Вопрос о том, как передается действие от одного тела к другому, приобрел особую остроту в связи с установлением закона всемирного тяготения. Учение об электричестве и магнетизме на рубеже XVI-XVII вв. только зарождалось, а в области тяготения в результате работ Ньютона был уже сформулирован в математической форме закон тяготения. Но этот закон не давал ответа на другой вопрос, каким образом удаленные друг от друга тела действуют друг на друга. В этот период и возникают две точки зрения на проблему передачи действия на расстояние.

Родоначальником одной из них является французский мыслитель Рене Декарт. Декарт и его последователи (картезианцы) пытались объяснить тяготение, не прибегая к понятию силы, и представить его как чисто кинематический эффект, обусловленный движением любого вещества, заполняющего все пространство, невесомого флюида – эфира. Некоторое представление о таком объяснении может дать хотя бы следующая мысль в духе Декарта. В жидкости, которая вращается в сосуде, легкие тела устремляются (как бы тяготеют) к оси вращения и подобно этому в вихре среды, заполняющей мировое пространство, вызванном вращением Солнца, планеты испытывают тяготение к Солнцу. И свет, по Декарту, рассматривался как давление, передающееся частицами Среды от источника к глазу. Электрические и магнитные явления объяснялись вихрями тонкой материи, которая выходит, например, из одного полюса магнита и входит в другой, действуя при этом на железные тела, находящиеся вблизи магнита.

Все объяснения такого рода совершенно искусственны и не вытекают из опытных фактов. Но объяснения Декарта получили широкое распространение, потому что были просты и наглядны. Для нас важны не сами эти объяснения, а лежащая в их основе идея: тяготение, электрическое и магнитное действия передаются от тела к телу через среду.

Принцип, согласно которому действие передается через среду в течение некоторого времени, получил название принципа близкодействия. Этот принцип берет свое начало от Декарта, хотя попытки объяснить передачу действия за счет существования особой среды – эфира можно найти и у древних мыслителей, справедливо полагающих, что “тело не может действовать там, где его нет”. В том же духе объяснял электрические явления и английский ученый Вильям Гильберт.

Однако при всей внешней простоте кинематические представления о тяготении были абсолютно бесплодны – из них не вытекало ничего нового. Поэтому картезианские идеи не смогли долгое время выдерживать конкуренцию с теорией тяготения, выдвинутой Ньютоном.

Из закона тяготения Ньютона вытекало множество следствий и объяснений различных земных и небесных явлений. Так, например, закон объяснял, почему движение планет подчиняется законам Кеплера. Ньютоновское объяснение тяготения сводилось к утверждению о том, что на каждое тело со стороны других действует сила, вычисляемая по установленному им закону. Почему эта сила действует, как передается тяготение на огромные расстояния, т.е. каков механизм тяготения, Ньютон объяснить не смог, так как не было необходимых фактов, на базе которых можно было бы построить обоснованную гипотезу, а надуманных гипотез он не признавал. Последователи Ньютона (ньютонианцы), восхищенные успехами построенной им теории, довели до абсурда его тезис “Гипотез я не измышляю”– стали вообще отрицать необходимость отыскания причин явлений, считая, что для объяснения всех явлений надо просто вводить соответствующие силы, не задумываясь об их происхождении.

Эта тенденция утвердилась в физике на долгие годы. Ньютон был бесспорно прав, отрицая умозрительные и надуманные гипотезы картезианства и не ставя преждевременного в ту эпоху вопроса “почему?”.

Таким образом, от работ Ньютона берет начало второй принцип, связанный с проблемой взаимодействия, – принцип дальнодействия, согласно которому действие передается от тела к телу без участия какой-либо промежуточной среды, и притом мгновенно.

Таким образом, к XVIII в. оформляются две точки зрения на проблему взаимодействия. Одна основана на принципе дальнодействия, другая – на принципе близкодействия. Влияние взглядов Ньютона на последующее развитие физики было столь велико, что и учение об электричестве и магнетизме строилось в духе ньютоновской концепции дальнодействия, требующей установления математических законов взаимодействия электрических и магнитных сил без выяснения их природы. Так было вплоть до эпохи Фарадея – Максвелла.

Но помимо вопроса о том, как взаимодействуют магнитные и наэлектризованные тела, требовали решения другие вопросы: что такое электричество и магнетизм? Чем магнитные и наэлектризованные тела отличаются от “обычных” тел и друг от друга? И теория электромагнитного поля не могла быть создана до установления взаимосвязи электричества и магнетизма. Обращусь теперь к рассмотрению развития взглядов на природу электричества и магнетизма.

Первоначально электрические и магнитные явления отождествлялись, так как было известно, что наэлектризованные тела, как и магнитные, лишь притягивают другие тела. Первая серьезная работа в области электричества и магнетизма принадлежит В. Гильберту (1600 г.), который, изучая магнитные явления, резко отграничивает их от электрических (магнитные свойства “вечны”, электрические же можно возбудить и уничтожить, в отличие от электрических взаимодействий магнитные проявляются и как притяжения и как отталкивания; электрические слабее магнитных). Исследование электрических явлений пошло значительно быстрее после создания первого генератора электричества – электрической машины Отто фон Герике, бургомистра немецкого города Магдебурга, человека изобретательного ума, дипломата, общественного деятеля, инженера и тонкого экспериментатора, который на шестом десятке лет после своих знаменитых опытов с “магдебургскими полушариями” занялся электричеством. Вращающийся шар из серы при трении о ладонь руки позволил Герике получать большие электрические заряды. Он обнаружил притяжение и отталкивание зарядов, электрическую искру, а также проводимость льняных ниток.

Спустя семь десятков лет голландским ученым Мушенбруком был получен новый источник больших электрических зарядов – первый конденсатор – лейденская банка. Желая зарядить воду в стеклянной банке, Мушенбрук опустил цепочку от генератора в сосуд с водой, а потом вынул ее. О том, что он при этом испытал, говорят слова из его сообщения: “Я думал, что пришел конец” и “не согласился бы подвергнуться еще раз такому испытанию даже за королевский трон Франции”. Опыты с лейденской банкой,

Луиджи Гальвани (1737-1798) – анатом по профессии. Случилось так, что при препарировании лягушек в его лаборатории кто-то привел в действие электрическую машину. В момент проскакивания электрической искры мышцы препарированной лягушки, к которой в это время прикасались скальпелем, стали сокращаться. Как было не заинтересоваться этим – может быть электричество оживляет организм? Гальвани вывешивал препарированные лапки лягушки на открытом воздухе, чтобы проверить, будет ли возникать эффект под действием атмосферного электричества во время грозы. Мышцы во время грозового разряда сокращались. Но к удивлению ученого, они сокращались и при ясной погоде. Причина была в том, что лапки подвешивались на медных крючках к железной ограде и при контакте разнородных металлов возникала разность потенциалов, вызывающая раздражение нервов и потому сокращение мышц.

Гальвани же сделал вывод о существовании “животного электричества”, считая, что мышца и нерв есть своеобразная лейденская банка, источник электричества, замыкаемый проводником. Открытие Гальвани вызвало бурю страстей, сравнимую, по свидетельству современников, лишь с бурей, вызванной французской революцией. И не мудрено: если “оживают” ткани лягушек, так, может быть, можно воскрешать электричеством мертвых?

От искушения повторить опыты Гальвани не устоял и сорока шестилетний профессор А. Вольта (1745-1827), известный к этому времени ученый, изобретатель электрофора, талантливейший лектор, в аудиторию которого собирались не только со всей Италии, но и из других европейских стран. Он обратил внимание на то, что содрогание лапок лягушки наблюдается лишь тогда, когда нерв и мышцы соединяются разнородными материалами.

Первые опыты Вольта очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую – под него; при соединении их проволокой ощущался такой же вкус, как и при “пробовании на язык” проводов от известных в то время источников электричества. В результате ряда опытов Вольта убедился в том, что ткани организма не источник, а индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов. Открыв контактное электричество, Вольта создает к 1800 г. первый источник постоянного тока – “вольтов столб”, состоящий из стопы чередующихся цинковых и серебряных кружков, разделенных картонками, смоченными соленой водой. По его предложению получаемое таким образом, электричество называют гальваническим (в дань уважения к тому, чьи опыты натолкнули Вольта на открытия).

Эти открытия приносят Вольта необычайную славу. Наполеон приглашает его в Париж, где его осыпают почестями и наградами, избирают членом сената. Но к чести Вольта, почести не вскружили ему голову. Он чуждался всей той шумихи, которая создавалась вокруг него, предпочитая свою лабораторию дворцам и гостиным, и до конца своих дней сохранил честность, бескорыстие и прямоту.

Создание длительно действующего источника электричества позволило начать изучение действий постоянного электрического тока. Прежде всего устанавливается химическое действие (сначала разложение воды на кислород и водород, а затем выделение из щелочи новых элементов Na и K – Дэви, 1808 г.). Обнаруживается и тепловое действие (нагревание проводников током, электрическая дуга, полученная в 1803 г. петербургским профессором В.В. Петровым, который построил самую большую в то время батарею из 2100 элементов). А с 1820 г. начинается целая цепь открытий, знаменующих появление новой области – электромагнетизма, и вплотную подводящих физику к понятию поля.

В 1808 г. к причалу одного из французских портов едва добрался своим ходом полуразрушенный молнией военный корабль. На борт его поднялась комиссия, в состав которой входил Франсуа Араго, блестящий ученый, ставший в 23 года академиком, человек необычайного темперамента. Араго обратил внимание, что стрелки всех компасов были перемагничены в результате удара молнии. Подобных фактов к этому времени у Араго накопилось изрядное количество. Казалось бы, вывод о связи электричества и магнетизма напрашивается сам собой, но Араго не сумел его сделать: ведь электрическая природа молнии была не так давно доказана Франклином и это еще требовало осмысления.

Честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому ученому Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851). Диалектическая идея о взаимосвязи явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставляла его целенаправленно искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего открытия он пишет: “Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит”. Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.

15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника током. Вблизи установки находилась магнитная стрелка, и кто-то из наблюдательных студентов обратил внимание, что при прохождение тока стрелка поворачивалась (правда, это не единственная версия по поводу данного открытия). Эрстед тщательно изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение (21 июля 1820г.).

Открытие Эрстеда вызвало сенсацию. В августе 1820 г., через несколько дней после публикации Эрстеда, опыт производится на Женевском съезде естествоиспытателей, в котором участвует Араго. А 11 сентября на заседании Французской академии Араго уже ставит опыт Эрстеда. В числе других его с волнением наблюдает и Ампер (1775-1836), которому суждено было глубже других понять суть нового открытия и заложить основы электромагнетизма – учения, вершиной которого стала теория создания электромагнитного поля. Теперь счет истории создания нового направления исследований идет уже по дням. 11 сентября Ампер наблюдает опыт Эрстеда в исполнении Араго, а на следующем заседании академии – 18 сентября сам выступает с докладом, в котором выдвигает мысль о том, что поскольку ток вызывает ориентацию магнитной стрелки, то и ориентация стрелки компаса под действием земного магнетизма вызвана токами, текущими в Земле с востока на запад. Но тогда логично предположить, что и магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых токов, циркулирующих в магните в плоскостях, перпендикулярных его оси. А тогда взаимодействие магнитов есть, по сути дела, взаимодействие циркулирующих в них “молекулярных токов”, т.е. ток должен действовать на ток. Если выдвинутые гипотезы верны, то нет нужды в “магнитных жидкостях”, “магнитных истечениях”, с помощью которых по традиции и объяснялись магнитные взаимодействия.

Ампер смело выступает против освященных десятилетиями традиционных взглядов. Эта смелость идет не только от оригинальности и широты мышления гения, но и в значительной мере от мировоззрения Ампера. Он – сторонник ньютоновского метода принципов, согласно которому незачем выдумывать излишних гипотез. Руководствуясь идеей общности в явлениях природы и принципом “природа не излишествует в причинах”, он был против введения множества невесомых: “Разве надо для каждой новой группы

Не буду подробно рассматривать всего, что сделал Фарадей для физики, перечислю лишь основные его открытия, остановившись подробно только на работах, связанных с обоснованием концепции близкодействия. К числу основных открытий Фарадея относятся следующие:

• открытие сжижения газов и предвидение существования критической температуры;
• открытие вращения проводника с током вокруг магнита, что явилось прообразом современного электродвигателя;
• открытие явления электромагнитной индукции и самоиндукции, что позволило ему создать первую действующую модель униполярной динамо-машины;
• доказательство единой природы разного вида электричества, получаемого различными способами;
• установление законов электролиза и выдвижение идеи об атомарности электричества;
• создание теории электростатической индукции и поляризации диэлектриков, введение понятия диэлектрической проницаемости;
• изучение магнитных свойств вещества, открытие диа- и парамагнетизма;
• изучение проводимости газов;
• открытие вращения плоскости поляризации света под действием магнетизма;
• создание основ учения о поле.

