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.

---

(D.2) Фарадей и Максвелл отнюдь не были первыми среди тех, кто высказал предположение о существовании электромагнитных волн.

Еще в 1853 г. геттингенский математик Бернгард Риман предложил заменить уравнение Пуассона для электростатического потенциала волновым уравнением, согласно которому изменения этого потенциала должны распространяться со скоростью света. Другое дело, что статью с этими результатами, сначала поданную в один из немецких журналов, Риман после продолжительных колебаний из редакции все-таки забрал.

Более того, именно в рамках теории дальнодействия в 1857 г. Густав Кирхгофф, рассматривая распространение волноподобных изменений электрического тока в проводнике, впервые показал, что в пределе тонкого проводника и высокой проводимости подобные возмущения должны распространяться со скоростью V = Cw / √2, где Cw он определил из измерений Вебера и Кольрауша. В итоге Кирхгофф пришел к выводу о том, что эти волноподобные возмущения тока проводимости будут распространяться со «скоростью очень близко аппроксимирующей скорость света в пустом пространстве».

К тому же ключевая для корректного вывода уравнений Максвелла из лагранжева формализма идея о том, что электрические токи линейны, а магнитные силы являются вращательными, заимствована Томсоном (а через него – и самим Максвеллом) из электродинамики Ампера-Вебера.

(D.3) Опыты Герца, в которых были открыты радиоволны, были запланированы и проводились в рамках не максвелловской, а гельмгольцевской исследовательской программы.

Как позже отмечал сам Генрих Герц, «Несмотря на мое величайшее преклонение перед максвелловскими математическими понятиями, я не всегда был уверен в том, что я схватил их физический смысл. Поэтому для меня не было возможным руководствоваться в моих опытах непосредственно максвелловской книгой. Вместо этого я руководствовался работами Гельмгольца, как это ясно видно по манере постановки моих экспериментов» (Hertz 1893, p.20).

Коллега и друг Максвелла немецкий физик Гельмгольц (как и его ученик Герц) скептически относился к максвелловской идее светового эфира и вместо нее разрабатывал концепцию, основанную на представлениях о диэлектрическом и диамагнитном веществе. Гельмгольц упорно пытался переполучить все значимые результаты максвелловской теории, не отказываясь при этом от основных положений электродинамики Ампера-Вебера. В частности, он предполагал, что электростатические силы обязательно присутствуют в пространстве в качестве особого поля, и что изменение поляризации или смещения зарядов свидетельствует об изменении поля электростатического (Helmholtz, [1870],1882).

Исходя из этих допущений, Гельмгольц в работе «Об уравнениях движения электричества в покоящихся проводя-щих средах», опубликованной в 1870, успешно вывел обобщенные уравнения, во многом сходные с уравнениями Максвелла, и показал, что в определенном предельном случае они переходят в максвелловские. Но в дополнение к обычным поперечным электромагнитным волнам, Гельмгольц обнаружил продольные электрические волны, распространяющиеся с бесконечной скоростью в максвелловском пределе k=0. Для подтверждения этих весьма нетривиальных выводов из своей теории в 1879 г. Гельмгольц организовал конкурс с премией за «Экспериментальное упрочение отношения между электромагнитным действием и поляризацией диэлектриков» и уговорил одного из лучших своих студентов – Генриха Герца – принять в этом конкурсе участие.

И в 1886—88 гг. Герц занялся в Карлсруэ – пригороде Берлина – исследованием соотношений между теориями Максвелла и Гельмгольца в новой серии экспериментов. Он разработал целую серию измерений, исходящих из гельмгольцевского разделения общей электрической силы на электростатическую и электродинамическую компоненты, распространяющиеся с принципиально отличными друг от друга скоростями. Согласно Герцу, «Общая сила может быть разделена на электростатическую и электродинамическую части; несомненно, что на коротких расстояниях преобладает и определяет направление действие общей силы первая, а на длинных – вторая компоненты» (Hertz [1888], 1893, p. 110).

В соответствии с законом Кулона, электростатическая компонента должна быть пропорциональна обратному квадрату расстояния, в то время как электродинамическая компонента – только расстоянию в минус первой степени. В обычном разделе классической электродинамики этой ситуации соответствует член, описывающий продольную компоненту электромагнитного поля, и член, описывающий поперечную, или радиационную компоненту.

