Статьи и речи - Максвелл Джеймс Клерк

Конечно, максвелловская теория, в силу её своеобразия, прошла сложный путь. Невозможно составить себе простое и наглядное представление о её формулах с помощью механических аналогий, что с самого начала необычайно затрудняло её понимание и значительно ослабляло её убедительность.

В Германии эта трудность действовала особенно тормозяще. Именно здесь в середине прошлого столетия разработка электродинамики проходила исключительно под знаком теории потенциала, которую развил Гаусс на основе ньютоновского закона дальнодействия как раз для статистических электрических и магнитных полей и которую он довёл до высокой степени математического совершенства. Поэтому обобщения для динамических процессов искали в расширении ньютоновского закона тяготения, допуская, что величина силы притяжения зависит не только от положения, но и от скорости или от ускорения взаимодействующих центров масс. Утверждение Фарадея и Максвелла, что непосредственного дальнодействия не существует и что силовое поле обладает самостоятельным физическим существованием, было так чуждо всему этому ходу мыслей, что теория Максвелла не имела вообще в Германии никакой почвы и вряд ли принималась во внимание. В лучшем случае электромагнитную теорию света рассматривали как интересный курьёз.

Лишь немногие физики считали своим долгом заниматься ею серьёзно. К ним относится Людвиг Больцман, который изучал указанную Максвеллом связь между показателем преломления и диэлектрической постоянной и полностью подтвердил её особо тщательно поставленными опытами над разными веществами, а именно — газами. Естественно, менее успешными были его настойчивые попытки сделать более понятными электродинамические уравнения Максвелла посредством механических моделей.

Герман Гельмгольц, который высоко оценил теорию Максвелла из-за её особой формальной простоты, стал на примирительную точку зрения. Ему удалось получить общий закон для взаимодействия незамкнутых электрических токов, частными случаями которого являются как разные теории дальнодействия, так и соответствующая формула Максвелла. Такой подход не устраняет основного противоречия между теориями дальнодействия и близкодействия. Окончательно решить теоретический спор в пользу теории Максвелла как в Германии, так и во всем мире было суждено Генриху Герцу — самому замечательному ученику Гельмгольца. Примечательно, что Герц путём теоретических рассуждений, ещё за много лет до проведения своих выдающихся опытов, пришёл к убеждению, что максвелловская теория, расцениваемая с точки зрения известных тогда физических фактов, принципиально превосходит теории дальнодействия. Так как ход его мыслей, по-видимому, не везде был должным образом оценён, то разрешите мне на этом кратко остановиться.

Если имеется только один-единственный вид электрической энергии и если, следовательно, сила, с помощью которой натёртая эбонитовая палочка притягивает или отталкивает заряженный электричеством бузиновый шарик,— это та же сила, с которой подвижный магнит индуцирует электрический ток в проводнике, тогда этот же магнит должен привести в движение заряженный бузиновый шарик; и наоборот, по механическому принципу действия и противодействия, электростатически заряженное тело должно действовать на подвижный магнит пондеромоторно, и, наконец, подвижный магнит должен действовать на другой подвижный магнит, без учёта обычно магнитного действия, пондеромоторно, с электрической силой, зависящей от относительного движения магнитов. Но электродинамика, построенная на дальнодействии, знает лишь такие пондеромоторные действия между магнитами, которые зависят от мгновенного магнетизма, но не от его изменений во времени; отсюда вытекает, что эта электродинамика, рассматриваемая с принятой нами точки зрения, несовершенна.

Добавление соответствующего члена вносит определённую поправку, правда, очень маленькую, потому что она содержит в знаменателе квадрат так называемой критической скорости. Но нельзя на этом остановиться. Изменение пондеромоторного действия, по принципу сохранения энергии, влечёт за собой изменение индукционного действия. Но так как индукционные силы идентичны пондеромоторным, то за этим следует новая поправка пондеромоторного действия, и так до бесконечности. Если каждый раз действительно вносить соответствующую поправку, тогда, очевидно, получим как для пондеромоторного, так и для индукционного действия электрического и магнитного характера бесконечные ряды по убывающим чётным степеням критической скорости, которые сходятся в общем случае. Примечательно то, что эти ряды точно удовлетворяют дифференциальным уравнениям для электромагнитных полей, составленным Максвеллом, и, согласно уравнениям, эти поля распространяются с критической скоростью.

Этот своеобразный вывод теории Максвелла, исходя из представления о дальнодействии, Герц, естественно, не рассматривал как доказательство правильности теории, потому что из сомнительного предположения никогда нельзя вывести надёжный результат, но оно достаточно для обоснования такого вывода. «Если только выбор лежит между обычной системой и максвелловской, то последняя, безусловно, имеет преимущество».

По странному совпадению, одновременно с появлением этой работы Герца максвелловская теория света получила в Германии новый сильный импульс благодаря небольшой, но ставшей знаменитой работе Больцмана о зависимости температуры теплоизлучения чёрного тела, в которой эмпирически найденный закон Стефана получен из максвелловского лучевого давления с помощью второго начала термодинамики.

Так накапливались указания на то, что идеи Максвелла имеют универсальное значение, а затем целеустремлённые опыты Генриха Герца с весьма быстрыми электрическими колебаниями увенчались беспримерным успехом — получением электрических волн сантиметровой длины. Благодаря этому открытию, которое привлекло внимание физиков всех стран, идеи Максвелла стали претворяться в делах и началась новая эпоха в развитии экспериментальной и теоретической физики.

Значение опытов Герца для теории Максвелла окажется ещё более важным, если учесть, что Герц с самого начала исходил вовсе не из того, чтобы утвердить теорию Максвелла. Насколько Герц был свободен от влияния теории Максвелла, яснее всего подтверждается тем фактом, что он долгое время, в противоположность теории Максвелла, полагал, что установил в своих опытах разницу в скорости распространения электрических волн в воздухе и по проводам. Лишь потом Герц выяснил, чти эта разница была обусловлена помехами из-за находившихся поблизости проводников.

Отныне победа максвелловской теории была обеспечена и ближайшей задачей стало её дальнейшее развитие в различных направлениях, в частности, в области получения и исследования волн, занимающих промежуточное положение (по своей длине) между электрическими и оптическими волнами. Среди немецких физиков, которые прославились в этой области, следует в первую очередь отметить Генриха Рубенса, который одновременно с Эрнстом Хагеном добился важного результата: он доказал, что экспериментальные данные относительно отражения света от металлов, истолкование которых представило серьёзные трудности для самого Максвелла, во всех деталях соответствуют теории Максвелла, если применять свет большей длины волны. Так то, что было предметом забот, стало одним из достижений теории Максвелла.

Правда, остаётся ещё неясным вопрос об отражении коротковолнового света от металла. Здесь мы действительно подходим к рубежу, который не могут преодолеть уравнения Максвелла, в их первоначальном виде допускающие, что материя непрерывно распределена в пространстве, и намечается необходимость введения атомистических представлений. По мере развития точных методов измерения стало ясно, что одной атомистикой вещества дело не обойдётся, что и энергия в известном смысле обладает атомистической структурой. Становится ясным и то, что различие между корпускулярными и волновыми процессами, до сих пор считавшееся чем-то само собой разумеющимся и которое мы положили в основу наших рассуждений, принципиально не осуществимо и его можно вводить лишь как предельный случай. Ибо как, с одной стороны, в однородной волне энергия фактически находится в дискретных частицах, так, с другой стороны, при столкновении двух молекул всегда наблюдаются интерференционные явления, как при наличии двух групп волн.