Обращусь к тем работам Фарадея, которые наиболее близки к проблеме поля, и прежде всего к открытию электромагнитной индукции.

Опыты Эрстеда и работы Ампера, доказавшие связь электричества и магнетизма, вызвали у молодого Фарадея глубокий интерес к электромагнетизму. И это понятно – идея взаимосвязи явлений, единства сил природы была ведущей и мировоззрении Фарадея: “Я давно придерживаюсь мнения, ставшего почти убеждением, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение или ... так взаимосвязаны, что они могут превращаться друг в друга”. Не удивительно поэтому, что уже в 1821 г. он записывает в своем дневнике в качестве задачи: “Превратить магнетизм в электричество”. После этого он все время носит в кармане магнит и проволоку, может быть, для того, чтобы они были постоянным напоминанием о поставленной цели и всегда были под руками для проверки возникающих мыслей.

Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль: если за счет электричества создается магнетизм, то должно быть справедливым и обратное суждение. Мысль Фарадея 11 лет занята этой проблемой, но способ ее решения долго не давался в руки.

Почему идея тех опытов, которые может выполнить ныне каждый старшеклассник, оказалась столь трудной для Фарадея, человека необычайного ума? Причин тут много. И прежде всего трудности теоретического характера. В науке того времени только зарождались понятия электрического тока, силы тока, напряжения, была неизвестна природа магнетизма. К этому добавлялись трудности технического характера. Чтобы ныне обнаружить ЭДС индукции, используют многовитковую катушку. В то время только что узнали о том, что магнетизм тока усилится, если провод скрутить в спираль, но еще не имели способа изолировать провод. Индукционные токи на уроках физики регистрируются ныне гальванометром с чувствительностью 10 ^-5 А/дел, а тогда ток измерялся по отклонению магнитной стрелки. Чтобы стрелка заметно отклонилась, надо было пропускать по проводнику большой ток, а индукционные токи слабые. К тому же стрелка–индикатор не должна испытывать влияния магнита, которым возбуждается ток. Для этого катушку удаляли от индикатора подчас в другое помещение. Вдвинув магнит в катушку, надо было идти смотреть на стрелку–индикатор, которая, естественно к этому времени уже приходила в состояние покоя. Отсутствие эффекта связывали со слабостью магнита. Так что 11 лет поисков для того времени – срок вполне объяснимый.

Строго говоря, явление электромагнитной индукции обнаружил раньше Фарадея Джозеф Генри, американский физик, который одним из первых начал изолировать не магнит от голого провода, а сам провод, обматывая его полосками шелка. Но Генри не сообщил о своем открытии, увлекшись опытами по созданию электромагнитов, и к тому же у него была и другая причина – его высокая требовательность: “хотелось свести полученные результаты в какую-то систему”.

Фарадей же идет не на ощупь, он сознательно ищет эффект, подсказанный ему его общими взглядами на мир. Он варьирует ЭДС батареи, магниты, габариты и формы проводников, число витков в катушке. Очень общая первоначально идея постепенно конкретизируется. Уже в 1825 г. он высказывает мысль: если ток действует на магнит, то и сам ток должен испытывать противодействие со стороны магнита, но изменения тока в катушке при введении в нее магнита не обнаружилось (слабой была, конечно, возникшая в этом опыте ЭДС индукции),

Тогда Фарадей выдвигает другую мысль. Ток есть движение электрической жидкости, которая, перемещаясь по виткам соленоида, вызывает, по гипотезе Ампера, круговые токи в железном сердечнике, обусловливая его намагничивание. Тогда движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться электрическую жидкость в расположенном рядом проводнике, т.е. вызвать индукционный ток. Опыт с прямыми проводниками неудачен.

Фарадей узнает об открытом Генри усилении магнетизма при использовании многослойной обмотки и берет уже не прямые проводники, а катушки.