Герц задумал серию экспериментов, и его усилия были, как известно, вознаграждены. Но необходимо отметить, что заголовок герцевской работы 1888 г. «О конечной скорости распространения электромагнитного действия» может с современной точки зрения показаться старомодным, поскольку сторонники максвелловской теории, особенно т.н. «максвелловцы» (the Maxwellians) никогда не употребляли термины гельмгольцевской электродинамики. И тем более они никогда не расщепляли общую электрическую силу на электромагнитную и электростатическую части.

Но для тех современников Герца, которые поддерживали теорию Гельмгольца, значение полученных Герцем результатов было ясно: герцевские эксперименты делали качественное заключение о конечности распространения электромагнитной части, но ничего определенного не могли сказать об электростатической компоненте. Поэтому Герц в этой статье и делал важную оговорку: «Из этого следует, что абсолютное значение первого из всего этого – того же самого порядка, что и скорость света. Ничего до сих пор нельзя сказать определенного о распространении электростатического действия».

Как отмечает современный исследователь творчества Гельмгольца и Герца Роман Смирнов-Руэда, некоторые герцевские измерения, судя по всему, свидетельствовали о мгновенном характере электростатической компоненты, но до конца он не был в этом убежден. Поэтому Герц предпочитал осторожные выражения: «В силу того, что интерференции вне всякого сомнения изменяют знак после 2,8 метров в окрестности первого осциллятора, мы можем заключить, что электростатическая сила, которая в данном случае превалирует, распространяется с бесконечной скоростью» (Hertz [1888], 1983, p. 110).

По сути дела последняя часть приведенной цитаты предвещала открытый переход Герца в «максвелловскую веру». С точки зрения Герца, существование двух различных скоростей приписываемых двум различным частям электромагнитного действия делает задачу анализа слишком сложной. То есть из двух различных объяснений полученных данных Герц выбрал такое, которое в большей степени соответствует критерию «простоты», который им и до этого применялся постоянно к уравнениям Максвелла.

«Гельмгольц различает между двумя видами электрической силы – электромагнитным и электростатическим, – которым, до тех пор пока экспериментом не будет доказано противоположное, – приписывается две различные скорости. Интерпретация моих экспериментов с этой точки зрения ни в коей мере не является ошибочной, но она возможно излишне усложнена. В особом предельном случае теория Гельмгольца становится значительно проще, и ее уравнения в этом случае сводятся к уравнениям максвелловской теории; остается только одна сила, которая и распространяется со скоростью света» (Hertz [1889], 1893, p. 121).

(E) Влияние идей Фарадея и на юного, и особенно на зрелого Максвелла сильно преувеличено, не в последнюю очередь самим создателем электромагнитной теории света (возможно, отчасти из патриотических побуждений: все-таки и Фарадей, и Максвелл – британские подданные). Вне всякого сомнения, влияние фарадеевских «Экспериментальных исследований» (1839-1855), опытов не только по электромагнитной индукции (1831) но и особенно по вращению плоскости поляризации света в магнитном поле (1845) на создание максвелловской теории трудно переоценить. Но и в этом случае все-таки следует разделять сами экспериментальные исследования и те философские идеи, которые за их интерпретацией стоят.

Для самоучки, не имевшего не только высшего, но и полноценного среднего образования, сына деревенского кузнеца, зятя старосты находившейся в весьма непростых отношениях с официальной англиканской церковью, «фундаменталистской» сандаманианской христианской общины, который впоследствии сам эту же общину и возглавил, была характерна твердая вера в целесообразность и разумность устроения мира Творцом.

Отвечая в 1844 г. на вопросы о своих религиозных воззрениях, Майкл Фарадей отмечал: «на мой взгляд, дискуссия по религиозным вопросам – пустое дело. В моей религии никакой философии нет. Я принадлежу к очень маленькой и презираемой (despised) секте христиан, известной, если вообще известной кому-нибудь, как сандаманиане, и наша надежда – в вере в Христа» (цит. по: Dr.Bence Johns, 1870, p. 195).