Владимир Карцев - Приключения великих уравнений

• Название: Приключения великих уравнений
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: "Знание"
• Жанр: Детская образовательная литература
• Год: 1986

История познания человеком электричества полна неожиданностей и драматизма. Среди «делавших» эту историю мы найдем людей разных профессий: физика, врача, переплетчика, столяра, государственного деятеля. Различны были их судьбы.

В книге читатель встретится с участниками первых кругосветных путешествий, узнает об электрических рыбах, об оживлении людей с помощью электричества… Первое и второе издания книги, вышли в издательстве «Знание» в 1970 и 1978 гг.

Книга рассчитана на массового читателя.

---

Но он остался в университете еще на год. Не последнюю роль сыграли в этом решении нераспечатанные бандероли, долго пылившиеся в библиотеке физической лаборатории. А нераспечатанными лежали они потому, что распечатавшему одну из них уже никогда не пришло бы в голову приниматься за следующую.

Бандероли приходили из Кембриджа, были насыщены сложной математикой, «как гадюки — ядом», и вообще были непонятны. Более того, содержимое бандеролей шло вразрез со всем тем, что так тщательно пестовалось в университете, — с классическими электродинамическими теориями.

Бандеролями из Кембриджа доставлялись в Лейден работы Джеймса Клерка Максвелла, посвященные его новой теории. Лоренц был первым голландцем, оказавшимся способным понять и оценить ее. Ему было тогда 20 лет.

22 лет он — доктор наук. Разумеется, «доктор с отличием».

Двадцатидвухлетнего Лоренца буквально рвут на части. Одно за другим следуют соблазнительнейшие предложения от университетов разных городов и стран.

Лоренц предпочитает Лейден, и в нем — кафедру теоретической физики. Лейден — светел и спокоен, он прекрасно соответствует неторопливому, замкнутому и возвышенному стилю жизни Лоренца. Здесь он женится на кузине своего друга и покупает старинный тихий и красивый дом. Он любит семейную жизнь, тишину, уединение.

Он живет здесь десятки лет размеренной и спокойной жизнью метра. Лишь незадолго до смерти он переехал в Харлем, где получил пост, примерно эквивалентный посту президента Академии наук у нас — пост попечителя музея Тейлера.

Он умер 4 февраля 1928 года после короткой болезни, окруженный любовью и вниманием.

Через всю жизнь Лоренц пронес одну пламенную страсть. Страсть, рожденную в библиотечной тишине.

Эйнштейн о Лоренце:

«Его доброта и величие души в сочетании с абсолютной безупречностью и глубоким чувством справедливости, а также верной интуицией в отношении людей и вещей превращали его в руководителя во всех областях, где протекала его деятельность. За ним следовали с радостью, потому что Лоренц никогда не стремился господствовать, но всегда — служить»

Страсть к уравнениям и теории Максвелла. Он болезненно воспринимал все ее неудачи. Буквально лез из кожи вон, чтобы примирить противоречия. Иногда теория Максвелла давала предсказания, не совпадающие с экспериментом. Иногда оказывалась недостаточно конкретной для расчетов.

Особые нарекания, и довольно справедливые, вызывали константы среды, введенные Максвеллом и определяющие прохождение в ней электромагнитных процессов.

Эти константы, например диэлектрическая и магнитная проницаемости, должны находиться из опыта. Вопрос о физическом смысле и происхождении этих констант Максвелл старался обходить. Предсказать изменение констант в зависимости от температуры, плотности, химического строения или кристаллической структуры вещества на основании уравнений Максвелла было невозможно.

Поэтому при любом изменении состояния вещества его константы нужно было бы заново находить из эксперимента.

Лоренц прекрасно понимал, что такая ограниченность теории Максвелла — крупный недостаток. Недостаток, произрастающий из достоинств. По своему существу теория Максвелла — теория электромагнитная. Мир, описываемый теорией, — мир бесконечно разнообразных, налагающих, интерферирующих, видимых и невидимых, ощущаемых и неощущаемых непрерывных волн. В этом была сила теории. И ее слабость.

Когда-то неминуемо должен был встать вопрос о причинах. Что, например, является причиной электрического поля? Максвелл отвечал — заряд. Отвечал с некоторой неприязнью. Введение дискретного заряда, «молекулы электричества» было подобно введению ложки дегтя в бочку меда, впущению червя во яблоко. «Молекула электричества» была нелепой дискретной надстройкой к прекрасному легкому дворцу непрерывных электромагнитных волн. Максвелл, словно предчувствуя грядущие непреодолимые трудности, уклонялся от навечного введения «молекулы электричества» в свою теорию. Он считал это делом сугубо временным:

«Крайне неправдоподобно, что в будущем, когда мы придем к пониманию истинной природы электролиза, мы сохраним в какой-либо форме теорию молекулярных зарядов, ибо мы уже будем иметь надежную основу для построения истинной теории электрических токов и станем таким образом независимы от этих преходящих гипотез».

