет, и в рамках их сформировались многие современные понятия: "количество электричества", "сохранение заряда", "электроемкость" и т. д.

Лишь М. В. Ломоносов настаивал на единстве электричества, магнетизма и света, считая, что все эти явления есть процессы, происходящие в эфире. Если Эпинус развивал ньютоновское представление о дальнодействии, то Ломоносов стоял на принципах, примыкающих к близкодействию, предвосхищая в своих догадках на 100 лет идеи Максвелла. Высказывания Ломоносова не получили широкой известности, и даже на родине они не были поняты и оценены.

Итак, в XVIII в. господствовало убеждение, что электричество и магнетизм -- это особые материальные субстанции; взаимосвязь электричества и магнетизма отрицалась; проблема передачи действия решалась в духе дальнодействия.

Позиции дальнодействия укрепляются еще больше после открытия закона взаимодействия зарядов. Изучая проблемы кручения нитей, французский ученый Шарль Кулон (1736 - 1806) обнаруживает, что угол закручивания нити пропорционален моменту приложенных сил, и это наталкивает его на создание точнейших крутильных весов (с чувствительностью 10^-7 г/град) для измерения сил по углу закручивания. С помощью этих весов он устанавливает закон взаимодействия зарядов и магнитных полюсов, характеризуемых так называемыми "магнитными массами" m. Открытые им законы поражали тем, что повторяли "по форме" закон тяготения Ньютона:

q₁ q₂ m₁ m₂.

F_ЭЛ. = k и F_М = k`.

r² r².

Как было не увериться еще раз в справедливости дальнодействия Ньютона?

Начался XIX в., а понятия поля в физике еще не существовало и не только из-за господства дальнодействия, но и из-за незнания связи электричества и магнетизма. О связи между этими явлениями не знали потому, что изучали фактически области электро- и магнитостатики, а ведь электромагнетизм является динамическим эффектом, связанным с движением зарядов, т. е. с током. Но электрического тока как объекта изучения в физике еще не было, так как не существовало источника постоянного длительного тока -- конденсатор давал лишь кратковременный разряд. Начало изучения постоянного электрического тока связано с именами двух итальянских ученых -- Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.

4. Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля

Луиджи Гальвани (1737 - 1798) -- анатом по профессии. Случилось так, что при препарировании лягушек в его лаборатории кто-то привел в действие электрическую машину. В момент проскакивания электрической искры мышцы препарированной лягушки, к которой в это время прикасались скальпелем, стали сокращаться. Как было не заинтересоваться этим -- может быть, электричество оживляет организм? Гальвани вывешивал препарированные лапки лягушки на открытом воздухе, чтобы проверить, будет ли возникать эффект под действием атмосферного электричества во время грозы. Мышцы во время грозового разряда сокращались. Но к удивлению ученого, они сокращались и при ясной погоде. Причина была в том, что лапки подвешивались на медных крючках к железной ограде, и при контакте разнородных металлов возникала разность потенциалов, вызывающая раздражение нервов и потому сокращение мышц.

Гальвани же сделал вывод о существовании "животного электричества", считая, что мышца и нерв есть своеобразная лейденская банка, источник электричества, замыкаемый проводником. Открытие Гальвани вызвало бурю страстей, сравнимую, по свидетельству современников, лишь с бурей, вызванной французской революцией. И не мудрено: если "оживают" ткани лягушек, так, может быть, можно воскрешать электричеством мертвых?

От искушения повторить опыты Гальвани не устоял и 46-летний профессор А. Вольта (1745 - 1827), известный к этому времени ученый, изобретатель электрофора, талантливейший лектор, в аудиторию которого собирались не только со всей Италии, но и из других европейских стран. Он обратил внимание на то, что содрогание лапок лягушки наблюдается лишь тогда, когда нерв и мышцы соединяются разнородными материалами.

Первые опыты Вольта очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую -- под него; при соединении их проволокой ощущался такой же вкус, как и при "пробовании на язык" проводов от известных в то время источников электричества. В результате ряда опытов Вольта убедился в том, что ткани организма -- не источник, а индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов. Открыв контактное электричество, Вольта создает к 1800 г. первый источник постоянного тока -- "вольтов столб", состоящий из стопы чередующихся цинковых и серебряных кружков, разделенных картонками, смоченными соленой водой. По его предложению, получаемое таким образом электричество называют гальваническим (в дань уважения к тому, чьи опыты натолкнули Вольта на открытия).

