История эфира
Шрифт:
В 1861 году никаких экспериментальных оснований для введения тока смещения не было. Почему же Максвелл говорит о больших трудностях, с которыми он столкнулся при попытке обобщения закона Ампера на случай незамкнутых токов? Очевидно, речь идет о математических трудностях, и одна из них видна сразу — невозможность согласовать уравнение непрерывности в форме (Е) с другими уравнениями теории. То, что Максвелл вывел уравнение (E), исходя из уравнения (D), не должно вводить в заблуждение. Нет сомнений, что формулу уравнения непрерывности Максвелл знал заранее.
Мы уже сталкивались с тем, что последовательность утверждений в статьях Максвелла (как, впрочем, у любого физика-теоретика) может не повторять последовательность, в которой они были найдены. Построение непротиворечивых
Учтя эти замечания, мы найдем еще один аргумент в пользу уравнения (D). Из него (в сочетании с другими уравнениями, которые раньше уже были известны Максвеллу) вытекает замечательное следствие. Рассмотрим для простоты среду без зарядов и токов (j = ρ = 0). Пусть также μ = ε = 1, что отвечает разреженному воздуху или пустоте. (Подчеркнем, что в представлениях Максвелла пустота — это эфир, поэтому все оснащение механической модели — вихри, холостые колесики и пр. — существует и в пустоте). Тогда окажется, что уравнения для E и H имеют решения, отвечающие волновому процессу, который распространяется в пространстве со скоростью c. Откуда взялся этот новый размерный параметр?
Как видно из уравнения (В), поля E и Н имеют разную размерность: размерность E = (см/с) x размерность Н. Можно было бы с самого начала привести E и Н к одной размерности, но тогда параметр скорости с будет явно фигурировать в законе Фарадея (B). Все это было хорошо известно и до Максвелла. Более того, в 1857 году величина c была экспериментально установлена Вебером и Кольраушем при измерении отношения электростатических и электромагнитных единиц измерения силы тока. Они нашли с = 3,1074∙1010 см/с, но не отнеслись достаточно серьезно к тому, что это значение оказалось очень близким к известной в то время из опыта Физо скорости света 3,1486∙1010 см/с. (Сейчас мы знаем более точно: с = 2,9979∙1010 см/с.)
Отметим еще одно совпадение — в 1857 году Кирхгоф обнаружил, что скорость распространения электрического тока по проводу тоже близка к c. Совершенно очевидно, что к концу 50-х годов здесь, как в известной детской игре, становится «горячо».
Так вот, из уравнений Максвелла очень просто следует, что в пустом пространстве волны распространяются со скоростью с, при этом вектора E и Н колеблются, оставаясь перпендикулярными друг другу и направлению распространения волны. Таким образом, скорость, поперечный характер колебаний, степени свободы, соответствующие поляризации — все как у света! Отсюда следует естественный вывод: такие колебания и есть свет. Максвелл формулирует аккуратнее и осторожнее: «... мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Он специально подчеркивает эту фразу, как главный результат работы.
Здесь следующий удивительный момент. Невозможно сомневаться, что Максвелл знал формально-математический вывод волнового уравнения для E и Н. (Это было простым упражнением для студента даже в то время.) В более сложной постановке задачи Максвелл приводит этот вывод, но только через три года — в третьей статье. С другой стороны, без него, используя только механическую аналогию, нельзя доказать, что скорость распространения электромагнитных колебаний в точности равна с. (Можно лишь сделать утверждение о порядке величины.) Но тем не менее, такого вывода волнового уравнения нет в обсуждаемой статье, нет даже упоминания о нем! Приводится только решение механической задачи, которая формулируется так: «Найти скорость распространения поперечных колебаний через упругую среду, из которой состоят ячейки (вихри) в предположении,
Рассказывают, что однажды Л.Д.Ландау воскликнул, обращаясь к своему собеседнику: «Как Вы можете делать вычисления, если заранее не знаете, что хотите получить?» Это качество крупного физика-теоретика — заранее видеть ответ сложной задачи — в том же ряду, что и, скажем, способность композитора мгновенно слышать содержание всей симфонии. Максвеллу нельзя отказать в этом качестве. Поэтому естественно предполагать, что введение тока смещения было в равной степени стимулировано как уравнением непрерывности в форме (Е), так и существованием волновых решений. Связь этих фактов, совершенно независимая от модели, несомненно, была ясна Максвеллу в 1861 году. А что послужило причиной, что следствием — нам никогда не дано узнать. Подчеркнем также, что Максвелл мог специально стремиться к электромагнитной теории света, потому что сама идея была не нова — ее обсуждал Фарадей. (У Фарадея в статье «Размышления о вибрациях лучей» (1846) говорится, конечно, без всяких доказательств, о возможности распространения возмущений в «линиях силы» со скоростью света.) Кроме того, Максвеллу были известны численные совпадения между результатами опытов Физо, Вебера-Кольрауша и Кирхгофа.
Хочется сделать еще одно предположение. В последующие три года Максвелл был обязан предпринимать попытки усовершенствования своей механической модели и устранения в ней бросающихся в глаза дефектов. При этом он должен был постепенно привыкать к осознанию той же трудной истины, которую примерно через 20 лет сформулировал для себя Г. Герц, отчаявшись найти какое-то дополнительное содержание в максвелловской механической конструкции: «Теория Максвелла — это его уравнения».
Процесс завершился в 1864 году статьей «Динамическая теория электромагнитного поля». «Материальное» обоснование уравнений исчезает — от Чеширского Кота остается одна улыбка. Но даже тридцать лет спустя О. Хэвисайд еще напишет Г. Герцу (эти два человека в наибольшей степени способствовали упрощению и пониманию уравнений): «Нет сомнений, что максвелловская теория смещений и индукции в эфире должна остаться ... Бумажной Теорией до тех пор, пока мы не знаем, какие функции эфира описывают D и B!».
Кто мог представить в XIX веке, что эфиру суждено умереть, вопрос о его функциях отпадет сам собой, а «Бумажная Теория» Максвелла в своей области применимости будет описывать все, что в принципе можно пытаться узнать, о Природе?
Послесловие
Книга М.В. Терентьева «История вакуума» заканчивается изложением электродинамики Фарадея—Максвелла. Смерть не позволила Михаилу Васильевичу завершить эту книгу.
Цель этого послесловия — кратко описать историю концепции эфира после Максвелла. Последние десятилетия XIX века физики усиленно пытались создать непротиворечивую теорию. Однако, чем больше они старались, тем больше накапливалось противоречий. Опыты Майкельсона, показавшие, что скорость света не зависит от движения источника света относительно эфира, углубили противоречия, связанные с этой концепцией.
В 1905 году была опубликована статья Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой была создана специальная теория относительности. Основываясь на двух постулатах: принципе относительности, который заключается в том, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах координат, и конечности скорости света, Эйнштейн разрешил все имеющиеся в электродинамике противоречия. Введение светоносного эфира оказалось излишним, и теория эфира стала одним из тупиковых направлений в науке. У физиков возникла стойкая аллергия на слово эфир, и оно исчезло из научной литературы. Созданная Эйнштейном в 1916 году общая теория относительности, в принципе, завершила построение классической физики.