Владимир Карцев - Максвелл

Тех, кто оказался в состоянии осиливать и его лекции, и его «Трактат»...

«Трактат» содержал все, что знал и передумал Джеймс Клерк Максвелл об электричестве и магнетизме, причем собственные его взгляды и разработки не заняли в книге подобающего им места — стремление рассказать все об электричестве, дать систематический учебный курс привело к тому, что работы самого Максвелла несколько отошли в этом труде на задний план.

Максвелл хотел дать практическое пособие для ученых, инженеров и студентов и не заботился о том, какое место в общей картине знаний по электричеству займут его имя, его труды.

Уже в предисловии Максвелл пишет о том, что имеющиеся в библиотеках учебники и пособия по теории электромагнетизма не отвечают потребностям людей, работающих в настоящей научной лаборатории, совсем уже не учебной, людей, которым приходится делать хитроумные и точные измерения. Не без яда Максвелл упоминает о многопудовых учебниках по электричеству, лежащих без применения, пылящихся на полках библиотек, — эти учебники были далеки от практических задач и зачастую попросту непонятны.

Исправляя эту ошибку, Максвелл значительную часть «Трактата» посвятил изложению методов измерения и описанию измерительной аппаратуры.

Максвелл дал полный обзор всех до тех пор созданных теорий электричества и магнетизма. Максвелл справедлив и великодушен. Он признает их значение для развития физики и прямо говорит, что теория Ампера непревзойденна по точности, а формула Ампера, определяющая силу взаимодействия токов, навсегда останется в золотом фонде любой теории электромагнетизма.

В «Трактате» сформулированы «уравнения Максвелла».

В «Трактате» есть, по сути дела, все те же уравнения, что и в «Динамической теории». Но выведены они иным путем, более закономерным и обоснованным.

Максвелл подбирается к уравнениям издалека. Неторопливо идет вначале повествование о размерностях физических величин. Затем столь же медленно и систематически даются основы векторного исчисления.

Затем — четыре части: электростатика, электрокинематика, магнетизм, электромагнетизм. Казалось бы, и здесь нет существенных различий с общепринятой методикой изложения. Каждая часть начинается со спокойного изложения исходных экспериментов и основных понятий.

Но вот метод исследования Максвелла резко отличается от методов других исследователей. Не только каждая математическая величина, но и каждая математическая операция наделяются глубоким физическим смыслом. В то же время каждой физической величине дается четкая математическая характеристика.

Одна из глав «Трактата» (девятая глава четвертой части) называется «Основные уравнения электромагнитного поля». Здесь, казалось бы, и должны быть сосредоточены основные уравнения электромагнитного поля. И действительно, нумерация уравнений здесь меняется: они начинают обозначаться не цифрами, а буквами, что, видимо, должно обратить внимание на их важность. Но читатель с удивлением может заметить, что нумерация уравнений, отмеченных буквами, начинается в этой главе сразу с D, а уравнения под номерами А, В, С были приведены уже в предыдущей главе. Таким образом, в главе «Основные уравнения» даны не все уравнения.

Но это еще не все. Уравнения, отмеченные буквами, кончаются буквой L. Их двенадцать! Их слишком много! Максвелл, чувствуя это, оправдывается перед читателем:

«Наша цель в настоящий момент состоит не в получении компактности математических формул, а в выражении каждого известного нам соотношения, и исключение величины, выражающей полезную идею, было бы скорее потерей, чем выигрышем на данной стадии исследования».

С помощью векторного исчисления Максвелл более просто сделал теперь то, что раньше сделал с помощью механических моделей, — вывел свои уравнения электромагнитного поля.

Впоследствии уравнения Максвелла были «расчищены» Герцем и Хевисайдом. Они сократили число уравнений Максвелла до четырех, самых важных. Эта система уравнений употребляется до сих пор.

Трудно поверить, что в области электричества и магнетизма не существует ни одного факта, противоречащего или не ложащегося в рамки этой системы четырех уравнений.

Уравнения Максвелла при простой форме записи очень сложны. Их не всякий сможет решить или применить к нужному случаю. Но смысл уравнений прозрачен, и в их содержании сравнительно просто разобраться.

Первое уравнение означает, что электрическое поле образуется зарядами и силовые линии этого поля начинаются и кончаются на зарядах.

Второе уравнение постулирует замкнутость магнитных силовых линий, отсутствие свободных магнитных зарядов. Магнитные силовые линии нигде не начинаются, нигде не кончаются — они замкнуты.

Третье уравнение говорит о том, что магнитное поле создается током, включающим в себя открытый Максвеллом ток смещения. Это обобщение и дополнение всей электродинамики Ампера.

Четвертое уравнение отражает закон электромагнитной индукции Фарадея — возникновение электрического поля за счет изменения индукции магнитного поля. Любое изменение магнитного поля приводит в соответствии с этим уравнением к возникновению в пространстве особого, вихревого электрического поля.

Два последних уравнения привели Максвелла к предсказанию существования электромагнитных волн. Вокруг магнитных силовых линий возникают тут же электрические силовые линии, вокруг которых, в свою очередь, создаются магнитные — и за счет этого в пространстве, от точки к точке, передается электромагнитное возбуждение.

Если попытаться вычислить из уравнений скорость распространения электромагнитной волны, то получится, что она равна отношению электромагнитной и электростатической единицы измерения. Совпадение этой величины со скоростью света было известно давно, со времен Кольрауша и Вебера, но никто до Максвелла не смог усилием мысли придать этому, казалось, случайному совпадению глубокий физический смысл. Исследовательский метод Максвелла проявил в доказательстве электромагнитной природы света свое высшее достижение.

Важнейшим следствием электромагнитной теории света было предсказанное Максвеллом давление света. Ему удалось подсчитать, что в случае, когда «в ясную погоду солнечный свет, поглощаемый одним квадратным метром, дает 123,1 килограммометра энергии в секунду, он давит на эту поверхность в направлении своего падения с силой 0,41 миллиграмма».

Таким образом, теория Максвелла укреплялась или рушилась в зависимости от результатов еще не осуществленных экспериментов.