Мир электричества

Молодой профессор Маришаль-колледжа в шотландском городе Абердине, Джеймс Клерк Максвелл, тоже не мог принять грубые железные опилки Фарадея за материальные аналогии линий сил, заполнявших пространство. Ему больше импонировала гипотеза о том, что они лишь указывают направление, по которому среда испытывает определенное напряжение.

Напряжение же это создается, как позже предположил Максвелл, токами смещения. Ведь уже Ампер, говоря о том, что каждый ток в проводе порождает вокруг себя магнитные силы, фактически уходил от понятия пустого «ничто» и от принципа дальнодействия, хотя и не признавал этого…

И Максвелл решительно порывает с дальнодействием. Он задумывает так описать математически линии магнитных сил, чтобы это не противоречило основным электромагнитным идеям. В 1857 году в «Трудах Кембриджского философского общества» появляется его статья «О фарадеевских линиях сил» – 56 страниц математики. Максвелл разослал свою статью по списку всем британским физикам, занимающимся вопросами электродинамики. Однако надо признать, что эта работа, по сути, – программа его исследований в области электричества на всю жизнь, особого внимания не привлекла. Разве что друг семьи и старший коллега Максвелла профессор Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) поздравил его с успехом. Большинство же коллег, признавая за автором виртуозное владение математическими методами, недоумевали. «Почему бы профессору Максвеллу, – говорили они, – не применить свои математические способности для уточнения и совершенствования уже существующей теории? Чего ради он бьется над измышлениями бывшего переплетчика, не владеющего языком науки?» (Так, несмотря на признание, кое-кто из снобов от науки называл Фарадея.) Но Максвелл и не надеялся особенно на отзывы. И тем больше была его радость, когда почтальон принес ему письмо от самого Фарадея. Старый ученый благодарил молодого коллегу за его работу, добавив в конце послания: «Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет ее выдержал.» Фарадей прислал Максвеллу и свою статью, из которой тот понял, что мэтр сам не полностью уверен в идее близкодействия. Его силовые линии не подходили для описания природы тяготения. Неясной была и скорость распространения «электротонического состояния», как называл Фарадей магнитное поле.

В ответном письме Максвелл писал:

«Дорогой сэр. Сейчас, насколько мне известно, Вы являетесь первым человеком, у которого возникла идея о том, что тела действуют друг на друга на расстоянии посредством обращения окружающей среды в состоянии напряжения, идея, в которую действительно следует поверить. У нас были когда-то потоки крючочков, летающих вокруг магнитов, и даже картинки, на которых изображены окруженные ими магниты; но нет ничего более ясного, чем Ваше описание всех источников силы, поддерживающих состояние энергии во всем, что их окружает, состояние, усилением или ослаблением которого можно измерить проделанную в системе работу. Мне кажется, что Вы ясно видите, как силовые линии огибают препятствия, гонят всплески напряжения в проводниках, сворачивают вдоль определенных направлений в кристаллах и несут с собой везде все то же самое количество способности к притяжению, распределенной более разреженно или густо, в зависимости от того, расширяются эти линии или сжимаются. Но когда мы встречаемся лицом к лицу с вопросом о гравитации. имеет ли она какое-нибудь отношение к электричеству? Или она покоится в самых глубинных фундаментах материи, массы или инерции? – тогда мы ощущаем необходимость экспериментов.

Я только попытался сейчас показать Вам, почему я не считаю гравитацию опасным объектом в смысле применения Ваших методов. Вполне возможно и на нее пролить свет, воплощая те же идеи, которые математически выражаются функциями Лапласа и сэра В. Р. Гамильтона в планетарной теории.

Искренне Ваш Джеймс Клерк Максвелл».

Фарадей был благодарен молодому математику за его слова, поскольку мало кто из окружающих понимал и принимал его идеи. Он тут же ответил: «Профессор Фарадей – проф. Максвеллу. Альбермарл-стрит, Лондон, 13 ноября 1857.