Эти открытия приносят Вольта необычайную славу. Наполеон приглашает его в Париж, где его осыпают почестями и наградами, избирают членом сената. Но к чести Вольта, почести не вскружили ему голову. Он чуждался всей той шумихи, которая создавалась вокруг него, предпочитая свою лабораторию дворцам и гостиным, и до конца своих дней сохранил честность, бескорыстие и прямоту.

Создание длительно действующего источника электричества позволило начать изучение действий постоянного электрического тока. Прежде всего, устанавливается химическое действие (сначала разложение воды на кислород и водород, а затем выделение из щелочи новых элементов Na и K -- Дэви, 1808 г.). Обнаруживается и тепловое действие (нагревание проводников током, электрическая дуга, полученная в 1803 г. петербургским профессором В. В. Петровым, который построил самую большую в то время батарею из 2100 элементов). А с 1820 г. начинается целая цепь открытий, знаменующих появление новой области -- электромагнетизма и вплотную подводящих физику к понятию поля.

4.1. Изучение электромагнетизма. Эрстед. Ампер

В 1808 г. к причалу одного из французских портов едва добрался своим ходом полуразрушенный молнией военный корабль. На борт его поднялась комиссия, в состав которой входил Франсуа Араго, блестящий ученый, ставший в 23 года академиком, человек необычайного темперамента. Араго обратил внимание, что стрелки всех компасов были перемагничены в результате удара молнии. Подобных фактов к этому времени у Араго накопилось изрядное количество. Казалось бы, вывод о связи электричества и магнетизма напрашивается сам собой, но Араго не сумел его сделать: ведь электрическая природа молнии была не так давно доказана Франклином, и это еще требовало осмысления.

Честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому ученому Гансу Христиану Эрстеду (1777 - 1851). Диалектическая идея о взаимосвязи явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставляла его целенаправленно искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего открытия он пишет: "Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит". Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.

15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника током. Вблизи установки находилась магнитная стрелка, и кто-то из наблюдательных студентов обратил внимание, что при прохождение тока стрелка поворачивалась (правда, это не единственная версия по поводу данного открытия). Эрстед тщательно изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение (21 июля 1820г.).

Открытие Эрстеда вызвало сенсацию. В августе 1820 г., через несколько дней после публикации Эрстеда, опыт производится на Женевском съезде естествоиспытателей, в котором участвует Араго. А 11 сентября на заседании Французской академии Араго уже ставит опыт Эрстеда. В числе других его с волнением наблюдает и Ампер (1775 - 1836), которому суждено было глубже других понять суть нового открытия и заложить основы электромагнетизма -- учения, вершиной которого стала теория создания электромагнитного поля.

Теперь счет истории создания нового направления исследований идет уже по дням. 11 сентября Ампер наблюдает опыт Эрстеда в исполнении Араго, а на следующем заседании академии -- 18 сентября сам выступает с докладом, в котором выдвигает мысль о том, что, поскольку ток вызывает ориентацию магнитной стрелки, то и ориентация стрелки компаса под действием земного магнетизма вызвана токами, текущими в Земле с востока на запад. Но тогда логично предположить, что и магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых токов, циркулирующих в магните в плоскостях, перпендикулярных его оси. А тогда взаимодействие магнитов есть, по сути дела, взаимодействие циркулирующих в них "молекулярных токов", т. е. ток должен действовать на ток. Если выдвинутые гипотезы верны, то нет нужды в "магнитных жидкостях", "магнитных истечениях", с помощью которых по традиции и объяснялись магнитные взаимодействия.

Ампер смело выступает против освященных десятилетиями традиционных взглядов. Эта смелость идет не только от оригинальности и широты мышления гения, но и в значительной мере от мировоззрения Ампера. Он -- сторонник ньютоновского метода принципов, согласно которому незачем выдумывать излишних гипотез. Руководствуясь идеей общности в явлениях природы и принципом "природа не излишествует в причинах", он был против введения множества невесомых: "Разве надо для каждой новой группы явлений придумывать специальный флюид!". Ампер видит задачу физики в том, чтобы "свести к минимуму число принципов, объясняющих физические явления". Его исходная идея о том, что все многообразие явлений взаимодействия магнитов, магнитов и токов можно свести к взаимодействию токов, означала устранение излишних гипотез и сведение многообразия к единой основе. Но эта исходная идея нуждалась в экспериментальном исследовании, и вся неделя с 18 по 25 сентября была посвящена этому.

