Трактат об электричестве и магнетизме

Давно известно также, что феномен действия на расстоянии проявляют и другие тела, в частности магнитный железняк или куски железа и стали, подвергнутые определённой обработке. Оказалось, что эти явления вместе с другими им родственными явлениями отличаются от электрических; они были отнесены к классу явлений Магнитных, поскольку в фессальской магнезии был обнаружен магнитный железняк - (магнес).

В дальнейшем было установлено, что явления этих двух классов связаны между собой, и эти связи между различными явлениями обоих классов, насколько их удалось выявить, составили содержание учения об электромагнетизме.

В нижеследующем трактате я намерен описать наиболее важные из этих явлений, показать, как они могут быть подвергнуты измерениям, а также проследить математические связи между измеряемыми величинами. Получив таким образом данные для математической теории электромагнетизма и показав, как эта теория может быть применена к расчёту явлений, я постараюсь ясно, насколько смогу, осветить взаимосвязи между математической формой этой теории и математической формой основополагающей науки Динамики, чтобы в какой-то мере подготовиться к выделению того класса динамических явлений, среди которого следует искать иллюстрации или объяснения явлений электромагнитных.

При описании явлений я буду отбирать те из них, которые наиболее отчётливо иллюстрируют основные идеи теории, опуская другие явления или откладывая их рассмотрение до той поры, пока читатель не станет более подготовленным.

С математической точки зрения наиболее важным понятием при рассмотрении любого явления является понятие измеряемой величины. Поэтому я буду подходить к электрическим явлениям главным образом с точки зрения их измеримости, описывая методы измерения и определяя эталоны, от которых они зависят.

Применяя математику для вычисления электрических величин, я буду стараться в первую очередь делать наиболее общие выводы из данных, имеющихся в нашем распоряжении, и уже на следующем этапе применять полученные результаты к избранным простейшим случаям. Я буду по возможности избегать касаться тех вопросов, которые, хотя и способствовали выявлению искусности математиков, но не расширили наших научных познаний.

Внутренние взаимосвязи различных отраслей науки, которую нам предстоит изучить, более многочисленны и сложны, чем у любой другой из развитых до сих пор наук. Её внешние связи, с одной стороны, с динамикой, а с другой - с теплотой, светом, химическим действием и строением тел, по-видимому, указывают на особую важность науки об электричестве, как подспорья в истолковании природы.

Поэтому мне кажется, что изучение электромагнетизма во всей его полноте приобрело сейчас первостепенное значение, являясь средством стимулирования прогресса науки.

Математические законы явлений обоих классов разработаны в значительной степени удовлетворительно.

Исследованы также и связи между этими классами явлений, а вероятность того, что экспериментальные законы обладают строгой точностью, значительно возросла благодаря более широким знаниям об их соотношениях друг с другом.

Наконец, удалось достигнуть известного прогресса в сведении электромагнетизма к динамике, показав, что ни одно электромагнитное явление не противоречит предположению о том, что оно определяется чисто динамическим действием.

Однако всё, что было сделано до сих пор, никоим образом не истощило поля деятельности в области электричества, а скорее открыло его, указав на объекты для изучения и снабдив нас средствами исследований.

Вряд ли необходимо распространяться о полезности результатов исследований по магнетизму для навигации, о важности знания истинного направления стрелки компаса и влияния железа на корабле. Но усилия тех людей, которые посредством магнитных наблюдений старались сделать навигацию более надёжной, одновременно значительно ускорили прогресс чистой науки.

Гаусс, будучи членом Германского магнитного союза, вложил свой могучий интеллект в теорию магнетизма и методы его наблюдения. И он не только многое привнёс в наше знание теории притяжений, но и перестроил всю науку о магнетизме в отношении используемых приборов, методов наблюдения и расчёта результатов, так что его труды по земному магнетизму могут быть взяты за образец физического исследования для всех, кто занимается измерением любых сил в природе.

Важные применения электромагнетизма в телеграфии также оказали обратное воздействие на чистую науку, придав точным электрическим измерениям коммерческую ценность и предоставив возможность исследователям в области электричества использовать аппаратуру в масштабах, значительно превышающих масштабы обычной лаборатории. Этот спрос на знания по электричеству, а также экспериментальные возможности их приобретения уже возымели весьма значительные последствия как для стимулирования активности передовых исследователей в области электричества, так и для распространения среди практиков такой степени точности знания, которая, видимо, должна привести к общему научному прогрессу всей инженерной профессии.

Существует несколько трактатов, где электрические и магнитные явления изложены популярно. Однако они не отвечают потребностям тех людей, которые лицом к лицу сталкиваются с величинами, подлежащими измерениям, и чей ум не остаётся удовлетворённым опытами в лекционном зале.

Существует также масса математических работ, представляющих огромную важность для науки об электричестве, но они упрятаны в объёмистых трудах учёных обществ; они не образуют единой связанной системы, очень неравноценны по своим достоинствам и в большинстве своём находятся за пределами понимания кого бы то ни было, кроме признанных (professed) математиков.

Поэтому я полагал, что будет полезен трактат, который имел бы главной своей задачей охват всего предмета в целом с общей методической позиции, трактат, в котором было бы указано, как каждая часть этого предмета становится доступной проверке путём действительных измерений.

Общее построение трактата существенно отличается от построения нескольких превосходных трудов по электричеству, в большинстве своём опубликованных в Германии. Может показаться даже, что я несправедливо поскупился отдать должное исследованиям некоторых знаменитых учёных в области электричества и математики. Одна из причин состоит в том, что, прежде чем начать изучение электричества, я решил не читать никаких математических работ по этому предмету, пока не проштудирую вначале «Экспериментальные исследования по электричеству» Фарадея («Experimental Researches in Electricity»).

Мне было известно, что между пониманием явлений Фарадеем и математиками предполагается существование таких различий, что ни он, ни они не были удовлетворены языком друг друга. У меня было также убеждение в том, что это расхождение не возникло вследствие чьей-либо неправоты. Впервые меня убедил в этом сэр Уильям Томсон ¹, советам и помощи которого, равно как и его опубликованным работам, я обязан большей части знаний, приобретённых мною по данному предмету.

¹ Я пользуюсь случаем выразить свою признательность сэру У. Томсону и профессору Тэту (Тait) за многие ценные предложения, сделанные во время печатания этой книги.

По мере изучения Фарадея я осознал, что его подход к пониманию явлений тоже является математическим, хотя и не представлен в общепринятой форме через математические символы. Я нашёл также, что его методы могут быть выражены в обычных математических формах и, таким образом, сопоставлены с методами признанных математиков.

Так, например, Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие всё пространство силовые линии там, где математики видели центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение Явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде, а они довольствовались тем, что нашли его в силе (power) действия на расстоянии, которая прикладывается к электрическим жидкостям.