Ринат Нугаев - Максвелловская научная революция

• Название: Максвелловская научная революция
• Автор: Ринат Нугаев
• Жанр: Физика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-4475-3077-8

Описанная автором в предыдущих публикациях методологическая модель смены теорий применяется к максвелловской научной революции. Показано, что генезис максвелловской электродинамики может рассматриваться как закономерный результат согласования «старых» исследовательских программ, относившихся к домаксвелловской физике: электродинамики Ампера-Вебера, волновой теории света Юнга-Френеля и программы Фарадея. «Нейтральным языком», сконструированным Максвеллом для объективного сравнения выводов теорий из встретившихся программ и установления связей между ними, послужила механика сплошных сред с ее набором разнообразных аналоговых моделей – от трубок с несжимаемой жидкостью до молекулярных вихрей. Итогом взаимодействия встретившихся программ, ставшим возможным после создания этого «языка», явилось создание иерархии гибридных объектов – от т.н. «тока смещения» до обычных гибридных теоретических схем. Последовавшее, вслед за конструированием тока смещения, взаимопроникновение домаксвелловских исследовательских программ положило начало последовательному объединению теоретических схем оптики, электричества и магнетизма. Программа Максвелла превзошла программу Ампера-Вебера потому, что ассимилировала ряд положений ее твердого ядра, сочетав их с рядом идей Фарадея и оптики Юнга и Френеля. Утверждается, что ключевым звеном рассматриваемой таким образом максвелловской стратегии синтеза теорий оптики, электричества и магнетизма послужили идеи кантовской эпистемологии. Это позволило Максвеллу создать свою оригинальную методологию объединения, разработать и запустить собственную метапрограмму синтеза континентальной и британской исследовательских традиций рассмотрения электромагнитных явлений. Характер кантианской философии позволил выдвинуть в качестве объединяющего начала идею, носившую, в отличие от программы Ампера-Вебера, не «деревянный» онтологический, а гибкий, кантианский, антинатурфилософский, подчеркнуто эпистемологический характер. Для Максвелла последним «первокирпичиком» физической реальности был не эфир, из которого надо было тщательно конструировать как поля, так и заряды, и не непосредственное «действие на расстоянии». И это действие, и «несжимаемая жидкость», и «вихри в эфире» для него были лишь модельными представлениями, в лучшем случае способными лишь «навести» (inductio) на правильные математические соотношения. Генезис максвелловской электродинамики был гармонично встроен ее создателем в общий процесс деонтологизации, начавшийся в Новое время с отказа от аристотелевской онтологии. Творческое использование максвелловской методологии позволило Герману Гельмгольцу и его ученику – Генриху Герцу – прийти к такой версии теории Максвелла, которая послужила эвристическим ориентиром для открытия радиоволн.

---

Тяжеловесный фарадеевский аппарат «силовых линий» и /или соответствующих «напряжений и натяжений в эфире» представлялся большинству его современников зыбким и неуклюжим, особенно в сравнении с точными и математически элегантными теориями действия на расстоянии. Поэтому теория поля развивалась весьма слабо и медленно до тех пор, пока в середине 1840-х гг. в игру не вступил Уильям Томсон. Именно Томсону принадлежала ключевая идея об аналогии между электромагнитными процессами и гидродинамическими явлениями. В частности, т.н. «эффект Фарадея» (1845) – вращение плоскости поляризации света в сильном магнитном поле – Томсон объяснил исходя из предположения, что магнитное поле заполнено крошечными «молекулярными вихрями», вращающимися вдоль силовых линий. Эти крошечные вихри могли отдавать часть своей вращательной энергии световым волнам.

Друг и наставник шотландца Джеймса Максвелла – ирландец Уильям Томсон – был старше его на 9 лет. Томсон уже при жизни добился всех возможных чинов и званий и был за свои заслуги перед наукой удостоен звания лорда (лорд Кельвин). Он и при жизни считался, и до сих пор считается патриархом классической (викторианской) физики XIX в. Его ультрамеханистическое мировоззрение слишком хорошо известно для того, чтобы нуждаться в комментариях. Томсоновский подход значительно отличался от фарадеевского, поскольку Томсон истово верил в механический эфир, в котором фарадеевские силовые линии представляли собой натяжения и напряжения этой механической среды. Томсону принадлежит следующий знаменитый девиз: «я никогда не буду удовлетворен познанием какой-либо вещи до тех пор, пока не создам ее механическую модель. Если я могу сделать механическую модель, я могу это понять. Если я не могу создать механическую модель явления, я его не понимаю; вот почему я не могу принять электромагнитную теорию».

Другое его высказывание (обращение к членам британской ассоциации по содействию развитию науки, 1900) не менее известно: «сейчас в физике больше нечего открывать. Все, что нам осталось – проводить все более и более точные измерения».

В авторитетной энциклопедии классической физики – «Трактате о Натуральной Философии» (1882), написанной вместе с другим другом и коллегой Максвелла – шотландцем Питером Тэтом – глава «Динамические законы и принципы» начинается с утверждения о том, что «мы не можем в самом начале изложения выбрать лучший путь, чем возможно более тщательное следование Ньютону. В самом деле, введение в «Математические начала натуральной философии» содержит в предельно ясном виде общие основания Динамики. Изложенные там и относящиеся к движению дефиниции и аксиомы требуют только небольших разъяснений и дополнительных иллюстраций, предложенных последующими достижениями, для того, чтобы привести их в соответствие с современными достижениями науки; мы получим тем самым гораздо более совершенное введение в динамику, чем даже некоторые самые лучшие современные трактаты» (Томсон и Тэт, 1882, p. 219).