29 августа 1831 г. при замыкании цепи тока в одной из катушек стрелка гальванометра, включенного в цепь другой катушки, отклонилась, а затем вновь вернулась в исходное положение, хотя по первой катушке ток продолжал идти. Фарадей размыкает цепь первой катушки и опять наблюдает отклонение стрелки. Долгожданный эффект получился, но он кратковременный и связан не с прохождением тока, а с его изменением. Опыты продолжаются и в следующие дни. А может быть, чтобы возбудить длительный ток в катушке за счет тока в другой, рядом расположенной катушке, надо сблизить эти катушки? Фарадей перемещает их относительно друг друга и обнаруживает, что ток возникает, если катушки движутся. Около месяца идут дальнейшие поиски условий возникновения тока. А 24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом. 17 октября подобные опыты приводят к выводу: “Электрическая волна (ток) возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое”. 28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимаемый с оси и обода медного диска, вращаемого между полюсами подковообразного магнита. Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока.

Такова очень приблизительная и упрощенная реставрация процесса установления Фарадеем явления электромагнитной индукции.

Объяснение явления электромагнитной индукции, а также рассмотрение электрических и магнитных процессов, которые происходят в веществе под влиянием заряженных тел и магнитов, привели Фарадея к выдвижению идеи близкодействия, реализовавшейся в конце концов в идее существования поля.

Проследить ход мыслей Фарадея, а тем более просто и доступно изложить его нелегко, поэтому ограничусь лишь упрощенным изложением его окончательных идей.

Почему Фарадей в отличие от всех своих предшественников встает на позиции близкодействия? До него все внимание исследователей было обращено на силы, с которыми взаимодействуют заряды и токи, а не на процессы, происходящие в разделяющей среде. Фарадей же первым тщательно изучил процессы, происходящие в веществе под влиянием зарядов, магнитов и токов. Он рассматривал электрическую индукцию в проводниках и поляризацию диэлектриков. До него диэлектрик считался пассивным агентом, удерживающим электричество в проводниках. Фарадей же обратил внимание на роль среды (он, например, обнаружил зависимость емкости конденсатора от рода диэлектрика). Почему на поверхностях проводника и диэлектрика под влиянием заряженного тела возникают заряды противоположного знака? Ученый объяснил это тем, что под влиянием заряженного тела в веществе происходит поляризация, своеобразное разделение зарядов в частицах, ближайших к наэлектризованному телу (как это действительно происходит в диэлектриках с неполярными молекулами). Поляризованные частицы подобным же образом поляризуют смежные с ними, так что в среде происходит процесс передачи электрического действия, распространяющийся постепенно от точки к точке. Подобным же образом происходит по Фарадею и процесс намагничивания. До Фарадея магнитными материалами считали лишь небольшое число веществ. Фарадей обнаружил, что все вещества могут намагничиваться и магнитное действие, подобно поляризации, постепенно передается от одной частицы среды к другой.

Итак, передача электрического и магнитного действия в веществе есть процесс не мгновенный, а длящийся некоторое время.

Вот она первоначальная концепция близкодействия!

Фарадей вводит понятие о силовых линиях. Пока речь идет об электродинамических процессах в веществе, Фарадей рассматривает силовые линии как формальные линии действия силы, а не реальные образования. Как же передается действие силы в вакууме? “Может быть, позволительно предполагать здесь, как и в других областях, гипотетический эфир?” И считая пространство заполненным особой средой – эфиром, Фарадей рассматривает силовые линии как материальные образования, подобные резиновым жгутам, находящимся в натянутом состоянии. Понятие силовых линий позволяет ему более определенно сформулировать закон электромагнитной индукции: “Количество электричества, вовлеченное в движение, прямо пропорционально количеству пересеченных линий”, т.е. ЭДС индукции возникает лишь тогда, когда проводник пересекает силовые линии.

Создается впечатление, что Фарадей представлял себе вовлечение в движение электрической жидкости в проводнике как процесс, вызванный действием реальных образований (линий) на электрическую жидкость в проводнике. Взаимодействие зарядов он рассматривал как процесс, обусловленный взаимодействием находящихся в состоянии натяжения линий, которые в случае разноименных зарядов, стремясь выпрямиться, стягивают заряды, в случае одноименных зарядов отталкиваются друг от друга как упругие жгуты, обеспечивая отталкивание самих зарядов (вспомним спектры соответствующих полей).

Представление о силовых линиях как реальных образованиях имеющихся и в вакууме, и в веществе, позволяло просто и наглядно объяснить многие явления. В частности, известный опыт Араго (вращение металлического диска за счет вращения рядом расположенного магнита) получил простое объяснение: силовые линии вращающегося магнита воздействуют на электрическую жидкость в диске и как упругие образования вызывают его вращение.