25 сентября Ампер продемонстрировал свои знаменитые опыты. Спираль с током действует на магнитную стрелку так же, как и полосовой магнит. Спираль ориентируется в магнитном поле Земли подобно стрелке компаса, а две спирали взаимодействуют подобно полосовым магнитам. Позднее он осуществил и взаимодействие прямых проводников с током. Ему возражали: "Это взаимодействие электрическое", но он показывал, что одинаково заряженные проводники должны отталкиваться, а у него одинаковые по направлению токи притягиваются, т. е. он впервые разграничил электростатические и электродинамические явления (термины введены Ампером). Затем Ампер впервые вывел формулу для расчета силы взаимодействия двух элементов тока, на основе которой, путем суммирования взаимодействия всех элементов, можно получить формулы для определения сил взаимодействия конечных проводников с током любой конфигурации -- знаменитый закон Ампера.

Амперу принадлежит идея гальванометра (термин его), основанного на действии тока на стрелку; Ампер вводит понятия и термины "напряжение", "сила тока", "направление тока". Таким образом, Ампер является основателем электродинамики. Не случайно Максвелл назвал его "Ньютоном электричества".

Итак, был сделан еще один шаг на пути к понятию поля -- установлена связь электричества и магнетизма. Но электродинамика Ампера, равно как и электростатика, получившая к этому времени стройное математическое оформление, была основана на дальнодействии. Тот факт, что ньютоновская программа поиска математических законов сил без выяснения механизма их действия успешно реализовалась в результате установления законов Кулона, Ампера и Био-Савара-Лапласа, еще более укреплял принцип дальнодействия. А вихри материи, якобы циркулирующие вокруг проводника с током и поворачивающие стрелку, электрические и магнитные атмосферы вокруг магнитов, токов и заряженных тел, были гипотезами, без которых можно было обойтись, так как они не вытекали из фактов и не давали никаких математических выражений для сил. Какую оригинальность суждений, непредвзятость мнений и своеобразие видения мира нужно было проявить, чтобы в эпоху безраздельного господства дальнодействия выдвинуть идею поля, чуждую духу науки того времени и научным традициям. Этот революционный шаг был сделан Майклом Фарадеем (1791 - 1867).

5. Идея близкодействия в работах Фарадея

Не будем подробно рассматривать все, что сделал Фарадей для физики, перечислим лишь основные его открытия, остановившись подробно только на работах, связанных с обоснованием концепции близкодействия. К числу основных открытий Фарадея относятся следующие:

§ открытие сжижения газов и предвидение существования критической температуры;

§ открытие вращения проводника с током вокруг магнита, что явилось прообразом современного электродвигателя;

§ открытие явления электромагнитной индукции и самоиндукции, что позволило ему создать первую действующую модель униполярной динамо-машины;

§ доказательство единой природы разного вида электричества, получаемого различными способами;

§ установление законов электролиза и выдвижение идеи об атомарности электричества;

§ создание теории электростатической индукции и поляризации диэлектриков, введение понятия диэлектрической проницаемости;

§ изучение магнитных свойств вещества, открытие диа- и парамагнетизма;

§ изучение проводимости газов;

§ открытие вращения плоскости поляризации света под действием магнетизма;

§ создание основ учения о поле.

Обратимся к тем работам Фарадея, которые наиболее близки к проблеме поля, и, прежде всего, к открытию электромагнитной индукции.

Опыты Эрстеда и работы Ампера, доказавшие связь электричества и магнетизма, вызвали у молодого Фарадея глубокий интерес к электромагнетизму. И это понятно -- идея взаимосвязи явлений, единства сил природы была ведущей и мировоззрении Фарадея: "Я давно придерживаюсь мнения, ставшего почти убеждением, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение или... так взаимосвязаны, что они могут превращаться друг в друга". Не удивительно поэтому, что уже в 1821 г. он записывает в своем дневнике в качестве задачи: "Превратить магнетизм в электричество". После этого он все время носит в кармане магнит и проволоку, может быть, для того, чтобы они были постоянным напоминанием о поставленной цели и всегда были под руками для проверки возникающих мыслей.

Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль: если за счет электричества создается магнетизм, то должно быть справедливым и обратное суждение. Мысль Фарадея 11 лет занята этой проблемой, но способ ее решения долго не давался в руки.

