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.

---

Именно взаимодействие исследовательских традиций Аристотеля и Птолемея – «физики Земли» и «математики Неба» – привело к генезису классической механики, когда «прогресс науки состоял в освобождении от небесных механизмов, которыми поколения астрономов загромождали небеса, в смывании паутины (sweeping cobwebs off) с неба» (Maxwell, 1890, p. 315; см. также: Нугаев, 2012).

Аналогично, взаимодействие других исследовательских традиций – экспериментальной – Фарадея – и математических – Юнга-Френеля и Ампера-Вебера – привело к созданию максвелловской электродинамики за счет создания целого конгломерата гибридных объектов и прежде всего т.н. «тока смещения», сконструированного из базисных объектов всех трех встретившихся программ.

Далее, взаимодействие теоретической традиции – гибридной программы Гельмгольца – с экспериментальной привело к получению Герцем своих экспериментальных результатов, послуживших убедительным аргументом в пользу существования радиоволн. В процессе этого взаимодействия, продолжавшегося несколько лет, встретившиеся традиции постоянно корректировали друг друга. Влияние эмпирической традиции состояло в последовательном отборе наиболее простых по отношению к «фактам» теоретических объяснений, в то время как влияние теоретической состояло в отборе тех экспериментальных фактов, которые представлялись наиболее существенными, и в обозначении перспективных направлений эмпирических исследований.

Было бы странным, если бы Герц оказался первым, кто наблюдал радиоволны. И действительно, до него стоячие электромагнитные волны обнаружил Хьюз. Радиоволны в 1875-1882 гг. также наблюдались и самим Томасом Альвой Эдисоном. Но никто из них не был настолько осведомлен в теории Максвелла для того, чтобы cвязать наблюдаемые эффекты с электромагнитным излучением.

С другой стороны, роль (электромагнитной) теории в герцевском открытии не следует и преувеличивать. Согласно самому Герцу «Я также не верю в то, что можно было придти к познанию этих явлений только на основе одной только теории. Поскольку их появление на нашей экспериментальной сцене зависит не только от их теоретической возможности, но также и от особых и удивительных свойств электрической искры, которые не могут быть заранее предсказаны ни одной теорией» (Hertz, 1893, p. 17).

И, наконец, в 1905 г. в статье «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн показал, что электрические и магнитные силы составляют части одного и того же физического явления – электромагнитного взаимодействия. Разделение этого взаимодействия на электрическую и магнитную компоненты носит во многом условный характер и в большой степени зависит от системы отсчета, в которой мы описываем взаимодействие. Важно также, что в работах Эйнштейна проблема «дополнительности» электрического и магнитного полей оказалась на самом деле связанной с другой, более глубокой проблемой – «дополнительности» полевого и корпускулярного описания электромагнитных явлений.

В итоге история становления максвелловской электродинамики еще раз свидетельствует о том, что само содержание столь привычных для философа науки понятий как «верификация», «фальсификация», «предсказание» в значительной мере должно рассматриваться в контекстах взаимодействия различных традиций между собой.

Соответственно, первая часть данной работы (гл. I) посвящена наброску философско-методологической позиции Максвелла в ее сравнении с позициями его современников – от М. Фарадея до У. Томсона; вторая часть (гл. II —гл. IV) – рассмотрению того, как он эту позицию в своем творчестве отстаивал и реализовывал. Последняя, V глава, посвящена эмпирическому подтверждению теории Максвелла и той роли, которую сыграла в этом процессе кантианская эпистемология.

Несмотря на то, что переводы всех основных научных и научно-популярных статей Джеймса Максвелла, Уильяма Уэвелла, Германа Гельмгольца и Генриха Герца в отечественной литературе уже имеются, автор данной работы иногда вынужден был, по вполне понятным соображениям, прибегать к самостоятельным переводам, о чем имеются прямые указания в тексте.

ГЛАВА ПЕРВАЯ МАКСВЕЛЛОВСКАЯ МЕТОДОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ГЛОБАЛЬНОЙ ТЕОРИИ

Непосредственными предшественниками Максвелла в деле создания теории электромагнетизма были Ганс Христиан Эрстед (1777—1851), Андре-Мари Ампер (1775—1836), Майкл Фарадей (1791—1867) и Уильям Томсон (1824—1907). Значительное влияние на разработку максвелловской методологии синтеза оказал также и кембриджский естествоиспытатель и философ науки, ректор Тринити Колледжа Уильям Уэвелл (1794—1866). Сравнение их взглядов с максвелловскими позволяет более детально выявить особенности максвелловской методологии создания развитой научной теории.