Впрочем, не следует переоценивать роль этих наглядных моделей-образов. Фарадей прекрасно понимал условность этих моделей и не считал эти представления законченными и единственно возможными. В ходе последующего развития науки Фарадеевское представление о силовых линиях как реальных образованиях в эфире было отброшено, но существо его идей получило полное признание. По Фарадею, электромагнитное взаимодействие зарядов и токов обусловлено процессами, происходящими в окружающей их среде вне зависимости от того, вакуум это или вещество. В обоих случаях есть некий посредник, окружающий заряды и токи и обеспечивающий их взаимодействие. Является ли им эфир, в котором имеются силовые линии как реальные объекты, или это какое-то другое образование, Фарадей не предрешает и не высказывает окончательных суждений, предоставляя потомкам решить этот сложный вопрос.

Реальность силовых линий у Фарадея во многом связана с тем, что эти линии (во всяком случае для магнитного поля) не есть прямые. Ведь в концепции ньютоновского дальнодействия силы носят центральный характер, т.е. действуют по прямым, соединяющим взаимодействующие тела. Обнаружение того, что линии действия электродинамических тел есть кривые, и наводит Фарадея на мысль, что это не просто формальные изображения линий действия сил, а реальные образования.

Итак, распространение электрических и магнитных действий происходит как процесс, осуществляющийся в среде и требующий времени; электрические и магнитные возбуждения могут существовать независимо от источника и приемника. Более того, Фарадей высказывает догадку, что это распространение действия осуществляется волнообразно. В 1832 г. в разгар исследований по электромагнитной индукции Фарадей подготовил письмо о своих взглядах на проблему электромагнитного взаимодействия, закрепляющее его приоритет. В этом письме, которое обнаружили через 100 лет, Фарадей пишет: ”На распространение магнитного воздействия требуется время... Я полагаю, что и электрическая индукция распространяется таким же образом..., что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям... и к электрической индукции”.

Итак, пусть Фарадей не сформулировал четко понятие поля, но суть всех его воззрений сводится к тому, что все взаимодействия осуществляются посредством особой материальной среды, передающей за конечное время процесс взаимодействия зарядов и токов. А это и значит, что Фарадей, по сути дела, ввел в физику идею поля, превратив заряды и токи из главных действующих лиц на арене электромагнитного взаимодействия во вспомогательные и передав главные роли среде, считая, что “материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею”. Но лучше всего об этом сказал Максвелл: “Фарадей своим мысленным взором видел линии сил, проходящие через все пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающихся на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей видел источник явлений в реальных процессах, происходящих в среде. Они же были удовлетворены тем, что нашли его в действующей на расстоянии силе, приложенной к электрическим флюидам”.

Прежде чем перейти к теории Максвелла, остановлюсь кратко на развитии электродинамики от Фарадея до Максвелла.

Казалось бы, идеи Фарадея должны были сразу дать мощный толчок развитию теоретических исследований. Однако так не произошло. Фарадея очень высоко ценили как экспериментатора, но к его теоретическим идеям относились с недоверием. По этому поводу Р.Милликен писал: “Формалисты школы Ампера – Вебера... с тайным, а иногда и явным презрением смотрели на “грубые материальные” силовые линии и трубки, порожденные фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея”. Теория поля Фарадея не удовлетворяла идеалу физической теории, сложившемуся к этому времени, – она не была выражена на языке математики. И идея близкодействия физикам по-прежнему не импонировала. Теории электрических и магнитных явлений продолжали строиться на основе принципа дальнодействия.

Французский ученый С. Пуассон и немецкий математик Карл Фридрих Гаусс математически оформляют учение об электричестве и магнетизме. Вебер, исходя из теории дальнодействия, устанавливает обобщенный закон для силы взаимодействия электрических зарядов как покоящихся, так и движущихся (токов), из которого законы Кулона и Ампера выводятся как следствия. Ему, а также немецкому ученому Ф. Нейману удается получить и математическое выражение закона электромагнитной индукции Фарадея. Четко формулируются основные понятия электродинамики: “сила тока”, “потенциал”, “емкость”, “индуктивность” и т.д. И тем не менее учение об электромагнетизме не представляет собой стройной теории, основанной на единых общих принципах, из которых как следствия выводились бы уравнения электростатики, электродинамики, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока. Все эти разделы продолжали оставаться в известной мере обособленными. К тому же из теории Вебера не вытекало никаких принципиально новых следствий, а задача всякой новой теории – не столько систематизация и обобщение известного, сколько предсказание новых результатов.

