Михаил Терентьев - История эфира
И, наконец, третье открытие Фарадея — вращение плоскости поляризации света в магнитном поле.
В каждом случае Фарадей устанавливал факт взаимодействия между сущностями, до того не связанными между собой. Сейчас для физика является общим местом утверждение о всеобщей связи явлений, вопрос лишь в точности, к которой следует стремиться, чтобы заметить эту связь. Но именно Фарадей в наибольшей степени способствовал утверждению таких взглядов. Нужно сказать, что ему сильно повезло. Во всех случаях он действовал слепо, заранее не зная на каком уровне, при каких интенсивностях полей можно ожидать появления новых эффектов. Более того, он не имел надежных представлений об их характере. В таких условиях открытия обычно делаются случайно и, в соответствии с законами вероятности, один раз в жизни. Но, как видно, к Фарадею эти соображения не относятся. Теория вероятности — для обычных людей.
Для нас интересны взгляды Фарадея на природу электромагнитных явлений, которые он выработал к концу своей творческой жизни. Они получали подтверждение и развитие в его же собственных опытах, но из опытов ни в коей мере однозначно не следовали. Более того, как уже упоминалось, они, в основном, не разделялись научным сообществом.
Начинал как химик, Фарадей, возможно, под влиянием Дали воспринял идею атомов Босковича. Иезуитский священник Роджер Боскович (1711-1787) пытался на философском уровне преодолеть трудности, имеющиеся в ньютоновской концепции неделимых и недеформируемых корпускул конечного размера. Представим себе два атома в виде абсолютно твердых биллиардных шаров. Как можно представить себе лобовое столкновение таких шаров? Ведь в момент удара усилие, возникающее в точке соприкосновения, должно мгновенно передаваться на периферию, для того, чтобы каждый шар как целое изменил направление движения на противоположное. Ясно, что без фантастических предположений такое трудно реализовать. Боскович считает разумной и самосогласованной только идею точечных бесструктурных атомов, каждый из которых рассматривается только как источник силы.
Два атома Босковича могут быть в равновесии, находясь рядом. При небольшом смещении одного атома под влиянием внешней посторонней силы возникает состояние натяжения, которое убирается за счет перемещения к положению равновесия при снятии внешней силы.
Фарадей представлял себе линии электростатической силы буквально, как линии молекул Босковича в состоянии натяжения. Начиная свою деятельность с исследования электрохимического разложения растворов, он убедился, что разложение происходит вдоль всей силовой линии электродвижущей силы (э.д.с.), — полюса батареи как таковые не нужны, чтобы предсказать, что произойдет в данной точке электролита, если величина э. д. с. задана. Атом Босковича, смещенный из положения равновесия, вызывает смещение соседа, сосед передает действие дальше, пока в цепи не возникнет состояние напряжения, которое разрядится электрическим током при замыкании цепи. Ни в один из моментов атомы не являются свободными — они всегда связаны с партнерами, которые могут меняться. Если электростатическая индукция, как считал Фарадей, подобна электрохимическому разложению, то отсюда должно следовать, что электростатическая сила, подобно электрохимической, передается от частицы к частице, а не действует на расстоянии. Теперь уже недостаточно считать, что закон Кулона полностью определяет электростатическую силу, а нужно знать коэффициент k, определяемый свойствами среды между зарядами. Таким образом, концепция поля, точнее, поля сил, распространяется на всю электростатику. Индуктирующее тело и тело, приобретающее индуктируемый заряд, являются просто концами линий электростатически напряженных частиц. К 1838 году электростатическая линия силы стала для Фарадея основной реальностью во всех электрических явлениях. Внутримолекулярное натяжение он назвал электротоническим состоянием. Тела по-разному ведут себя в таком состоянии — металлы, например, не выносят большого натяжения и, раз возникнув, оно тут же разряжается (если не будет снова восстановлено). Разрушение электротонического состояния выглядит как волна, бегущая по проволоке, она же есть электрический ток.
