Поездка с Дэви в Европу, встречи с такими учеными, как Ампер, Гей- Люссак, Вольта, во многом способствовали научному становлению Фарадея, который помогал Дэви в его опытах во время лекций, участвовал в беседах с учеными. Из Европы он писал: “Я научился понимать свое невежество, стыжусь своих разнообразных недостатков и желаю воспользоваться теперь случаем исправить их”. Но это лишь начало его научного пути, и столь самокритичная оценка вполне естественна. Пройдут годы, а Фарадей, став признанным ученым с мировой известностью, останется столь же строгим к себе и столь же скромным. В последние годы жизни он дважды отклоняет почетнейшее предложение стать президентом Королевского общества – высшего научного учреждения Англии. Столь же категорично он отказывается от предложения о возведении его в рыцарское звание, дающее ему ряд прав и почестей, в числе которых и такое, как превращение в “сэра Майкла Фарадея”. Простота, благожелательность, доброта, скромность – вот его характернейшие черты.
Фарадей не был математиком. Его научная работа всегда связана с экспериментом. Все свои опыты (в том числе и неудачные) он со скрупулезной тщательностью записывал в особом дневнике, который потом вышел в виде обширного труда “Экспериментальные исследования по электричеству”. Последний параграф дневника помечен номером 16041. Всего с1816 по 1862 г. он опубликовал 220 работ. В дневниках Фарадея не было ни одной формулы, и тем не менее это был один из глубочайших теоретиков, ценящий не математический аппарат, а физическую суть, механизм явлений. В записках Фарадея обнаружена “школа научных заслуг”, содержащая четыре ступени: открытие нового факта; сведение его к известным принципам; открытие факта, не сводимого к известным принципам; сведение всех фактов к еще более высоким принципам. Открытия самого Фарадея – высшая ступень по его шкале.
В своих экспериментальных исследованиях Фарадей не щадил себя. Он не обращал внимание на проливающуюся ртуть, столь широко использующуюся в опытах того времени, и это укоротило его жизнь. Не обходилось и без взрывов приборов при исследовании сжижения газов. В одном письме он пишет: “В прошлую субботу у меня случился один взрыв, который опять поранил мне глаза... Первое время глаза мои были прямо-таки набиты кусочками стекла. Из них вынули тринадцать осколков”.
Его научное кредо, которым он руководствовался всю жизнь, выражено в следующих словах: “Ученый должен быть человеком, который стремится выслушать любое предположение, но сам определяет, справедливо ли оно. Внешние признаки явлений не должны связывать суждений ученого, у него не должно быть излюбленной гипотезы, он обязан быть вне школ и не иметь авторитетов. Он должен относиться почтительно не к личностям, а к предметам. Истина должна быть главной целью его исследований. Если к этим качествам добавиться еще трудолюбие, то он может надеяться приподнять завесу в храме природы”.
До последних дней Фарадей сохранил верность своим жизненным идеалам. Ослабевали возможности к напряженной умственной работе, но оставались высочайшая порядочность, доброта, честность. В 70 лет он, блестящий лектор, решает покинуть институт. “Здесь я провел счастливые годы, но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга”. В числе мотивов ухода: “тускнеют и забываются прежние представления о правах, чувстве собственного достоинства и самоуважения. Сильная потребность поступать справедливо по отношению к другим и неспособность сделать это. Удалиться”. Последнюю лекцию он прервал, обратившись к слушателям со своими сомнениями – не слишком ли долго он находится с ними. Поднявшаяся в едином порыве аудитория овациями заставила его вернуться на кафедру.
25 августа 1867 г. в возрасте семидесяти пяти лет Фарадей умер.
Дело Фарадея по обоснованию понятия поля продолжил другой величайший английский физик – Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879).
6. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом.
Прежде чем перейти к теории Максвелла, остановлюсь кратко на развитии электродинамики от Фарадея до Максвелла.
Казалось бы, идеи Фарадея должны были сразу дать мощный толчок развитию теоретических исследований. Однако так не произошло. Фарадея очень высоко ценили как экспериментатора, но к его теоретическим идеям относились с недоверием. По этому поводу Р.Милликен писал: “Формалисты школы Ампера – Вебера... с тайным, а иногда и явным презрением смотрели на “грубые материальные” силовые линии и трубки, порожденные фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея”. Теория поля Фарадея не удовлетворяла идеалу физической теории, сложившемуся к этому времени, – она не была выражена на языке математики. И идея близкодействия физикам по-прежнему не импонировала. Теории электрических и магнитных явлений продолжали строиться на основе принципа дальнодействия.
