История эфира

Терентьев Михаил Васильевич

^Рис.7

В других местах статьи, в частности, при вычислении деформаций тела вихря, приводящей к «токам смещения», границы вихря в сечении считаются окружностями. При вычислении передачи энергии важно, что вихри ограничены в пространстве вдоль своих осей. Вблизи торцов каждого вихря распределение ячеек уже не может быть таким, как на рисунке, но этот вопрос не обсуждается.

Можно думать, что отмеченные моменты не сильно влияют на результаты, хотя это не обосновано в статье. В разных частях работы выбирается та или иная картина, чтобы упростить соответствующие вычисления. Но есть, по крайней мере, один момент,

который наверняка существенен, — твердым или жидким рассматривается вещество вихрей. Удивительно, что в этом пункте Максвелл тоже допускает произвол. Вычисляя давление на границе вихря, занимаясь задачей равновесия сил и некоторыми другими, он считает вихри жидкими. При этом совершенно не обсуждается, какая сила препятствует изменению формы границы вихря, которая считается заданной извне. Но в исследовании деформаций тела вихря, приводящих к токам смещения, вихри уже твердые. Они твердые также при вычислении скорости распространения поперечных волн возмущения через тело вихря (эти волны интерпретируются как свет). Заметим, что не обсуждается, как такие возмущения ведут себя в области между вихрями, какое время они там проводят, как переходят из одной вихревой трубки в другую. Количественный результат для скорости распространения от этого существенно зависит, но именно численное совпадение между скоростью электромагнитных волн и скоростью света есть одно из главных наблюдений в статье!

Из сказанного должно быть ясно, что анализ механической модели Максвелла — дело исключительно трудное и неблагодарное. Трудно сомневаться, что у Максвелла были другие, независимые аргументы в основе каждого из полученных соотношений. Он просто не счел нужным приводить их в данной статье, а механический эфир задним числом «пришит к делу».

Впоследствии в течение десятков лет предпринимались интересные попытки освободить механическую модель Максвелла от внутренних противоречий или же заменить ее другой, где последовательно воспроизводятся нужные соотношения. Забегая вперед, скажем, что удовлетворительной во всех отношениях модели не существует (хотя среди людей, занимающихся историей физики, есть другая точка зрения). Все усилия продвинуться на этом пути были оставлены к началу нашего века.

Как же в самых общих чертах «работает» механическая модель Максвелла? Разобраться в этом поможет словарик терминов (см. табл. 1), который устанавливает соответствие между электромагнитными величинами и параметрами, характеризующими состояние сплошной среды в рассматриваемой модели. Попутно отметим один любопытный момент. Современный читатель испытает неудобства при чтении статьи, так как автор сплошь и рядом обозначает разные величины одинаковыми буквами. Иногда это вызывает реальные трудности в понимании (и даже служит поводом для научных изысканий некоторым историкам физики). Скажем, величины p, q, r в одной части статьи — компоненты полного тока (включая ток смещения), но их же следует понимать и как компоненты тока проводимости — в другой. Величина R — это z-компонента э.д.с, она же — компонента упругой силы, которая отличается от э.д.с. знаком, и т. д. Категорическое требование избегать подобных вещей в теоретической литературе появилось позже.

Таблица 1

Находя динамическую связь между изменениями линейных скоростей вращения вихрей и силами P, Q, R, с которыми они действуют на слой промежуточных частиц, Максвелл устанавливает соотношение, которое в терминах электромагнитных величин имеет вид уравнения (В). После этого формулы (2) и (3) выводятся просто как удобный способ записи решения уравнения (В). Как мы помним, в первой работе последовательность была обратной. В результате фарадеевское понятие «электротонического состояния» становится ненужным. Теперь Максвелл упоминает о нем скорее по инерции.

Уравнение (С), которое раньше тоже выводилось из (2), теперь следует из интерпретации Н как линейной скорости вихря.