Приступив к изучению магнитных явлений, Фарадей использовал в начале аналогичные представления в отношении линий магнитного поля, но вскоре был вынужден от них отказаться. Прежде всего у магнитных силовых линий не было источников — не было магнитных зарядов. Удивительно, сколь оригинальны и просты были опыты, с помощью которых Фарадей обнаруживал фундаментальные факты. Например, использовался такой прибор: соленоид, плавающий в воде, и магнитные стрелки, наколотые на пробки, которые, свободно двигаясь на поверхности жидкости, вычерчивают направления линий магнитного поля. При этом пробки спокойно проплывают сквозь соленоид, наглядно демонстрируя непрерывность силовых линий. Явление электромагнитной индукции обнаруживалось в следующей конструкции: «цилиндрический полосовой магнит диаметром 3/4 дюйма и длиной 8 ½ дюйма одним концом был вставлен в конец цилиндра с соленоидом; затем он был быстро внесен во всю длину и стрелка гальванометра отклонилась; далее он был удален и стрелка отклонилась в противоположном направлении». (Запись Фарадея в дневнике, 17 октября 1831 года.)
Исследование Фарадеем природы магнитных линий — это, помимо изобретательности, поразительный пример мужества и упорства. Ближе к 50-летнему возрасту Фарадей стал страдать тяжелым недугом. При отменном физическом здоровье он терял память. Переутомление теперь приводило к очень длительным и глубоким провалам. Болезнь прогрессировала, и в 1840 году Фарадей был вынужден полностью прекратить научные исследования; только в 1844 году он снова смог приступить к работе. Он постепенно отказывался от различных обязанностей, которые уже не мог выполнять параллельно, не скрывал и не стыдился своего недуга, а всячески пытался с помощью организации жизни использовать малейшие просветы, предоставляемые ему природой.
Странным образом ослабление памяти не отражалось на его изобретательности. В 1845 году он делает открытие, не менее важное для понимания электромагнетизма, чем электромагнитная индукция. Он обнаруживает явление диамагнетизма. Диамагнетизм проявляется в выталкивании линий магнитного поля из некоторых веществ. На рис. 1 случаи а, б, в отвечают соответственно вакууму, парамагнетику и диамагнетику во внешнем поле.
Рис.1Фарадей доказывает, что диамагнетик, помещенный в среду еще более диамагнитную, ведет себя, как парамагнетик. В нормальной ситуации вакуум занимает промежуточное положение между диа- и парамагнетиком. В дальнейшем Фарадей осуществляет обширную программу экспериментов по изучению магнитных линий в веществах и в июне 1852 года в двух публикациях: «О физическом характере линий магнитной силы» и «О физических линиях магнитной силы» делает важный вывод — присутствие весомой материи не является необходимым для существования физических линий магнитной силы. Формулируется это так: «Если они (линии магнитной силы) существуют, то не как результат последовательного расположения частиц, как в случае статической электрической индукции, ... но обусловлены пространством, свободным от таких материальных частиц. Магнит, помещенный в лучший вакуум, который мы можем создать, был ли тот вакуум ранее занят парамагнитным или диамагнитным телом, действует на магнитную иглу так же, как если бы он был окружен воздухом, водой или стеклом; и поэтому эти линии существуют в вакууме так же, как в веществе». Что возраст может сделать с сильным умом, — такова была реакция большинства современников!
После этого было естественно пересмотреть и природу линий электрической силы и воспринимать их как самостоятельную реальность, существующую в каждой точке пространства независимо от весомой материи. К сожалению, Фарадей не прошел до конца по этому пути, так как не нашел контрольных экспериментов, подтверждающих такую точку зрения.
Фарадей не пытался искать механические модели для силовых линий в вакууме. Во всяком случае, у него нет ясных высказываний, где допускалась бы возможность того, что оптический эфир Френеля может иметь к ним отношение. Эфир как гипотетическая среда вообще не воспринимался Фарадеем серьезно, в его дневниках содержатся отрывочные мысли об эфире, относящиеся примерно к 1850 году, откуда видно, что он ясно представлял существо основных трудностей. Выглядит это так: «Эфир — его необходимость — доказали ли математики, что существует жидкость, в которой поперечные колебания происходят легче, чем продольные? Может ли такое быть в однородной жидкости?... Если натянутая струна представляет образ эфира и его поперечных колебаний, что обеспечивает сильное сцепление, такое как между частицами струны, от которого сам факт поперечных колебаний существенно зависит?... Что проходит через эфир? Продольные колебания в эфире — это свет или нет? Если да, каковы свойства этого света? Если нет — каков результат этих продольных колебаний? Не являются ли все вибрации света поперечными — тогда вообще нет продольных колебаний? Можно ли придумать жидкость, где бы не было продольных колебаний?»
