Михаил Пупин - От иммигранта к изобретателю

Человек, открывающий один из самых замечательных фактов в новой науке, а именно, что в каждом атоме и молекуле существует определенное и равное количество положительного и отрицательного электричества и что силы между этими двумя формами электричества, скрепляющие составные части химического вещества, далеко превышают все известные в природе силы, такой человек, не может не спросить: «Что такое материя?» Читатель «Экспериментальных исследований в электричестве» радуется всякий раз, когда Фарадей, поэт и пророк, задает такие вопросы, возбуждая научную фантазию читателя, в которой скрыты ответы на эти вопросы.

Часто в этих исследованиях Фарадей ставит два других вопроса. Они могут быть сформулированы следующим образом: Что такое электричество и что такое магнетизм? Он обнаружил, что движение магнитнозаряженного тела создает электрические силы тем же способом, каким, согласно открытию Эрстедта, движение электрически заряженного тела производит магнитные силы. Эти характерные взаимоотношения между электричеством и магнетизмом действуют на воображение и заставляют его заглядывать за ту завесу, которая отделяет от нас сферу открытой истины от еще неоткрытых и неизвестных нам сфер. Любопытство исследователя заставило Фарадея поставить вопросы: что такое электричество и что такое магнетизм? Фарадей не дал окончательного ответа на эти вопросы, но его неутомимые попытки разрешить их породили новые идеи, являющиеся основой наших современных взглядов на силы природы. Одним из величайших наслаждений моей жизни было наблюдение над постепенным развитием этих новых взглядов. И если в ходе моего простого рассказа мне удастся проследить процесс развития новой физики, я буду считать, что моя книга была написана не напрасно. Если электричество и магнетизм проявляются благодаря тем только силам, которые они производят, то Фарадею было ясно, как это подтверждают его книги «Экспериментальные исследования в электричестве», что первый вопрос, который должен был быть разрешен, был вопросом: каким образом силы между электрическими зарядами и силы между магнитными зарядами передаются через промежуточное пространство — так же, как и силы тяготения, или другим путем? Пытаясь ответить на этот вопрос, Фарадей радикально отошел от взгляда натурфилософов его времени. Он стоял одиноко и посвятил очень большую часть своей экспериментальной работы и философской мысли оправданию своего положения. Он был одинок в течение долгого времени, так как он трудился над формулированием совершенно новых физических понятий, которые считаются теперь самыми фундаментальными концепциями в современном электромагнетизме. Сорок лет тому назад его современникам и ученикам, включая и меня, трудно было понять его. В речи о Фарадее, которую я прочитал будучи студентом в Берлине, Гельмгольц так говорит о трудности понимания Фарадея:

«Обычно очень трудно определить в общих чертах новую абстракцию так, чтобы при этом не появилось какого-нибудь недоразумения. Создатель нового понятия, как правило, находит, что значительно труднее узнать, почему другие люди не понимают его, чем открыть новую истину».

Для меня было утешением, когда я узнал в Берлине от такого авторитета как Гельмгольц, что я не был единственным несчастным смертным, кто безуспешно пытался разгадать смысл фарадеевских понятий.

Ньютоновский закон тяготения позволяет астрономам с помощью простой математической формулы аккуратно вычислять движение небесных тел, без всяких предположений, касающихся механизма, с помощью которого сила притяжения передается от одного тела к другому на расстоянии, как например, от солнца до земли. Формула Ньютона ничего не говорит о времени передачи. Действие может рассматриваться как действие на расстоянии как мгновенное. Опыт, казалось, показывал, что эта догадка была верна, ибо когда предполагают, что сила тяготения проходит с безграничной скоростью, ошибки не обнаруживается. Фарадей отказался принять эту веру в непосредственное действие на расстоянии для электрических и магнитных сил. Несколько слов будет достаточно, чтобы передать, как Фарадей пытался уничтожить веру в это непосредственное действие на расстоянии для электрических и магнитных сил. Эти попытки навсегда останутся в истории как первые шаги в развитии современной науки об электромагнетизме.

Начав с исходных точек в электрических и магнитных зарядах, Фарадей провел многочисленные кривые линии, которые указывали в каждой точке пространства направление электрической или магнитной силы. Таким образом всё пространство, окружающее заряды, он геометрически разделял на трубкообразные нити, которые он назвал силовыми линиями. Каждая из этих линий была построена согласно простому правилу, так, чтобы она на каждой точке в пространстве указывала не только направление, но и интенсивность силы. Специальный пример, которым я часто пользовался в Арране, иллюстрирует это следующим образом. Сферическое тело, скажем медный или латунный шарик, заряжается положительным или отрицательным электричеством. Если этот заряд в равновесии, то он, как это было хорошо известно, весь находится на поверхности сферического тела и в равномерном распределении. Его сила притяжения или отталкивания электрических зарядов в пространстве, окружающем тело, очевидно находится вдоль радиуса, проведенного от центра шарика. Эти радиусы, проведенные во всех направлениях и в достаточном количестве, создают маленькие конусы, верхушки которых лежат в центре шарика. Приспособьте размер конусов таким образом, чтобы площадь участка каждого из них была одинакова, и сделайте их общее число пропорциональным заряду на шаре. Тогда эти маленькие конусы и будут представлять фарадеевы силовые линии, потому что их направление даст направление электрической силы, и их число с каждой единицы поверхности любой концентрической сферы будет пропорционально электрической силе на любой точке поверхности этой концентрической сферы. Согласно этой схеме, каждому маленькому элементу всего заряда присуще определенное число этих конусовых нитей или силовых линий, и каждый элемент заряда на сфере есть ничто иное, как конечный пункт этих линий. Когда заряд на сфере увеличивается или уменьшается, число этих линий также пропорционально увеличивается или уменьшается и поэтому они более плотно или менее плотно теснятся в занятом ими пространстве.

Если заряд на сфере приводится в движение, силовые линии, присущие ему, также приходят в движение. До сих пор я следовал за Фарадеем, но дальше не пошел. Если бы я двинулся немножечко дальше, я бы встретился с Максвеллом. Но к моему несчастью, эта простая схема, сконструированная мной с целью облегчить понимание «Экспериментальных исследований в электричестве», над которыми я сидел в Арране, не представляла собой ничего другого, как геометрическое описание электрической силы, посылаемой заряженной сферой в любую точку пространства. Она не давала никаких дополнительных сведений к простым, хорошо известным в то время, математическим формулам. Дополнительные сведения заключались, однако, в воображении Фарадея, которые для меня и многих других смертных в то время казались странной гипотезой. Он излагал ее в своих книгах весьма пространно, и я даю здесь ее краткое описание: