В известном анекдоте учитель физики, объясняя классу, что такое переменный ток, текущий в электрической сети, нарисовал на доске синусоиду, — зигзагообразную линию, показывающую изменение тока во времени. Он долго писал формулы на доске и в заключение спросил, все ли понятно. Один из учеников кивнул на синусоиду и произнес:
— Все понятно, кроме одного: как такой кривой ток может течь по такому прямому проводу?..
Если даже теперь, спустя более века с тех пор как электричество прочно вошло в нашу жизнь, приходится сталкиваться (увы, не только в анекдотах) с тем, что понимание законов и принципов, лежащих в основе электродинамики, встречает большие затруднения, так что многие, закончив школу, продолжают оставаться в неведении насчет природы электромагнитных явлений, то на заре создания электромагнетизма его основоположникам Майклу Фарадею (1791—1867) и Джеймсу Клерку Максвеллу (1831—1879) приходилось долго искать понимания даже в среде передовых ученых своего времени. Поэтому они часто прибегали к изобретению разного рода механических моделей и образных аналогий, чтобы суть предлагаемой теории была понятней их оппонентам.
Эти модели, которым, как паровым машинам, место в музее по истории науки и техники, могут способствовать более ясному пониманию электромагнетизма теми, кто только приступает к изучению одной из самых важных и увлекательных областей современной науки.
Хотя в трудах Фарадея об электромагнитных явлениях нет ни единой формулы, его метод в ряде случаев был очень удачен. Так, введя понятие о силовых линиях магнитного поля, Фарадей сумел объяснить открытое им явление электромагнитной индукции во всех его проявлениях. Понятие о силовых линиях сохранило свое значение вплоть до нашего времени, причем открытое после создания квантовой механики квантование магнитного потока позволяет найти магнитный поток, заключенный в элементарной магнитной линии.
Максвеллу, внимательно изучавшему эксперименты Фарадея, удалось облечь его идеи в строгие математические формулировки. Это и легло в основу созданной им классической электродинамики.
Как и Фарадей, Максвелл полагал, что электромагнитные явления можно описывать не только математическими уравнениями, но и с помощью некоторых механических моделей. На реальности самих моделей Максвелл не настаивал, считая их вспомогательными построениями. Для него была важна сама возможность "измышления" таких моделей, причем не одной, а нескольких (механической, гидродинамической и т.д.), для понимания одного и того же электромагнитного явления. Эти модели в зримых образах подкрепляли его чисто математическую аргументацию.
Максвелл говорил, что каждый физик хорошо сделает, если, например, перед тем, как напишет слово "масса" или соответствующий символ, собственноручно подвесит гирю на веревке и толкнет ее. Это полушутливое замечание, иллюстрирующее предметность физического мышления английского ученого, очень характерно для него. Придумывая механические модели немеханических по своей природе явлений, Максвелл стремился придать наглядность своим математическим построениям, как бы прощупать их, словно гирьку на подвесе.
По словам французского математика Анри Пуанкаре, Максвелл не столько дает механические объяснения электрических явлений, сколько показывает саму возможность такого объяснения. Гениальность Максвелла проявилась именно в том, что его уравнения электродинамики независимы от существования механической интерпретации вообще. Модели в сущности играли роль рабочих лесов, которые были устранены за ненадобностью, когда здание электродинамики было построено.
"Инженерно-технический" подход Максвелла к построению и объяснению электродинамики, поиск доступных мысленных образов для немеханических явлений был в известной мере данью наследию Фарадея и это могло порадовать всех ищущих "грубо-зримые" пояснения сущности физических законов, что бывает нелишне особенно на первых порах знакомства с теорией. Но это вызвало негативную реакцию в стане математических физиков, один из которых писал: "Мы полагали, что вступаем в мирное и упорядоченное жилище дедуктивного разума, а вместо этого оказываемся на каком-то заводе." Однако, за Максвелла ратует успешность его построений, превзошедшая все прочие попытки в этой области, имевшие место до него.
Следуя представлениям Фарадея, Максвелл считал, что магнетизм неразрывно связан с некими вращениями, которые в рамках придуманной им механической модели реализовывались в виде маленьких "молекулярных вихрей". Предполагалось, что оси вращения этих вихрей располагаются вдоль магнитных силовых линий.
Переходя к рассмотрению этих моделей, нужно вооружиться некоторой снисходительностью и не ожидать от них большого правдоподобия, понимая, что это условные и во многом умозрительные построения.
При разработке своей модели Максвелл столкнулся с проблемой трения: в однородном магнитном поле все молекулярные вихри должны вращаться в одном и том же направлении, но при этом края двух соседних вихрей в точке соприкосновения будут двигаться в противоположных направлениях. Максвелл же хотел, чтобы соседние молекулярные вихри могли вращаться в одном и том же направлении без трения. Конструкторы машин и механизмов, столкнувшись с такой задачей, решили ее, поместив между основными шестернями дополнительное, "паразитное" колесо.
Поэтому Максвелл поместил между вихрями крошечные сферические частицы. Конечно, автор теории не гнался за точностью подгона деталей, ограничиваясь лишь пояснением самой идеи, так что недоумения по поводу шестиугольной формы вихрей и другие подобного рода вопросы являются уклонением от темы. Главное в том, что эта модель позволила Максвеллу продемонстрировать в зримых образах создание электрическим током магнитного поля.
Дело в том, что "паразитные шестеренки" играют роль элементарных носителей электричества, а их движение в зацеплении с молекулярными вихрями создает магнитное поле. магнитные линии представляют собой окружности с центрами на оси электрического тока.)
Обратим внимание на одно важное обстоятельство. При объяснении магнетизма Максвелл прибегает к терминам молекулярной физики: говорит о “молекулярных вихрях”, которые моделируют в его представлении фарадеевские линии магнитного поля. Таким молекулярным вихрем в реальности является, например, “хобот” торнадо, представляющий собой мощное завихрение атмосферы, — или круговое вращение воды, стекающей в воронку раковины.
Таким образом, предполагается наличие некоторой среды, вращение которой приводит к магнитным эффектам. О какой же среде идет речь, когда дело касается электромагнитного поля? В XIX веке эта среда считалась вполне реальной и носила особое название — электромагнитный эфир. Именно в работах Максвелла концепция эфира получила наибольшее развитие.
Одним из важнейших открытий Максвелла было установление электромагнитной природы света — он убедительно доказал, что свет представляет собой волны, распространяющиеся в электромагнитном эфире, подобно тому как звуковые волны распространяются в воздухе или в воде.
Итак, распространение света имеет аналогии в аэродинамике и гидродинамике. Но если эфир — это среда, подобная воздуху или воде, хотя гораздо более тонкая, то в принципе можно поставить вопрос об измерении скорости движения нашей планеты через эфир. К идее такого эксперимента Максвелл пришел в конце своей жизни, но реализовать ее сам не успел...
Если полагать, что Вселенная заполнена некоей всепроникающей средой, то объект, движущийся во Вселенной, такой, например, как планета Земля, обдувается “эфирным ветром”.
Земля движется вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси, — следовательно, для наблюдателя, находящегося на поверхности нашей планеты, эфирный ветер должен менять направление в зависимости от времени суток и времени года. Кроме того, по этой же самой причине, скорость света на поверхности Земли должна была бы зависеть от направления, вдоль которого она измеряется.
Американские физики Майкельсон и Морли в 1887 году, уже после смерти Максвелла, осуществили опыт по измерению скорости “эфирного ветра” по зависимости скорости света от направления его распространения (постановка и результаты этого эксперимента излагаются школьном курсе физики). Результат опыта был отрицательный: дуновение эфирного ветра не проявилось.
Данный результат был во многом неожидан и стал одной из предпосылок создания теории относительности Эйнштейна, в которой независимость скорости света от движения наблюдателя и источника является одним из исходных постулатов.
С тех пор твердо установлено, что измерять “эфирный ветер”, если таковой существует, по зависимости скорости света от движения наблюдателя лишено всякого смысла. Проблема перешла совсем в другую плоскость — уже в рамках теории относительности и квантовой механики, лежащих в основе современной физики. Так, наивная попытка измерить скорость эфирного ветра привела к революции в физике в начале XX века.
Разумеется, с созданием теории относительности, понятие эфира в традиционном плане утратило смысл. В переносном, образном смысле это слово, превратившись в клише, иногда звучит еще в речи дикторов по радио или телевидению, когда они объявляют, что “сегодня в эфире” будут такие-то передачи. Мы воображаем эфирные волны, которые несут в антенны наших радио и телевизоров ту или иную информацию.
Но неужели сама физическая концепция эфира и его вихревых движений, возникшая в работах классиков электромагнетизма, верой и правдой служившая ученым несколько десятилетий, окончательно канула в Лету, неужели те шестеренки, которые рисовал Максвелл в своих работах, окончательно отработали свой срок ?
Это и так, и не совсем так.. В настоящее время проблема эфира снова поднимается, но уже на следующем витке, на новом этапе развития физики — и снова в связи с работами Фарадея и Максвелла, которые нашли переосмысление в рамках современных достижений физики. Теперь уже никто, конечно, в здравом рассудке не будет измерять эфирный ветер по принципу Майкельсона и Морли.
Электродинамика и в наши дни продолжает оставаться живой и развивающейся областью науки, в которой еще много работы для новых Фарадеев и Максвеллов, много дискуссионных тем, ждущих своего решения. Тем, кто только начинает углубляться в физику, можно порекомендовать и самому не пренебрегать "измышлением моделей" для облегчения понимания математических законов, поскольку это помогает лучше постигнуть физическую реальность, стоящую за уравнениями. Однако, нельзя забывать, что слишком буквальное следование механическим моделям, слепое перенесение их свойств на реальные явления, как показало развитие послемаксвелловской физики, чревато заблуждениями, — такими, например, как попытка обнаружить эфирный ветер в опыте Майкельсона—Морли. И все же такие заблуждения могут быть плодотворны, выводя наши знания о природе на новый уровень. Пусть взгляды Фарадея и Максвелла были в чем-то противоречивы, но решение этих противоречий оказало благотворное влияние на науку.
Так что модели Максвелла не совсем утратили свое значение и могут с успехом использоваться теми, кто делает только первые шаги в постижении электродинамики, — теми, кто, достигнув нужного понимания, как и Максвелл в свое время, оставит потом эти модели, как детские игрушки, будучи, однако, благодарен им за найденное понимание.