…Ваше письмо для меня – это первый обмен мнениями о проблеме с человеком Вашего образа мышления. Оно очень полезно для меня, и я буду снова и снова перечитывать его и размышлять над ним.

Есть одна вещь, о которой я хотел бы Вас спросить. Когда математик, занятый исследованием физических действий и их результатов, приходит к своим заключениям, не могут ли они быть выражены общепонятным языком так же полно, ясно и определенно, как и посредством математических формул?

Я думаю, что это так и должно быть, потому что я всегда обнаруживал, что Вы могли донести до меня абсолютно ясную идею Ваших выводов, которые даже без понимания шагов Вашего математического процесса дают мне результаты не выше и не ниже правды, причем настолько ясные в своей основе, что я могу над ними думать и с ними работать».

Максвелл понимал, что для пояснения его математических описаний он должен придумать некую наглядную модель окружающей среды, которая способна приходить в «электротоническое состояние» и передавать свое воздействие на расстояние по линиям сил. Он пишет еще несколько статей и в конце концов приходит к созданию модели. Среда, в которой распространялись магнитные силовые линии, представлялась ему как совокупность множества крохотных вихревых токов, непрерывно вращающихся в одном направлении. Они и создавали магнитное поле.

Механический аналог среды состоял из вращающихся шестеренок, аналогичных вихревым молекулярным токам, с промежуточными сателлитами.

Вихревые токи Максвелла довольно долго не находили сторонников. Даже Фарадей сомневался в их правомерности.

Но условная «грубая» модель Максвелла демонстрировала электрическое притяжение и отталкивание, убедительно показывала, что магнитное поле должно действовать перпендикулярно движению тока. Более того, она требовала, с изменением электрических сил, появления магнитного поля, то есть явления, симметричного индукции, открытой Фарадеем.

Разумеется, Максвелл не считал свою модель реальным отражением действительности. В одной из статей он писал, что модель ему была нужна только для того, чтобы «вывести математические соотношения между электротоническим состоянием, магнетизмом, электрическими токами и электродвижущей силой, используя механические иллюстрации для того, чтобы помочь воображению, но не в качестве объяснения явлений».

Механическая модель Максвелла для объяснения электромагнитных явлений

К этому времени постепенно к Максвеллу приходит признание. В 1860 году он из провинциального Абердина по конкурсу переходит в Кингс-колледж Лондонского университета на кафедру натуральной философии (сегодня мы сказали бы – на кафедру физики). Он занимается не только электродинамикой. Максвелл исследует свет, пишет прекрасную работу «Теория трех основных цветов» и в 1861 году демонстрирует в Королевском институте результаты своих опытов. За эти работы ему присуждают почетную медаль Румфорда.

В том же году, за неделю до своего тридцатилетия, Джеймс Клерк Максвелл не без волнения надевает мантию члена Лондонского королевского общества.

В то же время его математическая теория среды, пронизанной электрическими и магнитными силами (не будем забывать, что Максвелл был физиком-теоретиком и блестящим математиком), открывала ему все новые свои стороны. Так получалось, что попеременное возникновение электрического и магнитного поля в среде должно описываться волновыми уравнениями. А это очень близко соприкасалось с его исследованиями световых явлений.

В октябре 1861 года он писал Фарадею, что если свет действительно является волновым процессом, то многие его свойства и оптические явления можно и объяснить по-новому. А это могло бы значительно облегчить расчеты и создание оптических приборов…

В 1864 году Максвелл выпускает в свет последнюю из трех основных статей по электромагнетизму – «Динамическая теория электромагнитного поля». В ней он уже уверенно пишет, что изменение электрического поля вызывает в окружающей среде токи смещения, которые, в свою очередь, порождают магнитное поле. Таким образом, он вводит в научный обиход термин «электрическое и магнитное поле».