Неслучайно, что когда Максвелл писал рецензию на фундаментальный труд своих друзей, результаты которого он плодотворно использовал в своих работах (см., например, IV главу данной работы), он все же вынужден был подвергнуть критике, как чрезмерно вульгарно-материалистическое, их определение массы. Он отмечал, с высоты своего кантовского априоризма, что «материя никогда не воспринимается чувствами непосредственно» (Mahon, 2003, p. 25).

Согласно Максвеллу, материя как субстанциональное вещество как раз и была тем «неизвестным субстратом, против которого Беркли направлял свои критические аргументы». В этом смысле материя – это предполагаемая возможность наших ощущений, но как «вещь в себе» она непознаваема. Как теоретическое понятие, материя аналогична такому математическому идеальному объекту, как «прямая линия» (Morrison, 2000, p. 101).

Именно своему старшему товарищу и наставнику Уильяму Томсону юный Максвелл, только что окончивший кембриджский университет, сообщил в письме в феврале 1854 г. о своих намерениях «атаковать электрическую науку». Томсон возглавил гонку по созданию механических моделей эфира, опубликовав в 1846 г. классическую работу, в которой выявлялась аналогия между электрическими явлениями и эластичностью упругой среды, заполнявшей все пространство. Для этого он исследовал состояние равновесия в несжимаемом эластичном твердом веществе и показал, что распределение в пространстве вектора, описывающего эластические смещения, похоже на распределение электрической силы в электростатической системе.

Но было одно радикальнейшее отличие подходов Максвелла и Томсона к механическим моделям эфира. Томсон понимал эти модели буквально: как описание того, что в действительности происходит в пространстве. Поэтому, в частности, он никогда и не принял максвелловское понятие тока смещения. (Это, впрочем, никак его не умаляет, поскольку даже Гельмгольц признал это понятие через много лет после максвелловской статьи 1861 г.). В частности, в 1888 г. Томсон охарактеризовал ток смещения как «любопытную и изобретательную, но в целом несостоятельную гипотезу».

А в 1905 г. лорд Кельвин опубликовал статью, в которой подвел печальный итог попыткам построить вихревую модель эфира.

«Теперь мне ясно, что любое движение в конечной области бесконечной несжимаемой жидкости рано или поздно должно закончиться диссипацией… После многолетних неудач в доказательстве стабильности гельмгольцева круглого кольца, я пришел к выводу о том, что оно существенно нестабильно, и его судьба – рассеяться в окружающем пространстве» (Thomson, 1905, p. 565).

Мировоззрение Максвелла резко отличается от взглядов упомянутых выше исследователей прежде всего несопоставимо более высоким уровнем философской культуры, подчеркнутой ориентацией на взгляды Канта критического периода. Несомненно, что его источником были лекции по философии, читавшиеся ведущим шотландским философом того времени, заведующим кафедрой моральной философии эдинбургского университета сэром Уильямом Гамильтоном (1788—1856). Гамильтон был одним из представителей шотландской философии «здравого смысла», наследником традиции Томаса Рида и Дугалда Стюарта. Но его «философия обусловленного» носила явно кантианский оттенок.

Подобно Канту, он полагал, что мы можем обладать достоверным знанием только об «относительных проявлениях вещей, и именно наша глубочайшая мудрость состоит в признании того, что сами эти вещи находятся за пределами достижимости философии». Но, в отличие от Канта, он развивал основные положения «естественного реализма» в традициях школы Томаса Рида. При этом многие его критики – и в частности Джон Стюарт Милль, посвятивший его философии целую книгу, – полагали, что гамильтоновский релятивизм плохо согласуется с ридовским реализмом. Но для Гамильтона согласование этих действительно значительно отличающихся друг от друга позиций было возможно на основе некоей разновидности интуиционизма, выделяющего определенные состояния сознания как одновременно примитивные и лежащие вне сферы понимания, «являющиеся в меньшей мере когнитивными актами чем верованиями» (цит. по: Audi, 1999, p. 360).

Основы шотландской философии здравого смысла была заложены преподобным Томасом Ридом (1710– 1796) в конце XVIII в. Ее исток – жесткая критика скептицизма другого шотландского философа – Давида Юма (1711—1776), автора «Трактата о человеческом познании» (3 тт., 1739—1740). Концентрируясь на анализе «восприятий» – тех объектов, которые непосредственно присутствуют в сознании, Юм подразделял их на две группы – «впечатления» и «идеи». Суть его концепции состояла в утверждении о том, что впечатления (которые также в свою очередь подразделяются на элементы чувственного и рефлексивного порядков) гораздо сильнее и «живее» идей; идеи всегда каузально зависят от впечатлений.

Именно против этого положения и следовавших из него скептических выводов и была направлена критика Рида. В главном труде «Исследование человеческого сознания, исходящее из принципов здравого смысла» (1764) он усматривал истоки юмовского скептицизма в тезисе Декарта, разделявшимся также и Джоном Локком, согласно которому мы не воспринимаем объекты внешнего мира непосредственно; непосредственный объект восприятия всегда находится в сознании. Против этой точки зрения он выдвигал возражение, согласно которому восприятие включает как ощущения, так и некоторые интуитивные общие истины или принципы, дающие вместе знание объектов внешнего мира. Он также настаивал на том, что существуют также и другие данные нам интуитивно общие принципы, включающие моральные принципы, доступные всем людям. В итоге он заключал, что если какие-либо философские аргументы ведут к следствиям, которые противоречат здравому смыслу, то тем хуже для аргументов.