Теоретические представления Фарадея в духе близкодействия по-прежнему не исследовались.

Столь отнюдь не радужное положение дел в учении об электромагнетизме лучше всех понимал Максвелл, который познакомился с работами Фарадея и стал убежденным сторонником выдвинутой им идеи близкодействия. Максвелл поставил перед собой задачу выразить идеи Фарадея языком математики и в конце концов блестяще решил ее. По выражению Р. Милликена, он “облек плебейски обнаженные представления Фарадея в аристократические одежды математики”.

div D = r , div B = 0

dx ,

обусловливающий движение электричества, подобно тому как перепад давления вызывает движение жидкости). Тем самым электромагнитное поле уподобляет движению жидкости, силовые линии поля аналогичны трубкам тока.

Максвелл использует метод аналогий и моделей. “Под физической аналогией, – пишет он, – я разумею то частное сходство двух каких-либо областей, благодаря которому одна является иллюстрацией другой”. И поскольку различные классы физических явлений могут иметь одинаковую математическую форму законов, то по известным решениям задач в одной области можно получить решения задач в другой.

Общность и взаимосвязь явлений природы проявляется, в частности, в том, что разнородные по природе явления описываются аналогичными математическими уравнениями (вспомним дифференциальные уравнения, описывающие разные по природе колебательные процессы). Но аналогичность математического описания не означает тождества природы явлений. И Максвелл это хорошо понимает, указывая неоднократно, что жидкость, которой он уподобляет электромагнитное поле, не тождественна с тем, что собой в действительности представляет электромагнитное поле. Аналогия с жидкостью есть лишь эвристический иллюстративный прием, но не более.

В дальнейшем Максвелл выдвигает различные механические модели электромагнитного поля, часто весьма причудливые и необычные (подчас даже представляя поле в виде системы, подобной сцепленным зубчатым колесам). Стремление Максвелла наглядно представить поле в виде механического образа вполне понятно. Это безусловная дань господствующему тогда механицизму, освященная традицией классической физики, для которой понять – значит наглядно представить. Кроме того, попытки такого рода связаны также еще с одной важнейшей чертой стиля мышления Максвелла – постоянным стремлением за математическим описанием видеть природу, придавать физический смысл любому уравнению физики. Максвелл говорил полушутя, что каждый физик хорошо сделает, если перед тем, как напишет слово “масса” или символ “m”, собственноручно подвесит гирю на веревке и толкнет ее, дабы убедиться в ее инертности.

Чрезвычайно характерно также и то, что Максвелл не придерживался какой-либо единственной модели поля, а заменял по мере работы над теорией одну модель другой. Модели ему помогали найти уравнения поля; он считал, что они помогут и тем, кто будет читать его работы. Это неоднозначность моделей, отсутствие у Максвелла приверженности к одной модели свидетельствуют о необычайной гибкости ума, чуждого консерватизма и догматизма, и объясняют то удивительнейшее явление, что Максвелл писал уравнения применительно к той или иной модели, веря в существование эфира. Современная физика отбросила все эти модели, отбросила гипотезу эфира, а уравнения сохранились нетленными и описывают электромагнитное поле в его современном понимании.

И еще об одном методе, который использовал Максвелл, – методе математической гипотезы. По Максвеллу, электрический ток в проводнике создает магнитное поле, что

Продолжая опыты, Герц обнаружил, что искра во втором контуре имеет максимальную интенсивность, если контуры настроены в резонанс, т.е. имеют одинаковые собственные частоты колебаний. Таков еще один важнейший шаг, сделанный Герцем в исследовании электромагнитных волн, или, как говорил сам Герц, “электрических лучей” (он не сразу понял, что получил предсказанные Максвеллом волны). Герц видоизменил приемный контур и в конце концов придал ему вид, который теперь называется диполем Герца, – это прямой провод с искровым промежутком посередине.

Герц расположил около вибратора сначала металлический лист, а затем параллелепипед из диэлектрика и обнаружил, что искра в резонаторе теперь проскакивает при большем зазоре искрового промежутка. Это он объяснил тем, что в проводнике под действием колебаний вибратора возникают токи проводимости, а в диэлектрике – токи смещения, которые и показывают электромагнитное воздействие на резонатор. Это подтверждение об эквивалентности токов смещения и проводимости.