Далее Максвелл производит сложное вычисление изменения компонент скоростей промежуточных частиц за счет изменения формы и ориентации вихря. (Изменения формы приводят к градиентам давлений, что и вызывает изменения скоростей. Справедливо и обратное — если скорости изменяются, то возникают соответствующие напряжения в окружающей среде, которые отождествляются с э. д. с.) Гидродинамический анализ

ситуации приводит Максвелла к уравнению

которое позволяет найти э. д. с. в проводнике с током, двигающемся через силовые линии магнитного поля со скоростью v. Это соотношение — первый шаг к электродинамике движущихся тел. Из этой темы через сорок с лишним лет вырастет теория относительности.

А теперь самое интересное — вывод уравнения (D’). Ответ известен заранее, поэтому Максвелл подбирает параметры своей среды так, чтобы он получался из простых кинематических соотношений (фактически речь идет только о выборе подходящих единиц измерения для плотности промежуточных частиц). Результат следует как решение задачи: «Определить общее количество промежуточных частиц (p), проходящих через единицу площади в направлении x в единицу времени». Максвелл получает:

что совпадает с x-компонентой уравнения (D’). Другие компоненты выводятся аналогично.

Итак, снова закон Ампера для замкнутых токов? Это так, если j = (p, q, r) — действительно ток проводимости. И здесь механическая модель позволяет Максвеллу привести аргументы, позволяющие рассматривать случаи незамкнутых токов!

Рассмотрим диэлектрик. По предположению, ему соответствует среда, где промежуточные частицы не могут свободно перемещаться от одной ячейки к другой из-за какого-то внешнего, большого сопротивления. Предположим (вместе с Максвеллом), что внутри одной ячейки (Максвелл иногда употребляет термин «молекула» для обозначения части пространства, которая пересекается одной вихревой трубкой) под влиянием индукции возможно небольшое смещение электричества «... так, что одна сторона молекулы становится наэлектризованной положительно, а другая отрицательно, но электричество остается связанным с молекулой и не переходит от одной молекулы к другой... Это смещение не представляет собой настоящего тока, потому что, достигнув определенной величины, оно остается постоянным. Но это начало тока и изменение смещения образует ток в положительном или отрицательном направлении в зависимости от того увеличивается смещение или уменьшается».

Итак, по Максвеллу, изменение скорости вихря локально связано с током (согласно уравнению (D’), но глобально в диэлектрике это не истинный ток, а ток смещения p = ∂h/∂t, где h — смещение промежуточных частиц. Величину такого смещения можно вычислить независимо, так как она определяется упругой постоянной среды и значением тангенциальной силы, действующей из-за разности скоростей вращения вихрей на среду промежуточных частиц. Вспоминая наш словарик терминов, запишем:

h = D_x, D = (D_x,D_y,D_z) = εE.

В том случае, если среда не идеальный диэлектрик, то помимо токов смещения существуют и обычные токи проводимости (с этого момента j всегда обозначает именно ток проводимости). Поэтому в левой части уравнения (D’) должен стоять полный ток j + ∂D/∂t, и Максвелл выписывает уравнение в окончательной форме:

Отсюда, уже в две строчки, после чисто математических преобразований, Максвелл выводит уравнение:

где ρ — по определению та самая величина, которая входит в правую часть уравнения (А). Смысл этого уравнения одинаков и в гидродинамике, и в электродинамике: изменение числа частиц в единичном объеме определяется током, проходящим через поверхность, ограничивающую объем.

В работе имеется сложное построение, позволяющее вычислить деформацию тела вихревых трубок и соответствующее смещение промежуточных частиц, находящихся с ними в контакте, вызванное внешней, заданной тангенциальной силой. Построение следует рассматривать как иллюстрацию того, что в рамках механической модели при определенных предположениях (которые, как отмечалось выше, не вполне совпадают с использованными в других частях работы) член ∂D/∂t в уравнении (D) действительно можно вывести.