Почему идея тех опытов, которые может выполнить ныне каждый старшеклассник, оказалась столь трудной для Фарадея, человека необычайного ума? Причин тут много. И, прежде всего, трудности теоретического характера. В науке того времени только зарождались понятия электрического тока, силы тока, напряжения, была неизвестна природа магнетизма. К этому добавлялись трудности технического характера. Чтобы ныне обнаружить ЭДС индукции, используют многовитковую катушку. В то время только что узнали о том, что магнетизм тока усилится, если провод скрутить в спираль, но еще не имели способа изолировать провод. Индукционные токи на уроках физики регистрируются ныне гальванометром с чувствительностью 10^-5 А/дел, а тогда ток измерялся по отклонению магнитной стрелки. Чтобы стрелка заметно отклонилась, надо было пропускать по проводнику большой ток, а индукционные токи -- слабые. К тому же, стрелка-индикатор не должна испытывать влияния магнита, которым возбуждается ток. Для этого катушку удаляли от индикатора подчас в другое помещение. Вдвинув магнит в катушку, надо было идти смотреть на стрелку-индикатор, которая, естественно к этому времени уже приходила в состояние покоя. Отсутствие эффекта связывали со слабостью магнита. Так что 11 лет поисков для того времени -- срок вполне объяснимый.

Строго говоря, явление электромагнитной индукции обнаружил раньше Фарадея Джозеф Генри, американский физик, который одним из первых начал изолировать не магнит от голого провода, а сам провод, обматывая его полосками шелка. Но Генри не сообщил о своем открытии, увлекшись опытами по созданию электромагнитов, и, к тому же, у него была и другая причина -- его высокая требовательность: "хотелось свести полученные результаты в какую-то систему".

Фарадей же идет не на ощупь, он сознательно ищет эффект, подсказанный ему его общими взглядами на мир. Он варьирует ЭДС батареи, магниты, габариты и формы проводников, число витков в катушке. Очень общая первоначально идея постепенно конкретизируется. Уже в 1825 г. он высказывает мысль: если ток действует на магнит, то и сам ток должен испытывать противодействие со стороны магнита, но изменения тока в катушке при введении в нее магнита не обнаружилось (слабой была, конечно, возникшая в этом опыте ЭДС индукции).

Тогда Фарадей выдвигает другую мысль. Ток есть движение электрической жидкости, которая, перемещаясь по виткам соленоида, вызывает, по гипотезе Ампера, круговые токи в железном сердечнике, обусловливая его намагничивание. Тогда движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться электрическую жидкость в расположенном рядом проводнике, т. е. вызвать индукционный ток. Опыт с прямыми проводниками неудачен.

Фарадей узнает об открытом Генри усилении магнетизма при использовании многослойной обмотки и берет уже не прямые проводники, а катушки.

29 августа 1831 г. при замыкании цепи тока в одной из катушек стрелка гальванометра, включенного в цепь другой катушки, отклонилась, а затем вновь вернулась в исходное положение, хотя по первой катушке ток продолжал идти. Фарадей размыкает цепь первой катушки и опять наблюдает отклонение стрелки. Долгожданный эффект получился, но он кратковременный и связан не с прохождением тока, а с его изменением. Опыты продолжаются и в следующие дни. А может быть, чтобы возбудить длительный ток в катушке за счет тока в другой, рядом расположенной катушке, надо сблизить эти катушки? Фарадей перемещает их относительно друг друга и обнаруживает, что ток возникает, если катушки движутся. Около месяца идут дальнейшие поиски условий возникновения тока. А 24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом. 17 октября подобные опыты приводят к выводу: "Электрическая волна (ток) возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое". 28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимаемый с оси и обода медного диска, вращаемого между полюсами подковообразного магнита. Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока.

Такова очень приблизительная и упрощенная реставрация процесса установления Фарадеем явления электромагнитной индукции.

Объяснение явления электромагнитной индукции, а также рассмотрение электрических и магнитных процессов, которые происходят в веществе под влиянием заряженных тел и магнитов, привели Фарадея к выдвижению идеи близкодействия, реализовавшейся, в конце концов, в идее существования поля.

Проследить ход мыслей Фарадея, а тем более просто и доступно изложить его -- нелегко, поэтому ограничимся лишь упрощенным изложением его окончательных идей.

Почему Фарадей, в отличие от всех своих предшественников, встает на позиции близкодействия? До него все внимание исследователей было обращено на силы, с которыми взаимодействуют заряды и токи, а не на процессы, происходящие в разделяющей среде. Фарадей же первым тщательно изучил процессы, происходящие в веществе под влиянием зарядов, магнитов и токов. Он рассматривал электрическую индукцию в проводниках и поляризацию диэлектриков. До него диэлектрик считался пассивным агентом, удерживающим электричество в проводниках. Фарадей же обратил внимание на роль среды (он, например, обнаружил зависимость емкости конденсатора от рода диэлектрика). Почему на поверхностях проводника и диэлектрика под влиянием заряженного тела возникают заряды противоположного знака? Ученый объяснил это тем, что под влиянием заряженного тела в веществе происходит поляризация, своеобразное разделение зарядов в частицах, ближайших к наэлектризованному телу (как это действительно происходит в диэлектриках с неполярными молекулами). Поляризованные частицы подобным же образом поляризуют смежные с ними, так что в среде происходит процесс передачи электрического действия, распространяющийся постепенно от точки к точке. Подобным же образом происходит, по Фарадею, и процесс намагничивания. До Фарадея магнитными материалами считали лишь небольшое число веществ. Фарадей обнаружил, что все вещества могут намагничиваться, и магнитное действие, подобно поляризации, постепенно передается от одной частицы среды к другой.

