История эфира
Шрифт:
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,
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.
Фарадей 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,
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?»
После работ Френеля, особенно после статьи 1829 года «Элементарный взгляд на волновую природу света» (опубликованной в английском журнале «Quarterly Journal of Science»), в которой без математики, то есть в доступной форме, излагаются все существенные идеи, Фарадей не мог не искать аналогий между светом и электромагнетизмом. Обычно он был чрезвычайно аккуратен в своих высказываниях, но в 1832 году он совершает загадочное действие — оставляет запечатанный конверт под названием «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в архивах Королевского Общества», с указанием вскрыть через 100(!?) лет. Документ был обнародован в 1858 году. Среди прочего в нем имеется фраза: «Я пришел к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, которое окажется очевидно незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же способом... Я считаю возможным применять теорию колебаний к распространению электрической индукции». (Здесь Фарадей говорит, правда, об аналогии с волнами на воде, то есть о продольных волнах.) Очевидно, что Фарадей не нашел в дальнейшем путей для экспериментального подтверждения этой идеи, но ясно, что с самого начала его мысль работала в удивительной гармонии с природой.
Фарадей спокойно и тихо скончался 25 августа 1867 года, сидя за письменным столом. Последние годы у него уже не было сил для серьезных дел, но светлое состояние души не оставляло его. Еще в 1861 году он пишет другу: «Я благодарен, что в процессе того, как способности и другие вещи в этой жизни покидают меня — добрая надежда остается со мной. Это позволяет размышлять о смерти спокойно и без страха. Чего же бояться, если среди подарков Бога нам дан свыше еще этот мир в душе? Именно этот, невыразимый словами дар в Его излюбленном сыне, — есть основание для надежды, и в нем опора для тех, кто, как ты и я, влечемся здесь, внизу, к концу нашего жизненного пути».
Нам еще придется, рассказывая в следующей главе о Максвелле, постоянно возвращаться к тому, что сделал Фарадей в электромагнетизме. Дело в том, что сейчас объективный язык физики — это формулы, математические соотношения. Понятно, что за ними лежит физическое содержание, которое по необходимости выражается словами. Но слова, к сожалению, всегда не точны. Фарадей уникален, поскольку мыслил точно, как математик, не владея формальным аппаратом. Но без формул нельзя передать мысли достаточно однозначно, нельзя также предусмотреть все возможные следствия. Факты, которые установил Фарадей, стали фундаментом электромагнитной теории, но ее логическая структура стала строгой только после Максвелла. Поэтому если обсуждать не сами факты, а их последовательную интерпретацию, то лучше использовать четкий язык Максвелла, а не многословные и многозначные пояснения Фарадея.
Образы Фарадея, несмотря на их огромную эвристическую ценность, не эквивалентны природе. С Максвелла утверждается понимание, что истины в фундаментальной физической теории ровно столько, сколько в ней математики.
4.3. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879)
Максвелл родился в год открытия Фарадеем электромагнитной индукции, умер в год рождения Альберта Эйнштейна. Значение того, что он сделал в науке, выразил Р. Фейнман в эмоциональном высказывании, приведенном нами в предисловии.