Фридрих Гернек - Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга)
У Максвелла было два предшественника, на исследования которых он опирался: Эрстед и Фарадей.
Ганс Христиан Эрстед, датский врач и естествоиспытатель, в первой половине XIX века был профессором физики в Копенгагене. В 1820 году, во время эксперимента, сопровождавшего лекцию, он впервые заметил магнитное действие электрических токов. Таким образом, он стал первооткрывателем электромагнетизма. Это открытие имело большое научное и техническое значение. Оно привело к изобретению электромагнитного телеграфа и в дальнейшем к созданию электромотора.
Другой физик, Майкл Фарадей, сын кузнеца и естествоиспытатель-самоучка, ставший профессором Королевского института в Лондоне, считается одним из самых изобретательных экспериментаторов в истории точных естественных наук. Максвелл исходил непосредственно из его опытов.
К достижениям Фарадея в области физической химии в числе прочих относятся обнаружение законов электролиза, исследование сжижения газов и открытие бензола, важного углеводородного соединения. Его наблюдения явлений, происходящих при достаточно высоком напряжении переменного тока на электродах в вакуумной трубке, создали предпосылку для работы с катодными лучами, сыгравшими столь важную роль в становлении современной физики.
Но наибольшее значение впоследствии приобрели исследования Фарадеем электромагнитной индукции. В 1831 году, через 11 лет после наблюдения, сделанного Эрстедом, в результате долгих поисков он открыл в обратном порядке эту природную закономерность. Еще в 1822 году, за два десятилетия до исследования процессов превращения энергии Робертом Майером, он записал в свой лабораторный дневник: "Превращаю магнетизм в электричество". Но только при пятой попытке ему действительно удалось осуществить этот замысел.
Если Эрстед узнал, что переменное электрическое поле вызывает магнитное действие и создает магнитное поле, то Фарадей нашел, что временное изменение в магнитных полях создает в проводниках электрический ток. Это открытие сделало возможным производство электрического силового тока. На нем основано действие динамо-машины и все последующее развитие электротехники.
Но и как физик-теоретик английский исследователь завоевал славу первопроходца. Фарадей в высшей степени обладал способностью делать впечатляюще наглядными результаты своих исследований при помощи геометрическо-механических моделей. Путем объединения явлений электричества и упругости он пришел к понятию "силовые линии". Фарадей с пластической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в пространстве между ними, в их "силовом поле". "Сами электрические и магнитные силы, - писал Генрих Герц в 1889 году, - были для него чем-то существующим реально, действительным, ощутимым; электричество, магнетизм были для него вещами".
Причина возникновения электрических сил лежала, по мнению Фарадея, в процессах, происходящих в пространстве между телами. При поисках признаков различий между намагниченными предметами ему удалось доказать, что все вещества, считавшиеся до тех пор немагнитными, под действием большой магнитной силы обнаруживают явные следы намагниченности. Точно так же он смог доказать, что все считавшиеся надежными изоляторы изменяются под действием электрических сил. Выяснилось, что между проводниками и непроводниками различие не принципиальное, а лишь количественное.
Эти экспериментальные открытия привели к тому, что Фарадей, как физик, мыслящий строго эмпирически, признающий только факты, которые можно наблюдать, отверг представление об электрических силах дальнодействия.
На основе своего представления о силовых линиях Фарадей предполагал уже примерно в 1845 году глубокое родство электричества и света. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей, таким образом, пришел к мнению, что учение об электричестве и оптика, стоявшие тогда рядом, но еще не связанные между собой, взаимосвязаны и образуют единую область.
Фарадей, однако, не обладал математическим образованием. Говорили, что он не мог даже возвести в квадрат бином. Таким образом, он был не в состоянии изложить результаты своих исследований при помощи обычных математических средств, он мог охватить их лишь качественно. Формально это являлось очевидным недостатком, но содержанию все-таки в данном случае не наносило ущерба. Отсутствие академически-математической подготовки, по мнению Планка, спасло Фарадея от предубеждений, порождаемых математическими и астрономическими источниками, которые в то время неблагоприятно влияли на многих значительных исследователей.