Итак, передача электрического и магнитного действия в веществе есть процесс не мгновенный, а длящийся некоторое время.

Вот она, первоначальная концепция близкодействия!

Фарадей вводит понятие о силовых линиях. Пока речь идет об электродинамических процессах в веществе, Фарадей рассматривает силовые линии как формальные линии действия силы, а не реальные образования. Как же передается действие силы в вакууме? "Может быть, позволительно предполагать здесь, как и в других областях, гипотетический эфир?" И, считая пространство заполненным особой средой -- эфиром, Фарадей рассматривает силовые линии как материальные образования, подобные резиновым жгутам, находящимся в натянутом состоянии. Понятие силовых линий позволяет ему более определенно сформулировать закон электромагнитной индукции: "Количество электричества, вовлеченное в движение, прямо пропорционально количеству пересеченных линий", т. е. ЭДС индукции возникает лишь тогда, когда проводник пересекает силовые линии.

Создается впечатление, что Фарадей представлял себе вовлечение в движение электрической жидкости в проводнике как процесс, вызванный действием реальных образований (линий) на электрическую жидкость в проводнике. Взаимодействие зарядов он рассматривал как процесс, обусловленный взаимодействием находящихся в состоянии натяжения линий, которые в случае разноименных зарядов, стремясь выпрямиться, стягивают заряды, в случае одноименных зарядов -- отталкиваются друг от друга, как упругие жгуты, обеспечивая отталкивание самих зарядов (вспомним спектры соответствующих полей).

Представление о силовых линиях как реальных образованиях, имеющихся и в вакууме, и в веществе, позволяло просто и наглядно объяснить многие явления. В частности, известный опыт Араго (вращение металлического диска за счет вращения рядом расположенного магнита) получил простое объяснение: силовые линии вращающегося магнита воздействуют на электрическую жидкость в диске и как упругие образования вызывают его вращение.

Впрочем, не следует переоценивать роль этих наглядных моделей-образов. Фарадей прекрасно понимал условность этих моделей и не считал эти представления законченными и единственно возможными. В ходе последующего развития науки Фарадеевское представление о силовых линиях как реальных образованиях в эфире было отброшено, но существо его идей получило полное признание. По Фарадею, электромагнитное взаимодействие зарядов и токов обусловлено процессами, происходящими в окружающей их среде вне зависимости от того, вакуум это или вещество. В обоих случаях есть некий посредник, окружающий заряды и токи и обеспечивающий их взаимодействие. Является ли им эфир, в котором имеются силовые линии как реальные объекты, или это какое-то другое образование, Фарадей не предрешает и не высказывает окончательных суждений, предоставляя потомкам решить этот сложный вопрос.

Реальность силовых линий у Фарадея во многом связана с тем, что эти линии (во всяком случае, для магнитного поля) не есть прямые. Ведь в концепции ньютоновского дальнодействия силы носят центральный характер, т. е. действуют по прямым, соединяющим взаимодействующие тела. Обнаружение того, что линии действия электродинамических тел есть кривые, и наводит Фарадея на мысль, что это не просто формальные изображения линий действия сил, а реальные образования.

Итак, распространение электрических и магнитных действий происходит как процесс, осуществляющийся в среде и требующий времени; электрические и магнитные возбуждения могут существовать независимо от источника и приемника. Более того, Фарадей высказывает догадку, что это распространение действия осуществляется волнообразно. В 1832 г. в разгар исследований по электромагнитной индукции Фарадей подготовил письмо о своих взглядах на проблему электромагнитного взаимодействия, закрепляющее его приоритет. В этом письме, которое обнаружили через 100 лет, Фарадей пишет: "На распространение магнитного воздействия требуется время... Я полагаю, что и электрическая индукция распространяется таким же образом..., что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т. е. я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям... и к электрической индукции".

