Далее приведу выписки из книги П. С. Кудрявцева «Максвелл».
«Из письма Максвелла Фарадею от 19 октября 1861 года.
«Дорогой сэр! Я недавно исследовал теорию статической электрической индукции и попытался образовать механическую концепцию, характеризующую действие частиц воздуха, стекла и других диэлектриков, окончательным результатом которого будет притяжение или отталкивание «заряженных» тел. (…)
Моя теория электрической силы состоит в том, что они возбуждаются в изолирующих телах незначительными электрическими смещениями, которые деформируют малые части среды, и эта деформация, преодолеваемая упругостью среды, производит электродвижущую силу. Сферическая ячейка будет при таком смещении деформироваться таким образом, что диаметры, первоначально бывшие прямыми, будут теперь представляться кривыми. Я предполагаю, что упругость сферы воздействует на окружающую электрическую материю и давит на неё. (…)
В письме к В. Томсону от 10 декабря 1861 года Максвелл сообщает схему механической конструкции, которая моделирует связь между электричеством и магнетизмом. «Я предполагаю, – пишет Максвелл, – что магнитная среда разделена на малые части, или ячейки, эти подразделения, или стенки, ячеек образуют единичный слой сферических частиц, эти частицы будут «электричество». Вещество ячеек, как я предполагаю, обладает высокой степенью упругости по отношению к сжатию и деформации, и я предполагаю, что связь между ячейками и частицами в стенках ячеек такова, что между ними существует качение без скольжения и что они действуют друг на друга тангенциально». (…)
Затем Максвелл описывает упругие свойства системы, проявляющиеся при смещении частиц. «Я рассчитал, – пишет он, – предлагая ячейки сферическими, и их объёмную и линейную упругости связанными как в «совершенно» твёрдом теле соотношением между силой и смещением. Отсюда я нашел притяжение между двумя телами, обладающих на своих поверхностях данными количествами электричества, а затем сравнением с веберовским значением статической меры единицы электрического тока я вывел соотношение между упругостью и плотностью ячеек. Отсюда непосредственно следует скорость поперечных колебаний, и она равна 193 088 миль в секунду, что очень близко к скорости света». И далее: «Я имею основание верить, что магнитная и светоносная среда идентичны». Наконец Максвелл сообщает о своей теории магнитных вихрей. (…)
В первой части работы («Теория молекулярных вихрей в применении к магнитным явлениям») Максвелл рассматривает «магнитные явления с механической точки зрения» и исследует, «какие напряжения или движения среды способны вызывать наблюдаемые явления».
Так как моделью, в которой силовые линии изображались токами несжимаемой жидкости, не удалось представить в механических образах процесс электромагнитной индукции, Максвелл прибег к другой модели.
Определив силовую линию как линию, которая «в каждой точке совпадает по направлению с силой в этой точке», и, напомнив картину распределения силовых линий магнита с помощью железных опилок, Максвелл указывает, что эта картина «заставляет нас думать о силовых линиях, как о чём-то реальном». «Мы не можем отказаться от мысли, – пишет Максвелл, – что в каждой точке, где мы находим эти силовые линии, должно существовать какое-то физическое состояние или действие, обладающее достаточной энергией, чтобы вызвать указанные явления». Это состояние Максвелл и пытается представить механической моделью. «Мы хотим… – заявляет он, – рассмотреть магнитное действие как род некоторого давления или натяжения или, вообще говоря, напряжения в среде». Механическую модель, описывающую магнитные действия, Максвелл вводит следующим образом: «Предположим теперь, что явления магнетизма связаны с существованием натяжения в направлении силовых линий в сочетании с гидростатическим давлением, или, иначе говоря, с давлением, которое имеет большую величину в экваториальном, чем в аксиальном направлении. Тогда следующим вопросом будет вопрос о том, какое механическое объяснение можем мы дать этому неравенству давлений в жидкой или, вообще говоря, подвижной среде. Объяснение, которое прежде всего приходит в голову, заключается в том, что излишек давления в экваториальном направлении возникает от центробежной силы вихрей или водоворотов в среде, оси которых параллельны направлениям силовых линий».
Обрабатывая картину молекулярных вихрей математически, Максвелл вычислил силу, действующую на элемент объёма среды. (…)
Во второй части работы («Теория молекулярных вихрей в применении к электрическим токам») Максвелл разрабатывает механическую модель. Он предполагает, что смежные вихри «разделены слоем частиц, вращающихся каждая вокруг своей собственной оси в направлении, противоположном направлению вихрей, так, что соприкасающиеся поверхности частиц и вихрей имеют одно и то же направление движения». Максвелл уподобляет этот слой холостому колесу между двумя вращающимися колёсами, которое позволяет обоим этим колёсам вращаться в одну и ту же сторону. «Указанное выше предположение, – пишет он, – является гипотезой о существовании слоя частиц, действующих наподобие этих холостых колёс, слоя, который находится между соседними вихрями, так что каждый вихрь стремится вращать соседние вихри в том же направлении, в котором он сам вращается». Эти слои частиц между смежными вихрями представляют, по Максвеллу, электричество, так что «электрический ток может быть представлен как поступательное движение частиц, расположенных между соседними вихрями». Далее Максвелл иллюстрирует явление электромагнитной индукции, обусловленное изменениями электрических токов, своей моделью. (…)
Особенно важное значение имеет третья часть работы («Теория молекулярных вихрей в применении к статическому электричеству»). Здесь Максвелл вводит фундаментальные понятия смещения и тока смещения.
Основной характеристикой среды в её отношении к электрическому току, по Максвеллу, является электрическое сопротивление, которое «имеет большой диапазон значений» от наименьшего для металлов до очень большого, например, для стекла, в котором, по В. Томсону, заряд сохраняется «в течение ряда лет».
Другое свойство тел заключается в их способности передавать электрические действия «через них без того, чтобы какой-либо электрический ток проходил через них».
В диэлектриках под действием электрического поля происходит поляризация, «электричество в каждой молекуле смещено так, что одна сторона молекулы становится наэлектризованной положительно, а другая отрицательно», причём электричество «остаётся полностью связанным с молекулой и не переходит от одной молекулы к другой». Таким образом, результат действия электрического поля на всю массу диэлектрика «выражается в образовании общего смещения электричества в определённом направлении». «Это смещение, – пишет Максвелл, – не представляет настоящего тока, потому что, достигнув определённой величины, оно остаётся постоянным. Но это есть начало тока, и изменения смещения образуют токи в положительном или отрицательном направлении в зависимости от того, увеличивается ли смещение или уменьшается. Величина смещения зависит от природы тела и от электродвижущей силы». (…)
Магнитное поле создаётся не только токами проводимости, но и токами смещения. (…)
«Скорость поперечных волновых колебаний, – пишет Максвелл, – в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленных из оптических опытов Физо, что мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». (…)
Развивая свою теорию, Максвелл постепенно освобождался от «строительных лесов» механики, и в последующей его основополагающей работе, опубликованной в 1864-65 годах, – «Динамическая теория электромагнитного поля», – механическая модель молекулярных вихрей больше не встречается. В этой работе он устанавливает математические законы электромагнитного поля. Здесь же впервые даёт определение электромагнитного поля: «Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом и магнитном состоянии». Пространство это может быть заполнено материей или быть пустым. Но абсолютной пустоты, по Максвеллу, нет: «…всегда имеется достаточное количество материи для того, чтобы воспринимать волновые движения света и тепла… Эти волновые движения «относятся к эфирной субстанции».
Таким образом, в максвелловской картине электромагнитных явлений основное место занимает эфир. Поле – это состояние эфира, движение в эфире, световые волны распространяются в эфире, последовательно приводя в колебательное движение части эфира. Фарадей же, как мы видели, считает поле самостоятельным физическим объектом, которое не обязательно требует эфира; более того, он считает, что его представления о силовых линиях, «быть может, избавят нас от эфира». У Максвелла эфир является носителем энергии. «Эта среда, – пишет он, – обладает способностью получать и сохранять два вида энергии, а именно «актуальную» энергию, зависящую от движения её частей, и «потенциальную» энергию, представляющую собой работу, которую среда выполняет в силу своей упругости, возвращаясь к первоначальному состоянию после того смещения, которое она испытала».
Особенно важно объяснение Максвеллом явления электромагнитной индукции. Явление это, как указывает Максвелл, заключается в возникновении электродвижущей силы. «Эта сила… является силой, воздействующей на тело по причине его движения через электромагнитное поле или вследствие изменений, возникающих в самом этом поле». При этом несущественно, является ли тело, в котором возникает ЭДС, проводником или диэлектриком. «Когда ЭДС действует вдоль проводящего контура, она производит ток… Но когда ЭДС действует на диэлектрик, она создаёт состояние поляризации его частей».
По существу все электрические и магнитные явления Максвелл свёл к динамике среды и среды не пассивной, а активной, способной сохранять и передавать напряжения (давления). Его уверенность в существовании эфира была абсолютно обоснованной. Сомнения Фарадея относительно существования эфира Максвелла отнюдь не смущали. Взгляды Максвелла были шире и глубже. Мне кажется, Максвелл не вполне разделял введение Фарадеем якобы новой независимой субстанции – поля. Умножение новых физических реалий было Максвеллу чуждо. При своей последовательности взглядов и при наличии достаточных поводов, Максвелл даже само представление об электрическом заряде свёл бы к динамике среды. Это нетрудно увидеть.
С тех пор, как я получил первые представления об электрическом заряде (со школьных лет), во мне постоянно жил скептицизм, представления о положительных и отрицательных электрических зарядах казались мне искусственными, надуманными. Эти сомнения были неистребимы. Знакомство со взглядами Максвелла только укрепило мой скептицизм.
К октябрю месяцу 1983 года относится знакомство с книгой И. Д. Новикова «Эволюция Вселенной». В этой книге привлёк меня раздел «Рождение частиц в сильных переменных гравитационных полях». Здесь автор рассматривает квантовые процессы, возникающие в названных гравитационных полях вблизи сингулярности. Для объяснения сути явления автор использует образ маятника с изменяющейся длиной подвеса. Использование модели маятника в данном случае не совсем близко по смыслу с моим маятником, приведённым ранее и иллюстрирующим саму частицу как осциллятор. Но уже сам факт использования этого образа современной физикой весьма показателен.
«Физический вакуум представляет собой «море» всевозможных так называемых виртуальных частиц и античастиц. В отсутствии внешних полей эти частицы не могут превратиться в реальные. Однако достаточно сильное переменное поле (например, электромагнитное или гравитационное) может вызвать такое превращение.
Рассмотрим процесс рождения частиц переменным полем. Именно такой процесс важен в случае гравитационного поля.
Прежде чем говорить о рождении частиц переменным гравитационным полем, рассмотрим простой пример из механики. Представим себе маятник. Его подвес перекинут через блок; подтягивая верёвку или опуская её, можно менять длину подвеса. Толкнём маятник. Он начнёт колебаться. Период колебания зависит только от длины подвеса. Теперь будем очень медленно подтягивать верёвку. Длина маятника уменьшится, уменьшится и период, но увеличится размах (амплитуда) колебаний. Медленно вернём верёвку в прежнее положение. Период вернётся к прежнему значению, прежней станет и амплитуда колебаний. Подобные изменения амплитуды носят название адиабатических. Если пренебречь затуханием колебаний вследствие трения, то энергия, заключённая в колебаниях, в конечном состоянии останется прежней, – такой, какой она была до всего цикла изменения длины маятника. Но можно так изменять длину маятника, что после возвращения к исходной длине амплитуда будет иной. Для этого надо дёргать верёвку с частотой, вдвое больше частоты маятника. Так мы поступаем, раскачиваясь на качелях. Это явление названо параметрическим резонансом.
Подобным же образом можно «раскачивать» электромагнитные волны в резонаторе. Если в полости с зеркальными стенками и поршнем имеется электромагнитная волна, то, двигая поршень вперёд и назад с частотой, вдвое больше частоты электромагнитной волны, мы будем менять амплитуду волны. Выбирая различным образом фазу движения поршня по отношению к фазе волны, можно увеличивать амплитуду электромагнитной волны или уменьшать её. Но если проводить опыты при всех возможных фазах, то в среднем всегда получится усиление волны. Следовательно, неадиабатичность процесса ведёт к «накачке» энергии в колебании.
Если в резонаторе имеются волны всевозможных частот, то как бы ни двинули поршень, всегда найдётся волна такой частоты, которая соответствует характерному времени изменения движения поршня. Амплитуда этой волны возрастает. На языке квантовой физики увеличение амплитуды означает увеличение числа фотонов в волне. Итак, неадиабадичность процесса вызывает рождение новых фотонов – частиц электромагнитного поля.
После знакомства с этими простыми примерами вернёмся к вакууму, к этому «морю» всевозможных виртуальных частиц. Для простоты мы будем говорить только об одном сорте частиц – виртуальных фотонах, квантах электромагнитного поля, но всегда надо помнить, что сказанное относится не только к фотонам. Оказывается, неадиабатический процесс, который в классической физике ведёт к усилению уже имеющихся колебаний (волн), в квантовой физике может приводить к «усилению» виртуальных колебаний, т. е. к превращению виртуальных частиц в реальные. Так, изменение гравитационного поля со временем должно вызывать рождение фотонов с частотой порядка характерного времени изменения поля. Обычно эти эффекты ничтожны, поскольку слабы гравитационные поля. В космологии, однако, вблизи момента начала расширения Вселенной, квантовые эффекты должны быть очень сильны, ибо и сила полей, и скорость их изменения там колоссальны! Возможно, что квантовые процессы вблизи сингулярности определили основные черты сегодняшней Вселенной. (…)
Детальный анализ показывает, что частицы по-разному рождаются при изотропном начале расширения согласно модели Фридмана и при резко анизотропном расширении. В модели Фридмана частицы с нулевой массой покоя (фотоны) не рождаются совсем, а тяжелые частицы рождаются в очень небольшом количестве. Совсем иначе дело обстоит при анизотропном расширении. Здесь частицы при временах равных примерно десяти в минус сорок третьей степени рождаются в чудовищном темпе. Тяготение вновь родившихся частиц оказывается столь велико, что оно практически мгновенно делает расширение из анизотропного изотропным! Не это ли является ответом на вопрос: почему Вселенная расширяется по Фридману изотропно? (…)
В последние годы теория элементарных частиц добилась важных успехов. Возникли идеи о том, что разные виды физических взаимодействий имеют единую природу и проявляются как разные только при относительно малых энергиях. В ранней Вселенной энергия частиц была огромной и там проявлялось единство всех сил природы».
Я отнюдь не случайно привёл эту выписку из книги И. Д. Новикова. К ноябрю 83 года моё убеждение относительно фундаментального, основополагающего принципа движения – колебания – было уже вполне твёрдым. Именно колебательное движение просто и непротиворечиво, как мне казалось, могло ответить на важнейшие вопросы микрофизики. Образ резерфордовского атома – положительно заряженное тяжелое ядро и вращающиеся вокруг него лёгкие отрицательно заряженные электроны – должен был уступить место другому образу, представляющему собой колебание в среде. Однако пока такого полноценного образа ещё не имелось. Но он был уже на подходе.
В начале ноября состоялось моё более близкое знакомство с идеями французского физика Луи де Бройля. Источник: книга В. И. Рыдника «Законы атомного мира». Главная мысль де Бройля: движение любого материального объекта, от частиц до планет, сопровождается волновым процессом. Учёный открыл соотношение, связывающее длину этих волн с массой и скоростью движущихся тел. Длина волны равна частному от деления постоянной Планка на произведение массы и скорости объекта. Длина дебройлевской волны планеты Земля составляет десять в минус шестьдесят первой степени сантиметра. Длина волны движущегося с определённой скоростью камня – десять в минус тридцать первой степени сантиметра. А длина волны летящего электрона – десять в минус седьмой степени сантиметра, что соответствует длине волны рентгеновского излучения. Впоследствии волновые свойства движущегося электрона были обнаружены при дифракции на кристаллах.
Познакомившись ближе с идеями де Бройля, я сделал такую запись: «Допустимо ли предположить, что огромная концентрация дебройлевских волн вокруг тел является как раз гравитационным полем этих тел?». Это был ещё один важный шаг на пути к пониманию действительной природы тяготения.