Как известно, зимой 1819—1820 гг., во время лекционной демонстрации в копенгагенском госуниверситете, Эрстед совершил выдающееся открытие, состоявшее в выявлении влияния электрического тока на направление находившейся рядом магнитной стрелки. Он показал, что повороты магнитной стрелки образуют круг вокруг «замыкающего провода». Из эксперимента следовало, что сила, действующая между магнитным полюсом и током, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к ней, т.е. перпендикулярно. В конечном счете этот простой факт ставил под сомнение всю ньютонианскую систему мира.

Несмотря на уничижительные отзывы некоторых современников, открытие Эрстеда не было случайным; правда, именно это обстоятельство Эрстед и был вынужден доказывать всю жизнь. Так, в дальнейших своих комментариях он справедливо указывал на то, что еще в изданной им в Париже в 1813 г. книге «Recherches sur l’identite des forces chimique et electrique» утверждалось, что «еще необходимо проверить оказывает ли электричество в его наиболее латентном виде какое-либо действие на магнит как таковой». Даже в самых ранних своих трудах Эрстед предполагал, что магнетизм и электричество производятся одними и теми же силами. И эта точка зрения ни в коей мере не была новой. Она высказывалась и обсуждалась на протяжении более чем двух столетий, просто до Эрстеда никто не сумел ее наглядно продемонстрировать. При этом «всякий, ознакомившийся с работами этого физика как относительно его собственных, так и предшествующих открытий, сразу увидит, что опыты его скорее являлись следствиями его теорий, чем наоборот. В его открытии случай, по-видимому, играл весьма незначительную роль; он скорее затруднял его, ибо все было уже осмыслено и опыты продуманы задолго до их осуществления» (Фарадей, 1939, С. 41).

Поэтому неслучайно, что, несмотря на то, что с начала XVIII в. кафедра физики в копенгагенском университете была ликвидирована « с той целью, чтобы усилить курс богословия», золотую медаль студент этого университета Г.Х. Эрстед получил за эссе «Границы поэзии и прозы», а степени доктора философии будущий классик естествознания все-таки удостоился за опубликованный труд «Метафизические основы естествознания Канта». Судя по всему, отход от ньютонианского механистического мировоззрения начался именно с Канта (подробнее см. Pearce Williams, 1965, 1966).

В своей работе 1786 г. Иммануил Кант выдвинул такую динамическую теорию материи, в которой последняя рассматривалась как детерминируемая фундаментальными силами притяжения и отталкивания – в отличие от примитивной, твердой и непроницаемой материи Ньютона, – что сулило перспективу единого рассмотрения всех сил природы. Неслучайно именно кантовская динамическая теория материи послужила своеобразными пролегоменами и к натурфилософии Фридриха Шеллинга, и его ученика немецкого естествоиспытателя Риттера и самого Эрстеда.

Первоначальной мотивацией этого более широкого взгляда на вещи были новейшие открытия в электрохимии, интерпретируемые одним из философских наследников Канта – Шеллингом – как выражение единства магнитных, электрических и гальванических сил. Судя по всему, открытие Эрстеда было бы невозможно без шеллинговской натурфилософии. Это Шеллинг научил Эрстеда «задавать Природе правильные вопросы». С точки зрения Шеллинга, динамическая конституция материи образуется «из позитивной реальности силы расширения» (отталкивание) через «отрицательную реальность силы сжатия» (притяжение) вплоть до «ограничительного баланса двух этих сил в состоянии равновесия». Вызывающе анти-ньютоновскому подходу Шеллинга было чуждо разделение единого процесса взаимодействия между физическими телами на «материю» и «силы».

В полном соответствии с шеллинговской натурфилософией, Эрстед утверждал, что в природе нет ничего мертвого и закостенелого, и что каждая вещь существует лишь как развивающийся процесс, являющийся частью более общего и развивающегося целого. Будучи сторонами развития единого первоначала, законы природы и законы разума в конечном счете совпадают. С одной стороны, чувствительная материя есть реализация инобытия абсолютного (рационального) духа; с другой стороны, рациональное начало – это кульминация бесконечного диалектического процесса, при помощи которого чувствительная материя осознает сама себя.