Однако вопрос о природе констант, характеризующих среду, оставался. Чтобы объяснить влияние на них внешних факторов, нужно было дать какое-то объяснение природе констант. Лоренц писал:

«…Мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма в основе всех этих явлений.

Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частичках, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах».

Здесь надо оговориться, что электрон в то время, когда Лоренц решил ввести его в теорию Максвелла, известен не был. Но он, в известном смысле, постоянно возникал «на кончике пера».

Началось это еще у Фарадея. Законы электролиза.

Число Фарадея. Атомную теорию Фарадей, в общем, не жаловал. Но, поскольку был необычайно добросовестен, четко фиксировал и факты, не вписывающиеся в его теорию.

Было ясно, что каждый атом вещества, оседающий на электроде, несет с собой строго определенное количество электричества. Электричество раздавалось порциями.

Каждый одновалентный ион получал от природы одну порцию. Двухвалентный — две. Заряд явно имел, как и вещество, атомную, дискретную структуру.

Максвелл предложил назвать заряд одновалентного иона «молекулой электричества». Предложил, скрепя сердце. Думал, временно. Очень не хотел разрушать свое прекрасное творение, состоящее из непрерывных волн.

Воздвигнутое вопреки противникам: Веберу, Нейману, Гельмгольцу, да мало ли их было.

Кстати, Гельмгольц в знаменитой Фарадеевской речи вслед за Джонстоном Стонеем вернулся к «атому электричества». (Стоней называл его электроном.) Дал расчет.

Оказалось, наименьшим количеством электричества обладает положительный ион водорода. Меньше заряда не бывает. Больше — бывает. Но любой заряд дискретен, состоит из порций. Каждая порция — заряд водородного иона.

Вещество в целом должно быть нейтрально. Поэтому Лоренц должен ввести электроны отрицательные и электроны положительные.

Все тела состоят из атомов.

Атомы — из электронов, положительных и отрицательных.

Электроны — единичные заряды. Двигаясь, они образуют электрический ток (ток — движение зарядов). Двигаясь, они создают магнитное поле (ток окружен магнитным полем). Тормозясь, они излучают электромагнитные волны. Ускоряясь, поглощают их. Волны распространяются со скоростью света. На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила — лоренцева сила.

Непрерывное тело разбилось на атомы, атомы — на положительные и отрицательные электроны.

Атомы плавают в эфире.

Странная среда, неощутимая, неосязаемая, невесомая. Она проникает во все тела, занимает все пространство. Эфир тверд, как сталь! Но не оказывает сопротивления движущимся в нем телам. Например, электронам.

Или — планетам.

Максвелл признавал эфир. Эфир — странная среда, старая, как мир. Но свойства ее в представлениях людей непостоянны. Последний раз они утвердились в оптике.

Новый эфир «изобрел» Френель. Разжалованный в результате наполеоновской «чистки» 1815 года инженер сидел без работы. Занимался физикой. Звук и свет — похожи или нет? Если предположить, что свет— не частицы, а волны, то подобны ли они звуковым? Нет, не подобны.

Звуковые волны продольны. Световые — поперечны, это колебания твердой несжимаемой среды, похожей по свойствам на металл.

Эта среда — эфир. Эфир оптический.

Эфир объяснял все или почти все. Никакой дискретности, никаких ньютоновских корпускул. Одна непрерывность.

Непрерывные волны.

Континуум.

Но оптика, по Максвеллу, — частный случай электромагнетизма. Вся оптика приводится к уравнениям Максвелла.

Эфир был необходим Максвеллу. Но этот эфир был незаметен. Мимо него нельзя было двигаться. Эфир Максвелла двигался вместе с телами. Он мог увлекаться движущимися телами.

И это, казалось, прекрасно доказывали опыты француза Ипполита Физо. Движущиеся струи воды увлекали за собой свет.

Лоренц ввел в теорию Максвелла электрон. Он пустил его в максвеллов эфир, предварительно закрепив эфир на месте. Эфир стал недвижимым, но в нем двигались электроны. Поперечные колебания эфира по-прежнему были и светом, и другими электромагнитными волнами.