Герц удалял резонатор от вибратора – искровой разряд в резонаторе происходил и при расстояниях порядка полутора метров, а затем обнаруживался и на больших расстояниях. Особенно поразило Герца наличие заметного действия на больших расстояниях. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по закону обратного квадрата и, следовательно, с увеличением расстояния быстро становятся незаметными. Герц же открыл поле, отпочковавшееся от источника, напряженность которого убывала вблизи излучающего источника пропорционально первой, а не второй степени расстояния.

Продолжая исследования, Герц при удалении резонатора от вибратора обнаружил, что в большом помещении с увеличением расстояния размер искр не убывает монотонно, а периодически меняется. Он справедливо объяснил это тем, что происходит интерференция прямой волны и отраженной от стены, в результате чего образуется стоячая волна, в пучностях которой искра максимальна. Этот опыт наиболее убедительно доказывал, что электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, действительно существуют.

По Максвеллу, свет – это электромагнитные волны, следовательно, им должны быть присущи те же явления, что и свету. И Герц ставит опыты с целью проверки тождества световых и электромагнитных волн. Почти сразу он обнаруживает “тень” – непрозрачность металлических листов для “электрических лучей”, но не наблюдает огибания. “Не без удивления наблюдал я искры в закрытой комнате”, – пишет Герц об опытах, в которых генератор и приемник находились в соседних помещениях. Значит, диэлектрики “прозрачны” для волн. Но они должны вызывать преломление. И Герц обнаруживает явление преломления волн в асфальтовой призме весом более чем в тонну, причем отклонение соответствует тому, которое должно быть по Максвеллу. Последующие опыты показывают существование отражения волн, а затем и их поляризацию.

Герц ставит опыты между генератором и приемником решетку из параллельных проволок, от ориентации которой меняется интенсивность искры в приемнике (подобно тому, как аналогичный эффект обнаруживается в демонстрационных опытах с генератором сантиметровых волн). Зная период колебаний вибратора и измеряя длину волны, Герц вычисляет скорость распространения электромагнитных волн; она оказывается равной скорости света. “Мне представляется вполне вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электродинамического волнового движения”, – писал Герц. И в конце концов он утверждает: “Целью этих опытов была проверка основных гипотез теории Фарадея–Максвелла, а результат опытов есть подтверждение основных гипотез этой теории”. И в другом месте: “Все эти опыты очень просты в принципе, но тем не менее они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла”. Так поле, этот гипотетический объект теории Максвелла, превратилось в физическую реальность. В реальности поля после опытов Герца 1887–1888 гг. больше сомневаться не приходилось.

Герц придал уравнениям Максвелла современный вид, убедительно доказав своим творчеством справедливость его оценки Гельмгольцем: “Он одинаково способен как к овладению абстрактными математическими теориями, так и к решению вытекающих вопросов экспериментального порядка с большой ловкостью и большой изобретательностью в том, что касается методов”.

“Генрих Герц обеспечил себе своими открытиями долгую славу в науке. Но память о нем будет жить не только благодаря его работам, но и благодаря его личным достоинствам: его постоянной скромности, радостной готовности признать чужие заслуги, неизмеримой благодарности, которую он сохранил по отношению к учителям... Он сам жаждал только истины, которой он следовал с величайшей серьезностью и с полной отдачей сил. Никогда не было в его душе и тени тщеславия или личного интереса. Даже там, где он имел бесспорное право воспользоваться открытиями, он был склонен молча отойти в сторону”.

Опыты Герца утвердили теорию Максвелла в среде ученых. Но лучшими доказательствами истинности теории являлись не только опытные факты, но и практическое воплощение научных идей.

Не прошло и десятка лет со дня опытов Герца, как открытые им экспериментально электромагнитные волны начали применяться на практике. Любопытно, что сам Герц не мог себе представить практическую значимость открытых им радиоволн и даже написал в дрезденскую палату коммерции письмо о том, что исследование радиоволн надо запретить как бесполезное. То, что не удалось понять Герцу, со всей полнотой оценил А.С. Попов, впервые в мире применивший электромагнитные волны для радиосвязи и тем самым основавший современную радиофизику.

Так после длительной борьбы теория близкодействия одержала окончательную победу. Электромагнитное поле обнаруживает себя как нечто реально существующее, это особая форма материи, осуществляющая взаимодействие между заряженными частицами, существующая независимо от наших представлений о нем. Доказательством его реальности является и конечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий.