На помощь моим сомнениям пришел всё тот же Павел Степанович Кудрявцев своими замечательными книгами «Фарадей» и «Максвелл». Я взял эти книги в библиотеке в начале октября. Почти весь октябрь прошел у меня под знаком этих двух великих имён.
Не могу удержаться, чтобы не привести обширные выписки из книг Кудрявцева о Фарадее и Максвелле. Я читал книги с упоением, восторгом! В конце концов, они меня убедили, что исходные мои посылки верны.
Выписки из книги П. С. Кудрявцева «Фарадей».
«Совершенство индуктивного действия, – говорит Фарадей, – даёт повод к любопытному соображению. Представьте себе тонкий заряженный металлический шар диаметром в два или три фута, изолированный посредине комнаты, а затем предположим, что пространство внутри этого шара занято мириадами маленьких пузырьков, или частиц, одинаково (или различно) заряженных электричеством, но так, что каждая изолирована от своих соседей и от шара; их индуктивная сила такова, что внешняя поверхность шара окажется заряженной силой, равной сумме всех их сил…». Максвелл, развивая идеи Фарадея, назвал то, что Фарадей называл здесь «индуктивной силой», потоком индукции, который наглядно представлял силовыми линиями, начинающимися в положительных зарядах и оканчивающимися в отрицательных, так что с каждой единицей электричества связана одна силовая линия, тогда полный поток линий индукции, пронизывающий замкнутую поверхность, равен алгебраической сумме всех зарядов, находящихся внутри этой поверхности, как бы ни были распределены эти заряды. Если замкнутая поверхность, окружающая эти заряды, – проводник, то этот поток индуцирует на её внутренней поверхности заряд, противоположный по знаку суммарному заряду всех заряженных тел, находящихся внутри неё, и на внешней – заряд, равный этому суммарному заряду. Таково содержание знаменитой теоремы Фарадея, играющей важную роль в математической теории электричества. Эта теорема, как мы уже говорили, носит название теоремы Гаусса – Остроградского, хотя Фарадей был первым, кто доказал её опытным путём. На этом методе основан, в частности, метод измерения зарядов частиц, часто применяемый в электронной и атомной физике. Желая измерить суммарный заряд частиц, собирают эти частицы в фарадеевский цилиндр и измеряют с помощью электрометра заряд, наведённый на внешней поверхности цилиндра. По теореме Фарадея этот заряд и равен сумме зарядов всех частиц, попавших в цилиндр.
Теорема Фарадея – Гаусса представляет собой важное соотношение, которое позднее Максвелл сделал одним из фундаментальных законов электромагнитного поля. Это соотношение отражает тот факт, что поле создаётся зарядами: линии индукции начинаются и кончаются в электрических зарядах. Поэтому для Фарадея электрическое действие всегда полярно. Если в комнате имеется положительно заряженный шар, то на стенках этой комнаты появляются отрицательные заряды, на которых заканчиваются линии индукции, выходящие из положительного шара. Вся Вселенная по Фарадею, – это огромный конденсатор, в котором положительные заряды связаны с отрицательными посредством линий индукции. (…)
25 июля 1844 года Фарадей пишет письмо Ричарду Тейлору, которое озаглавлено «Размышления об электрической проводимости и о природе материи». В этом письме Фарадей излагает свои взгляды на атомную теорию в том её виде, в каком она выглядела в его время. Эта теория широко была распространена среди физиков и химиков – современников Фарадея. Фарадей в начале письма даёт довольно точное изложение сущности этой теории. «Теория атомного строения, – говорит он, – которая, как мне кажется, является преобладающей, рассматривает атом как нечто материальное, имеющее некоторый объём; атому при его сотворении были сообщены силы, давшие ему с того времени и вплоть до настоящего способность составлять, когда несколько атомов собираются в группу, различные вещества, действия и свойства которых мы наблюдаем. Хотя они сгруппированы и удерживаются вместе благодаря своим силам, они не касаются друг друга; между ними имеется промежуточное пространство; иначе давление и охлаждение не могли бы заставлять тело сжиматься до меньшего объёма, а нагревание и растяжение – увеличивать его размеры; в жидкости эти атомы или частицы могут свободно двигаться одна вокруг другой, в парах или газах они тоже присутствуют, но удалены друг от друга гораздо больше, хотя всё же взаимосвязаны своими силами». Вот эту теорию и критикует Фарадей. Прежде всего, он – что вполне правильно – указывает, что атомная теория пока «в лучшем случае является только предположением». Фарадей указывает на необходимость тщательной проверки гипотезы, чётко отличать факт от теории, не поддаваться гипнозу теории при истолковании фактов. Научная осторожность в отношении применения гипотез является совершенно необходимой для прогресса науки – таков смысл общего отношения Фарадея к гипотезам.
Но это общие соображения. Специально в отношении атомной гипотезы Фарадей высказывает ряд мыслей, которые, как он сам пишет, подсказали ему «свет и электричество», названные им двумя «великими искателями-исследователями молекулярной структуры тел».
Что же сказали свет и электричество Фарадею? Прежде всего, он обратил внимание на роль пространства, разделяющего атомы, пространство, через которое передаётся свет и электричество и которое само является непрерывным. «Пространство должно пронизывать все массы материи во всех направлениях подобно сети, с той разницей, что вместо петель оно образует ячейки, изолируя каждый атом от соседей и только само оставаясь непрерывным».
В семнадцатом веке французский философ и математик Рене Декарт впервые рассматривал пространство как материю, не различая между собой материю и пространство. Но, пожалуй, только у Фарадея в приведённом выше отрывке пространство фигурирует как реальный физический объект наряду с атомами. При этом взгляде на пространство вполне естественным выглядит вопрос Фарадея, а чем является пространство по своим электрическим свойствам – проводником или изолятором? Атомы шеллака и других изоляторов погружены в пространство, и шеллак – изолятор. Атомы металла также погружены в пространство, но металл – проводник. Выходит, что пространство одновременно является проводником в металлах и изолятором в диэлектриках. Фарадей считает этот вывод катастрофическим для атомной теории. Оперируя данными о проводимости и плотности металлов, о проводимости калия и изолирующих свойствах его соединений, он вновь приходит к тому же противоречию. Где же выход?
В восемнадцатом веке жил славянский учёный Руджер Бошкович, который высказал очень своеобразную теорию строения материи. По мнению Бошковича, атомы являются центрами сил, причём эти силы меняются с расстоянием от центра вплоть до того, что притягательные силы могут сменяться отталкивательными и наоборот.
Фарадей ясно видел, что мёртвые, неизменяемые атомы-шарики, «с самого сотворения одарённые неизменными силами, не могут отразить живую, динамическую действительность физико-химических процессов. Эта действительность такова, что во всякой точке пространства может происходить игра электрических и магнитных сил, в области пространства, заполненного веществом, могут происходить процессы кристаллизации, растворения, соединения и разложения соединений». И эту живую, динамическую действительность, как думает Фарадей, лучше отражает атом Бошковича, чем атом-шарик современной ему атомной теории. Без действующих сил нельзя узнать о частице – вот основная мысль Фарадея. «Все наши наблюдения и знания об атоме, самоё наше воображение ограничиваются представлениями об его силах: на какую же мысль ещё опереть наше представление о некоем «а», не зависящем от признанных сил?» – спрашивает Фарадей. Нередко приходилось читать обвинения в адрес Фарадея в идеализме за такое представление об атоме. Но ничего идеалистического во взглядах Бошковича-Фарадея на атомы как центры сил нет. Эти атомы сама реальность и притом реальность живая, действующая, а не метафизический атом-шарик, неизменный кирпич мироздания. Более того, атомистика Фарадея значительно ближе к современным представлениям об атомах и их взаимодействиях. На современном языке мы бы выразили мысль Фарадея об атомах так: атом является центром силового поля, узлом в этом поле. Эти поля заполняют всё пространство, различные атомы одного и того же куска вещества не изолированы пустым пространством, они связаны своими силовыми полями. В газах, в твёрдых телах, в жидкостях атомы «касаются друг друга» своими силовыми полями.
«Значит, материя будет всюду непрерывной, и, рассматривая её массу, нам не надо предполагать различия между её атомами и каким-то промежуточным пространством».
Для таких атомов форма, твёрдость не является чем-то абсолютным, как в теории неизменных атомов. «Атомы можно представить себе чрезвычайно упругими; не надо считать их исключительно твёрдыми и неизменными по форме», – говорит Фарадей. Для этих атомов «то, что обычно подразумевается под термином форма, будет относиться к расположению и к относительной интенсивности сил». Если силы действуют одинаково на одном и том же расстоянии от центра, независимо от направления, то атом будет сферическим. Если «закон убывания силы от центра может изменяться для различных направлений, и тогда сечение одинаковой интенсивности будет сплюснутым или вытянутым сфероидом или будет иметь другую форму…».
Эта глубокая и ясная физическая картина близко напоминает картины рассеяния частиц, изучаемых современной ядерной физикой. Далее Фарадей высказывает совершенно еретическую с точки зрения тогдашней физики мысль, что атомы материи взаимно проницаемы. (!! Б.Г.) Фарадею идея проницаемости кажется весьма подходящей для описания соединения атомов в молекулу и разложения молекулы на атомы, он иллюстрирует это поразительным по физической интуиции примером «соединения двух морских волн различной скорости в одну: их временное полное слияние, а затем распадение на две составляющие волны». (!!! Б. Г.)
Фарадеевский атом – то целый космос. «Высказанный здесь взгляд на строение материи, – заканчивает Фарадей своё письмо, – по-видимому, неизбежно влечёт за собой вывод, что материя заполняет всё пространство, на которое распространяется тяготение, ибо тяготение есть свойство материи, зависящее от некоторой силы, и именно из этой силы состоит материя. В этом смысле материя не просто взаимно проницаема, но каждый атом простирается, так сказать, на всю солнечную систему, сохраняя, однако, свой центр сил». (!! Б. Г.)
Такая картина всецело соответствует духу близкодействия, выраженному принципом: «Материя не может действовать там, где её нет». Но Фарадей пока не торопится сформулировать отношение своей атомистики к этой теории, а также к теории света и к эфиру. Однако им была уже твёрдо намечена программа исследования, имеющего целью выявить взаимную связь всех сил природы. (Нет слов – гениально. Б. Г.)
Фарадей: пространство (эфир) и теория тяготения.
Таким же своеобразным было отношения Фарадея к эфиру. Учение о мировом эфире в применении к свету, магнетизму и электричеству защищали в восемнадцатом веке Ломоносов и Леонард Эйлер, с которым Ломоносов находился в переписке. Через три года после смерти Ломоносова Эйлер опубликовал на французском языке «Письма к немецкой принцессе», в которых в живой, популярной форме изложил свои физические воззрения. «Письма» эти читал и Фарадей, и они оказали на него несомненное влияние. Изучая физические воззрения Ломоносова, Эйлера, Фарадея, мы нередко находим в них весьма близкие мысли по одним и тем же физическим проблемам. Однако Фарадей ушел дальше Ломоносова и Эйлера в понимании эфира, он ясно чувствовал немеханическую, более глубокую природу электромагнитных взаимодействий. Мы это увидим дальше при изложении взглядов Фарадея на природу физического поля. Концепция эфира привлекла в начале девятнадцатого века большое внимание физиков в связи с успехами волновой теории света Юнга-Френеля. Эти успехи, казалось, сделали совершенно необходимой гипотезу эфира. Если свет представляет собой волны, а опыты по интерференции и дифракции света это неопровержимо доказывают, то должна существовать среда, в которой распространяются эти волны. Так как свет в отличие от звука может распространяться и в пустом пространстве, лишенном обычной материи, то отсюда вытекает единственный, как думалось, вывод, что это пространство не пусто, а заполнено особой тонкой материей – эфиром. Правда, из поперечности световых волн следовали очень загадочные механические свойства такого эфира. Известно, что поперечные волны могут существовать только в твёрдых телах, и было удивительно, что такая тонкая неощутимая среда, как эфир, обладает свойствами необычайно твёрдого тела. Но пока эти трудности физиков особенно не волновали, и они не сомневались в существовании эфира.
Фарадей, с недоверием относившийся к представлению об атомах как о неизменяемых, инертных шариках, с таким же недоверием относился и к представлению об эфире как мёртвой, неподвижной среде, которая приходит в движение, только когда в ней распространяются волны. 15 апреля 1846 года вскоре после открытия магнитного вращения плоскости поляризации, он пишет Ричарду Филиппсу письмо «Мысли о лучевых колебаниях». Здесь он ставит глубокий вопрос: «Не представляется ли возможным, чтобы те колебания, которыми, согласно одной из теорий (волновая теория света), объясняются излучение и его явления, происходили в силовых линиях, связывающих друг с другом частицы, а стало быть, и материальные массы?» Если мы вспомним, что силовые линии являются у Фарадея выражением того нового понятия, которое сегодня выражается словом «поле», то его вопрос звучит так: «Не являются ли световые колебания колебаниями электромагнитных полей, связывающих материальные частицы?». На этот вопрос наука со времён Максвелла отвечает утвердительно. Замечательно, что положительный ответ на этот вопрос влечёт за собой отказ от эфира как механического посредника световых колебаний: «Если допустить такую возможность, – говорит Фарадей, – то можно было бы обойтись без эфира, который согласно другой точке зрения является той средой, в которой совершаются эти колебания».
Эту точку зрения Фарадей связывает со своим представлением об атомах как центрах сил. «В этом случае, – напоминает Фарадей, – необходимо представляется, что частицы существуют только через эти силы и находятся там, где находятся они. Рассматривая материю с этой точки зрения, – продолжает Фарадей, – я пришел постепенно к предположению, что, может быть, силовые линии являются тем местом, где происходят колебания при явлениях излучения». Связь материальных частиц посредством силовых полей – центральная идея физических воззрений Фарадея. «Малейшим атом вещества на Земле, – говорит он, – действует непосредственно на малейший атом вещества на Солнце, хотя они разделены расстоянием 95 миллионов миль; далее, атомы, которые, как мы знаем, находятся на расстояниях, по крайней мере в девятнадцать раз больших, а в кометных массах и ещё гораздо дальше друг от друга, точно так же связаны между собой силовыми линиями, исходящими из обоих и принадлежащих каждому из них».
И именно эти тонкие и всепроникающие силовые поля и являются, по Фарадею, ареной физических действий. «Я не могу представить себе, – говорит он, – ни в каком месте пространства, будь оно пусто или заполнено материей, ничего иного, кроме сил и линий, по которым они действуют». «Точка зрения, которую я имею смелость предположить, рассматривает, таким образом, излучение, как колебания высокого порядка в силовых полях, которые, как известно, соединяют друг с другом частицы и тем самым материальные массы. Эта точка зрения стремится устранить эфир, но не колебания». Колебания эти поперечные, так как такой характер колебаний «единственно может объяснить чудесные, разнообразные и прекрасные явления поляризации». Распространение этих поперечных колебаний в пространстве требует времени. «Распространение света, и потому, вероятно, всякого лучистого действия, требует времени; и чтобы колебание силовой линии могло объяснить явление излучения, такое колебание также необходимо должно занимать известное время». (…)
В статье «О некоторых вопросах учения о магнетизме и о природе сил», появившейся 19 января 1855 года, Фарадей пишет: «Мне кажется весьма важным, что наша мысль в настоящее время была направлена на пересмотр теорий, относящихся к общей физической природе силы, и особенно тех её форм, которые замешаны в действии на расстоянии». Он вновь напоминает о письме Ньютона к Бентлею (Ньютон в нём высказал убеждение, что нельзя возложить на тяготение передачу действия на расстоянии без всякого посредствующего агента, т. е. необходимо условие существования физических силовых линий) и выражает уверенность, «что совсем близко время, когда его мысль о тяготении принесёт свои плоды», и высказывает новое соображение о силах, действующих на расстоянии, причём эти соображения, как пишет Фарадей, «находятся в связи с современными научными представлениями о сохранении и неуничтожимости силы». Итак, Фарадей в борьбе с теорией дальнодействия опирается теперь на закон сохранения энергии, ставший к этому времени прочным завоеванием науки. Так вот, опираясь на этот закон, Фарадей рассматривает взаимодействие двух тяготеющих масс, скажем Солнца и Земли. Пусть вначале Солнце и Земля находились далеко друг от друга и не взаимодействовали. Если теперь Землю поместить на своё место, то сейчас же возникнет сила притяжения, «причём Земля не имела с ним никакой физической связи ранее». Каким же образом, спрашивает Фарадей, «это действие может возникнуть только благодаря их сближению или сосуществованию?». «Крайне трудно представить себе, чтобы тело, лишенное силы, могло вызывать эту силу в теле, находящемся на расстоянии от него; но ещё труднее, если только это вообще возможно, допустить такое представление, если мы отдадим себе отчёт, что оно заключает в себе создание силы».
Любопытно, что совершенно такой же аргумент выдвигал в своё время Ломоносов. В письме к Эйлеру от 5 июля 1748 года он пишет, что если бы существовало «чистое притяжение» тела В к телу А, «то отсюда следовало бы, тело А, находясь в абсолютном покое, движет тело В». «Последнее же, – продолжает Ломоносов, – будет двигаться по направлению к телу А, т. е. к нему прибавится нечто новое, а именно движение к телу А, которого в нём ранее не было. Но все встречающиеся изменения в природе происходят так, что если к чему-либо нечто прибавляется, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого. Так как это всеобъемлющий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько оно сообщает другому, им двинутому». Поэтому, рассуждает Ломоносов, тело В не могло получить движения от покоящегося тела А. «Таким образом, чистое притяжение не существует в природе», – говорит Ломоносов, – т. е. дальнодействующего тяготения нет.
А вот что пишет Фарадей:
«Сохранение силы – это представление, глубоко вошедшее в мысль учёных; и мне кажется, что они все единодушно считают создание и уничтожение силы столь же невозможным, как и создание, и уничтожение материи. Но если мы предполагаем, что Солнце существует одно в пространстве, совсем не проявляя во вне силы тяготения, что в пространстве существует, далее, второй шар, находящийся в таких же условиях, и что оба они затем сближены друг с другом; если мы допускаем, что одно только их обоюдное присутствие заставляет каждый из этих шаров действовать друг на друга, то это значит допускать не только создание силы, а двойное создание, ибо тем самым предполагаем, что они оба перешли из первоначального инертного в действенное состояние. При их разъединении они, согласно предположению, вновь переходят в бездейственное состояние, а это равносильно уничтожению силы».
Итак, и Ломоносов, и Фарадей приходят к выводу, что существование дальнодействующего тяготения приводит к противоречию с законом сохранения движения (Ломоносов) или законом сохранения силы (Фарадей).
Ломоносов делает вывод: «Итак, поскольку никакое чистое притяжение не может существовать, то отсюда следует, что тяготение ощутимых тел проистекает от толчка и, следовательно, существует материя, которая толкает их к центру Земли. (!! Б. Г.) Но тяжестью обладают и мельчайшие частицы тяжелых тел, откуда очевидно, что тяготительная материя воздействует даже на мельчайшие частицы, вполне свободно проникает в самые узкие поры и, следовательно, должна быть в величайшей степени текучей». Итак, причиной тяготения, по Ломоносову, является движущаяся «текучая тяготительная материя», заполняющая пространство.
Фарадей делает другой вывод: тело создаёт вокруг себя поле тяготения, существующее в пространстве, и тогда, когда нет других масс, притяжение которых позволяет обнаружить это поле. Само это поле есть некоторая «возможность тяготения», некое потенциальное состояние. Фарадей пишет: «Действие всегда существуют вокруг Солнца и во всём бесконечном пространстве, независимо от того, имеются ли там вторичные тела, на которые действует тяготение, или нет; и не только вокруг Солнца, но и вокруг любой существующей частицы материи. При этом постоянное состояние необходимости действия в пространстве имеется и тогда, когда Земли нет на её месте; это существующее заранее состояние имеет результатом притягательное действие, когда Земля там находится».
Это представление кажется Фарадею совместным «с законом сохранения силы». Он полагает, что именно это представление имел в виду Ньютон, когда рассматривал тяготение. Таким образом, если Ломоносов рассматривал тяготение как особую движущуюся материю, заполняющую пространство, то Фарадей рассматривал его как силовое поле, создаваемое гравитационными массами. Но и Ломоносов, и Фарадей считали существенным моментом именно процессы в пространстве, а не в самих массах».
Ну разве это не прекрасно! Фарадей открылся для меня с новой, неожиданной стороны. Научная интуиция Фарадея потрясающа! Его суждения о природе атома, природе тяготения, о взаимосвязях сил природы удивляют своей проницательностью. Созвучие идей Ломоносова и Фарадея во взглядах на природу тяготения только подтверждает конгениальность обоих великих учёных.