Французский ученый С. Пуассон и немецкий математик Карл Фридрих Гаусс математически оформляют учение об электричестве и магнетизме. Вебер, исходя из теории дальнодействия, устанавливает обобщенный закон для силы взаимодействия электрических зарядов как покоящихся, так и движущихся (токов), из которого законы Кулона и Ампера выводятся как следствия. Ему, а также немецкому ученому Ф. Нейману удается получить и математическое выражение закона электромагнитной индукции Фарадея. Четко формулируются основные понятия электродинамики: “сила тока”, “потенциал”, “емкость”, “индуктивность” и т.д. И тем не менее учение об электромагнетизме не представляет собой стройной теории, основанной на единых общих принципах, из которых как следствия выводились бы уравнения электростатики, электродинамики, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока. Все эти разделы продолжали оставаться в известной мере обособленными. К тому же из теории Вебера не вытекало никаких принципиально новых следствий, а задача всякой новой теории – не столько систематизация и обобщение известного, сколько предсказание новых результатов.
Теоретические представления Фарадея в духе близкодействия по-прежнему не исследовались.
Столь отнюдь не радужное положение дел в учении об электромагнетизме лучше всех понимал Максвелл, который познакомился с работами Фарадея и стал убежденным сторонником выдвинутой им идеи близкодействия. Максвелл поставил перед собой задачу выразить идеи Фарадея языком математики и в конце концов блестяще решил ее. По выражению Р. Милликена, он “облек плебейски обнаженные представления Фарадея в аристократические одежды математики”.
Максвелл получил уравнения электромагнитного поля, которые описывали его свойства и структуру и являлись не простым математическим выражением идей Фарадея, а содержали нечто неизмеримо большее.
¶ B ¶ D
rot E = - , rot H = 4 p j + ,
¶ t ¶ t
div D = r , div B = 0
В этих уравнениях заключено все учение об электричестве и магнетизме! Глядя на лаконичную форму этих уравнений, как не вспомнить Ньютона: “Природа проста и не роскошествует излишними причинами”. Не случайно Герц, придавший уравнениям Максвелла тот вид, в котором они ныне пишутся (это же было сделано и Хевисайдом), говорил: “Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным умом – кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них было заложено”.
Что же нового дала физике теория электромагнитного поля, которую Максвелл начал разрабатывать с 1855 г. и в окончательном виде оформил в работе “Трактат по электричеству и магнетизму”, вышедшей в 1873 г.?
Вклад Максвелла сводится в общих чертах к следующему.
Теория Максвелла вводит в физику фундаментальнейшее понятие единого электромагнитного поля. “Теория, которую я предлагаю,– пишет Максвелл,– может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела; она может быть также названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления”. И далее: “Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит и окружает тела, находящиеся в наэлектризованном или намагниченном состоянии”. Правда, здесь с современной точки зрения есть неточность: поле – это не часть пространства, а материальный объект, существующий в пространстве и времени. Есть и еще одно несоответствие идей Максвелла современным взглядам: поле у Максвелла – не самостоятельный объект, а процесс, происходящий в эфире, проявление эфира.
Лишь в дальнейшем в связи с созданием теории относительности, когда стало возможным устранение гипотезы эфира, поле было признано самостоятельно существующим видом материи, не нуждающимся в особом материальном носителе. Введение понятия поля как основного объекта, обеспечивающего все электромагнитные взаимодействия, акцент не на заряды и токи, а на “порожденное” ими поле означают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия.
Принципиально новой чертой теории Максвелла, выражающей последовательное проведение идеи близкодействия, является то, что теория Максвелла исходит из признания конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Из этого вытекает то, что сигнал, испущенный источником, но не принятый еще приемником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование, обладающее энергией, которая по Максвеллу, сосредоточена в поле. Энергия электромагнитного взаимодействия у Максвелла зависит от параметров поля ( E и B ). Это есть энергия поля, а не энергия зарядов и токов. Но энергия не может быть без материального носителя. Следовательно, поле является объективной реальностью.