Ринат Нугаев - Максвелловская научная революция

Так же как Коперник, который, предположив, что Земля – обычная планета, вращающаяся вокруг Солнца, и создав тем самым гибридный объект, распространил математические принципы на земные явления, а физические – на небесные, Максвелл, введя гибридный объект – ток смещения – положил начало распространению принципов электромагнетизма на оптические явления, а принципов оптики – на явления электромагнитные.

Фактически используя в физике « принцип дополнительности», он завершает свое обсуждение в XXIII главе « Теории действия на расстоянии », дав следующий сравнительный анализ полевых и корпускулярных подходов: «Но мы не в состоянии понимать распространение во времени иначе, как только двумя способами: или как полет материальной субстанции через пространство или как распространение состояния движения или напряжений в среде, уже существующей в пространстве» (Максвелл, [1873], 1952, С. 631).

Т.е. то, что там движется между проводниками и магнитами, мы не знаем, но если мы попытаемся описывать это «что-то» при помощи наших обычных понятий, то у нас нет других аналогий, нежели «частицы» и «волны».

И это – уже зародыш современного подхода; действительно, как много позже охарактеризовал эту ситуацию Ричард Фейнман, «все зависит от ваших предрассудков. Многие физики часто говорят, что прямое действие сквозь пустоту, сквозь ничто, немыслимо. (Как они могут называть идею немыслимой, если она уже вымышлена?)…Единственная разумная постановка вопроса – спросить, какой путь рассмотрения электрических эффектов наиболее удобен»(Фейнман, Лейтон, Сэндс, 1966, т. 5, С. 24-25).

Одни предпочитают частицы, «другим по душе» поля. И силовые линии – это всего лишь «грубый способ описания поля». У них имеются свои достоинства, – они дают наглядную картину, – но есть и свои недостатки. Если мы, например, говорим о «линиях» Eи B,то не нужно преувеличивать реальность их существования. Линии могут исчезнуть, если мы захотим их увидеть в другой системе координат.

Но вернемся к максвелловской синтетической исследовательской программе.

Вплоть до самых своих последних дней сам Максвелл ничего не говорил ни о том, как генерируются электромагнитные поля, ни о том, каким образом в его теории объясняются отражение и преломление света. Поэтому задачу извлечения из « Трактата об Электричестве и Магнетизме » согласованной теории, равно как и придание ей необходимого «рабочего» вида, необходимого для сопоставления с экспериментальными данными, предстояло решить его ученикам – «максвелловцам» (the Maxwellians). Так принято называть Френсиса Джорджа Фицджеральда (1851—1901), сэра Оливера Лоджа (1851—1940) и мистера Оливера Хевисайда (1850—1925).

Следующий шаг в последовательном объединении оптики и электромагнетизма, т.е. в распространении принципов электродинамики на оптические явления, сделал в 1879 г. ирландский физик Френсис Фицджеральд, который обратился к забытой работе своего соотечественника Джеймса Мак-Кулоха (1839). Последний вывел, на основе гамильтоновой формулировки волновой оптики, уравнения, описывавшие основные оптические явления – такие как отражение, преломление и двойное преломление света. Фицджеральд смог инкорпорировать теорию Мак-Кулоха в электромагнитную теорию света, несмотря на ее известные трудности: как еще в 1862 г. показал Г. Стокс, она приписывала эфиру такие эластичные свойства, которые резко отличались от свойств всех известных тогда веществ (подробнее см: Buchwald, 1985).

«Вывод Фицджеральда был неотвратим: если теория Максвелла хотела выжить, она должна полностью отказаться от опоры на эластичный твердый эфир и создать принципиально новый базис. Попытки же произвести « гибридную» теорию, подобную той, которую сам Максвелл создал для объяснения эффекта Фарадея, должны быть категорически пресечены» (Hunt 2005, p. 529).

В работе 1864 г. « Динамическая теория электромагнитного поля » (III]) Максвелл поставил своей целью переполучить уравнения электромагнитного поля не из сомнительных модельных представлений, а из принципа наименьшего действия, из лагранжиана, специально сконструированного для электромагнитного поля. Но для этого лагранжиан сначала надо правильно построить, что Максвелл и делает, исходя из определенных «очевидных» умозрительных принципов.

Общие уравнения в дальнейшем применяются им к случаю магнитных возмущений, и демонстрируется, что единственные возмущения, которые могут распространяться, это возмущения, поперечные к направлению распространения.

Здесь Максвелл уже по-другому оценивает соотношения между своей собственной исследовательской программой и программой Ампера-Вебера. Теперь он усматривает достоинство своей программы в том, что предлагаемый им подход имеет более общий характер, описывая энергию не только в самих телах, но и пространстве, которое их окружает.

И, наконец, творчество Максвелла завершает объемный « Трактат об электричестве и магнетизме » [IV], задуманный как энциклопедия явлений электричества и магнетизма. В духе второй половины XIX в. наследник традиций не только кантовской эпистемологии, но и контовского позитивизма ставит в качестве своей основной цели, относящейся к явлениям электричества и магнетизма, «проследить математические соотношения между измеряемыми величинами ».

Максвелл отмечает, что воззрения Фарадея, даже выраженные на языке математики, ничем в лучшую сторону не отличаются от воззрений Ампера и Вебера, и должны быть включены в конструируемую теоретическую схему в качестве равнозначного частного случая. Здесь налицо попытка использовать своего рода «принцип дополнительности». Максвелл понимал, что то, что мы называем «объектами», «силами» и «полями», является нашими попытками отображения реальности, которая непосредственно нашим чувствам недоступна, и может быть строго описана только на математическом языке. Последний может описывать не глобальные, «онтологические» свойства самой реальности, но лишь отношения между ее частями.

На двадцати с лишним страницах главы своего « Трактата » Максвелл построил лагранжиан, представляющий собой разность кинетической и потенциальной энергий, только для случая замкнутых токов. Тем не менее при переходе к случаю электромагнитных возмущений в пустом пространстве, требующего токов незамкнутых, он просто «руками» прибавил ток смещения к току проводимости.

Этот небольшой шаг Максвелла фактически подрывал главную притягательность использовавшегося им метода Лагранжа и, следовательно, достоверность вывода об электромагнитной природе света. Неслучайно первое экспериментальное доказательство существования тока смещения было дано только в опытах Герца (1888).