Итак, пусть Фарадей не сформулировал четко понятие поля, но суть всех его воззрений сводится к тому, что все взаимодействия осуществляются посредством особой материальной среды, передающей за конечное время процесс взаимодействия зарядов и токов. А это и значит, что Фарадей, по сути дела, ввел в физику идею поля, превратив заряды и токи из главных действующих лиц на арене электромагнитного взаимодействия во вспомогательные и передав главные роли среде, считая, что "материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею". Но лучше всего об этом сказал Максвелл: "Фарадей своим мысленным взором видел линии сил, проходящие через все пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающихся на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей видел источник явлений в реальных процессах, происходящих в среде. Они же были удовлетворены тем, что нашли его в действующей на расстоянии силе, приложенной к электрическим флюидам".

6. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом

Прежде чем перейти к теории Максвелла, остановимся кратко на развитии электродинамики от Фарадея до Максвелла.

Казалось бы, идеи Фарадея должны были сразу дать мощный толчок развитию теоретических исследований. Однако так не произошло. Фарадея очень высоко ценили как экспериментатора, но к его теоретическим идеям относились с недоверием. По этому поводу Р. Милликен писал: "Формалисты школы Ампера - Вебера... с тайным, а иногда и явным презрением смотрели на "грубые материальные" силовые линии и трубки, порожденные фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея". Теория поля Фарадея не удовлетворяла идеалу физической теории, сложившемуся к этому времени, -- она не была выражена на языке математики. И идея близкодействия физикам по-прежнему не импонировала. Теории электрических и магнитных явлений продолжали строиться на основе принципа дальнодействия.

Французский ученый С. Пуассон и немецкий математик Карл Фридрих Гаусс математически оформляют учение об электричестве и магнетизме. Вебер, исходя из теории дальнодействия, устанавливает обобщенный закон для силы взаимодействия электрических зарядов как покоящихся, так и движущихся (токов), из которого законы Кулона и Ампера выводятся как следствия. Ему, а также немецкому ученому Ф. Нейману удается получить и математическое выражение закона электромагнитной индукции Фарадея. Четко формулируются основные понятия электродинамики: "сила тока", "потенциал", "емкость", "индуктивность" и т. д. И, тем не менее, учение об электромагнетизме не представляет собой стройной теории, основанной на единых общих принципах, из которых как следствия выводились бы уравнения электростатики, электродинамики, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока. Все эти разделы продолжали оставаться в известной мере обособленными. К тому же, из теории Вебера не вытекало никаких принципиально новых следствий, а задача всякой новой теории -- не столько систематизация и обобщение известного, сколько предсказание новых результатов.

Теоретические представления Фарадея в духе близкодействия по-прежнему не исследовались.

Столь отнюдь не радужное положение дел в учении об электромагнетизме лучше всех понимал Максвелл, который познакомился с работами Фарадея и стал убежденным сторонником выдвинутой им идеи близкодействия. Максвелл поставил перед собой задачу выразить идеи Фарадея языком математики и, в конце концов, блестяще решил ее. По выражению Р. Милликена, он "облек плебейски обнаженные представления Фарадея в аристократические одежды математики".

Максвелл получил уравнения электромагнитного поля, которые описывали его свойства и структуру и являлись не простым математическим выражением идей Фарадея, а содержали нечто неизмеримо большее.

rot E = -, rot H = 4 p j +;

t t;

div D = r, div B = 0.

В этих уравнениях заключено все учение об электричестве и магнетизме! Глядя на лаконичную форму этих уравнений, как не вспомнить Ньютона: "Природа проста и не роскошествует излишними причинами". Не случайно Герц, придавший уравнениям Максвелла тот вид, в котором они ныне пишутся (это же было сделано и Хевисайдом), говорил: "Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным умом -- кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них было заложено".

Что же нового дала физике теория электромагнитного поля, которую Максвелл начал разрабатывать с 1855 г. и в окончательном виде оформил в работе "Трактат по электричеству и магнетизму", вышедшей в 1873 г.?

Вклад Максвелла сводится в общих чертах к следующему.

Теория Максвелла вводит в физику фундаментальнейшее понятие единого электромагнитного поля. "Теория, которую я предлагаю, -- пишет Максвелл, -- может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела; она может быть также названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления". И далее: "Электромагнитное поле -- это та часть пространства, которая содержит и окружает тела, находящиеся в наэлектризованном или намагниченном состоянии". Правда, здесь, с современной точки зрения, есть неточность: поле -- это не часть пространства, а материальный объект, существующий в пространстве и времени. Есть и еще одно несоответствие идей Максвелла современным взглядам: поле у Максвелла -- не самостоятельный объект, а процесс, происходящий в эфире, проявление эфира. Лишь в дальнейшем, в связи с созданием теории относительности, когда стало возможным устранение гипотезы эфира, поле было признано самостоятельно существующим видом материи, не нуждающимся в особом материальном носителе. Введение понятия поля как основного объекта, обеспечивающего все электромагнитные взаимодействия, акцент не на заряды и токи, а на "порожденное" ими поле означают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия.

Принципиально новой чертой теории Максвелла, выражающей последовательное проведение идеи близкодействия, является то, что теория Максвелла исходит из признания конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Из этого вытекает то, что сигнал, испущенный источником, но не принятый еще приемником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование, обладающее энергией, которая, по Максвеллу, сосредоточена в поле. Энергия электромагнитного взаимодействия у Максвелла зависит от параметров поля (E и B). Это есть энергия поля, а не энергия зарядов и токов. Но энергия не может быть без материального носителя. Следовательно, поле является объективной реальностью.

Теория Максвелла по-новому поставила вопрос о взаимосвязи электричества и магнетизма. Их единство проявляется в том, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное порождает электрическое, т. е. электрическое и магнитное поля не есть некие самостоятельные сущности, а есть частные проявления единого электромагнитного поля, определяемые выбранной системой отсчета.

Теория Максвелла на основе понятия поля свела в единую систему все знания по электричеству и магнетизму. Она дала возможность, зная компоненты поля (E и B) в данной точке в данный момент времени, найти их значения в любой другой точке в любой другой момент времени, а зная характеристики поля, найти и силы, действующие на заряды и токи. Все законы электрических и магнитных взаимодействий, все законы тока, выведенные раньше, получаются из уравнений Максвелла как следствия. Но значение теории -- не только в обобщении уже известного, из нее вытекает чрезвычайно много нового (кроме ранее сказанного).

Из решения уравнений вытекает, что электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн, и скорость электромагнитных волн равна скорости света. Тем самым устанавливается не только существование нового объекта, но и выдвигается идея об электромагнитной природе света, а значит, устанавливается единство оптики и электромагнетизма. Таково значение теории Максвелла. Как сказал Г. Герц: "Теория Максвелла -- это уравнения Максвелла". Естествен вопрос: как он сумел сделать это? Понять творческий процесс Максвелла куда труднее, чем понять суть его теории. Поэтому я ограничусь лишь некоторыми замечаниями о методе Максвелла.

Максвелл ставит вначале задачу -- найти математический аппарат, который бы мог описать физические представления Фарадея о поле. И ему удается обнаружить, что нарисованная Фарадеем картина поля в виде силовых линий аналогична картине распределения линий тока и образуемых ими трубок тока в движущейся жидкости. Движение жидкостей уже получило к тому времени математическое описание, и Максвелл переносит это описание гидродинамических явлений на электродинамические процессы. Величинам, характеризующим движение жидкости, он сопоставляет электродинамические характеристики (так, например, перепаду давления на единицу длины dp dx он приводит в соответствие перепад потенциала d j dx, обусловливающий движение электричества, подобно тому, как перепад давления вызывает движение жидкости). Тем самым электромагнитное поле уподобляется движению жидкости, силовые линии поля аналогичны трубкам тока.

Максвелл использует метод аналогий и моделей. "Под физической аналогией, -- пишет он, -- я разумею то частное сходство двух каких-либо областей, благодаря которому одна является иллюстрацией другой". И поскольку различные классы физических явлений могут иметь одинаковую математическую форму законов, то по известным решениям задач в одной области можно получить решения задач в другой.

Общность и взаимосвязь явлений природы проявляется, в частности, в том, что разнородные по природе явления описываются аналогичными математическими уравнениями (вспомним дифференциальные уравнения, описывающие разные по природе колебательные процессы). Но аналогичность математического описания не означает тождества природы явлений. И Максвелл это хорошо понимает, указывая неоднократно, что жидкость, которой он уподобляет электромагнитное поле, не тождественна с тем, что собой в действительности представляет электромагнитное поле. Аналогия с жидкостью есть лишь эвристический иллюстративный прием, но не более.

В дальнейшем Максвелл выдвигает различные механические модели электромагнитного поля, часто весьма причудливые и необычные (подчас даже представляя поле в виде системы, подобной сцепленным зубчатым колесам). Стремление Максвелла наглядно представить поле в виде механического образа вполне понятно. Это безусловная дань господствующему тогда механицизму, освященная традицией классической физики, для которой понять -- значит наглядно представить. Кроме того, попытки такого рода связаны также еще с одной важнейшей чертой стиля мышления Максвелла -- постоянным стремлением за математическим описанием видеть природу, придавать физический смысл любому уравнению физики. Максвелл говорил полушутя, что каждый физик хорошо сделает, если перед тем, как напишет слово "масса" или символ "m", собственноручно подвесит гирю на веревке и толкнет ее, дабы убедиться в ее инертности.