Работы Фарадея стали исходным пунктом исследований Максвелла.
Как сказал Гельмгольц в 1881 году в своей известной лондонской "Лекции о Фарадее": "Необходим был Клерк Максвелл - другой человек, столь же глубокий и своеобразный в своих воззрениях, - чтобы возвести в общепринятых формах систематического мышления то великое здание, план которого Фарадей начертил в своем уме, которое он так ясно представлял себе и которое он старался вызвать перед глазами своих современников". Заслуга Максвелла состоит в конечном счете в математической разработке идей Фарадея о магнетизме и электричестве.
"Перед мысленным взором Фарадея представали силовые линии, пронизывающие все пространство, там, где математики видели лишь центры притяжения сил дальнодействия", - писал Максвелл. "Фарадей искал носитель, ту физическую среду, в которой происходят электрические явления; этого оказалось достаточно, чтобы найти закон разности потенциалов, действующих на электрическую жидкость (Во времена Фарадея электрический ток представлялся в виде особой электрической жидкости. - Прим. ред.). Когда я перевел идеи Фарадея так, как я их понимал, в математическую форму, я нашел, что оба метода, в общем, ведут к одинаковым результатам, но что некоторые открытые математиками методы могут быть гораздо лучше выражены по способу Фарадея".
Используя высокоразвитые математические методы, Максвелл "перевел" модель силовых линий Фарадея в математическую форму. При этом он уточнил и расширил ее, превратив в завершенную теорию электродинамики.
Своими знаменитыми дифференциальными уравнениями Максвелл с высочайшей гениальностью охватил множество электромагнитных явлений. Его формулы ценятся математиками и физиками за их простоту и вызывают восхищение своей красотой. Известный австрийский физик Людвиг Больцман, говоря о них, повторил слова Фауста: "Начертан этот знак не бога ли рукой?"
Создание Максвеллом уравнений электромагнетизма, открывших век электричества, может рассматриваться как важнейшее теоретическое достижение в истории физики за период, отделяющий теорию гравитации Ньютона от теории относительности Эйнштейна. При этом с точки зрения познания существенно, что электромагнитное силовое поле выступило на равных правах с материальной точкой - как новая форма проявления реальности.
Чисто математическим путем Максвелл пришел к выводу, что в пустом пространстве образуются электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью, соответствующей скорости света в вакууме. Он обосновал с помощью математических методов предположение Фарадея о том, что свет и электричество одинаковы по своей природе. Генрих Герц метко сравнил теорию Максвелла с мостом, который смелой дугой переброшен через широкую пропасть между оптическими и электромагнитными явлениями.
Электромагнитная теория света, сокрушившая преграду между электростатикой и электродинамикой, имела и несомненную эвристическую ценность. Она способствовала открытию новых природных явлений; к ним относятся, например, расщепление спектральных линий в излучении, испускаемом атомами под воздействием магнитных и электрических полей. Эти физические эффекты наблюдались и исследовались голландцем Зееманом и немцем Штарком, в честь которых они названы. Фарадей уже за много десятилетий до этого догадывался о такой взаимозависимости, но средства, которыми он располагал, обрекли его исследования на неудачу.
Среди физиков электромагнитная теория Фарадея - Максвелла не сразу завоевала признание. Отдельные выдающиеся исследователи, подобно Гельмгольцу и Больцману, признавали ее значение и выступали в ее защиту, но даже такой проницательный мыслитель-физик, как Густав Кирхгоф, до конца своей жизни он умер в 1887 году - твердо придерживался старых представлений об электрической жидкости и в своих лекциях затрагивал теорию Максвелла лишь мимоходом.
Традиционные механистические представления об электричестве глубоко укоренились в сознании физиков, и до опытов Герца не существовало экспериментального доказательства правильности новой математической теории электричества.