Чрезвычайно характерно также и то, что Максвелл не придерживался какой-либо единственной модели поля, а заменял по мере работы над теорией одну модель другой. Модели помогали ему найти уравнения поля; он считал, что они помогут и тем, кто будет читать его работы. Эта неоднозначность моделей, отсутствие у Максвелла приверженности к одной модели свидетельствуют о необычайной гибкости ума, чуждого консерватизма и догматизма, и объясняют то удивительнейшее явление, что Максвелл писал уравнения применительно к той или иной модели, веря в существование эфира. Современная физика отбросила все эти модели, отбросила гипотезу эфира, а уравнения сохранились нетленными и описывают электромагнитное поле в его современном понимании.

И еще об одном методе, который использовал Максвелл, -- методе математической гипотезы. По Максвеллу, электрический ток в проводнике создает магнитное поле, что Максвелл выражает в виде уравнений rot H=4pj, т. е. "источник" магнитного поля -- движущиеся в проводнике заряды. А в диэлектрике нет движения зарядов, но возможно существование изменяющегося электрического поля, связанного, как он считал, со смещением эфира в диэлектрике. Максвелл предполагает, что это изменение электрического поля ("ток смещения") порождает то же магнитное поле, как и ток проводимости (что такое ток, в то время не знали). Эту гипотезу он выражает математически, добавляя в уравнение член, характеризующий быстроту изменения электрического поля, которое, таким образом, как и движущиеся заряды, становится "источником" магнитного поля. Если на мысль о возникновении электрического поля за счет изменения магнитного поля наталкивало явление электромагнитной индукции, то гипотеза о токах смещения не подсказывалась никакими фактами и являлась, видимо, плодом интуиции Максвелла.

Теории Максвелла еще предстояло утвердить себя. Поначалу ее мало кто понимал. Даже Больцман считал ее "тайной за семью печатями" и в качестве эпиграфа к курсу лекций по теории Максвелла взял фразу из "Фауста": "Я должен пот тяжелый лить, чтоб объяснить вам то, чего я сам не понимаю". Утверждение теории приходит тогда, когда ее выводы получают экспериментальное подтверждение, а его не было вплоть до 1887 г., когда Герц экспериментально получил электромагнитные волны.

7. Утверждение теории Максвелла

Генрих Герц (1857 - 1894) уже в ранние годы проявил блестящие способности в самых разнообразных отраслях знаний. Он с одинаковым интересом и успехом изучал и физику, и арабский язык; к тому же имел хорошие ремесленные навыки, так что, когда Герц стал знаменитым ученым, мастер, учивший его токарному делу, с сожалением сказал, узнав о научной славе своего ученика: "Жаль, из него мог бы получиться отличный токарь!". Но он в течение всей своей жизни был чрезвычайно скромен в оценке своих способностей и достижений и поначалу даже считал, что занятия наукой -- не его удел, и в лучшем случае он может стать инженером. Однако интерес к науке берет свое, и уже будучи студентом высшей технической школы, он меняет свое решение. Он поступает в Берлинский университет, и с тех пор его научным руководителем становится Г. Гельмгольц, один из самых выдающихся физиков того времени. Окончив университет с отличием, Герц работает в разных учебных заведениях Германии.

То были годы, когда теория Максвелла еще не нашла безоговорочного признания среди физиков, и многие отдавали предпочтение (в особенности в Германии) теориям, построенным в духе дальнодействия -- теориям Вебера, Неймана и самого Гельмгольца, создавшего теорию, представляющую собой компромисс между близкодействием Максвелла и дальнодействием Вебера. В результате существования разнообразных теорий, "область электродинамики, -- по словам Гельмгольца, -- превратилась в то время в бездорожную пустыню". Теории Максвелла явно не хватало экспериментального подтверждения. Лишь один ее вывод согласовывался с опытом. По Максвеллу, показатель преломления для диэлектриков n = Oe. Больцман подтвердил это. Но этого было, конечно, недостаточно, чтобы сделать уверенный выбор между теориями, тем более что для действия замкнутых токов обе теории приводили к одинаковым результатам и различные выводы получались лишь для действия на диэлектрик токов в незамкнутых цепях. В незамкнутых цепях, как уже было известно, можно возбудить электромагнитные колебания, и Гельмгольц предложил Герцу изучить действие этих колебаний на диэлектрик. По Максвеллу, в нем должен возникнуть "ток смещения", т. е. колебания электрического поля, порождающие так же, как и в проводниках, магнитное поле.