Квинтэссенция. Книга первая

Максвелл сделал еще один шаг по пути, указанному Фарадеем. Он счел, что эфир способен быть носителем токов смещения. Максвелл не строил гипотез о том, что смещается в эфире, каков «механизм» прохождения токов смещения сквозь эфир. Ведь в электромагнитном эфире Фарадея не происходят механические процессы. Фарадей считал, что электрические и магнитные силовые линии отображают натяжение, возникающее в эфире под действием зарядов или токов. Возникновение и перемещение этих силовых линий казались ему совершенно наглядными, не нуждающимися в механических моделях. Максвелл пришел к выводу о том, что и токи смещения в эфире не нуждаются в механических моделях.

Это было столь радикальным шагом, что большинство ученых того времени не могло последовать за Максвеллом. Они кое-как мирились с силовыми линиями Фарадея, но считали их заменой словам, а не уравнениями, простыми рисунками.

Только Максвелл увидел в них эквивалент математических символов. Осуществив перевод идей Фарадей на язык математики он нашел в ней место для токов смещения в диэлектрике. Он нашел место в уравнениях и для токов смещения в эфире.

Теперь уравнения фиксировали, что все токи, изменяющиеся во времени, являются замкнутыми токами. В проводах эти токи соответствуют обычным движениям зарядов, в диэлектрике они возникают путем смещения зарядов в пределах каждой молекулы диэлектрика, в пустоте они представляют собой ток смещения в эфире.

Именно введенные Максвеллом токи смещения в эфире стали камнем преткновения между созданной им электродинамикой и его современниками, стремившимися сводить все физические явления к механическим процессам. Но Максвелл, несмотря на отсутствие признания, продолжал двигаться своим путем.

ВОЛНЫ

Любой человек стремится увидеть и понять закономерность, — нечто простое, скрытое в сложных процессах и явлениях. Там, где в дело вмешивается математика, одним из путей упрощения является исключение из уравнений каких-либо переменных величин.

Максвелл обратил внимание на то, что переменные величины входят в его уравнения попарно. Если есть член, отображающий электрическое поле, то всегда имеется член, описывающий изменение магнитного поля со временем. И наоборот, в уравнения для магнитного поля входит изменение во времени электрического поля.

Нечто подобное встречал каждый из нас в школе на уроках алгебры, знакомясь с парами уравнений, содержащих по две переменные величины, связанные между собой этими уравнениями. Вспомним и указание учителя — пожертвовать одним из уравнений для того, чтобы исключить одну из переменных величин в оставшемся уравнении. А после этого думать о том, как решить это уравнение. Конечно, Максвелл поступил именно так. Он пожертвовал одним из уравнений для того, чтобы во втором уравнении осталось только электрическое поле. Но совершенно аналогично можно пожертвовать вторым уравнением, чтобы оставить в первом только магнитное поле.

И тут свершилось чудо. Оба полученных таким образом уравнения оказались близнецами. Если в первом — изменение электрического поля в пространстве было связано с изменением того же поля во времени, то во втором обнаружилась точно такая же связь изменения магнитного поля в пространстве с изменением этого же поля во времени.

Словосочетание «точно такая же связь», в данном случае, означает, что в обоих уравнениях возник один и тот же множитель пропорциональности. И оба уравнения по форме ничем не отличались от уравнения, описывающего распространение обычных волн на поверхности воды! В этом была загадка и вызов…

Еще более удивительным Максвеллу показалось то, что аналогичный множитель в уравнении для волн на воде равнялся попросту квадрату скорости распространения этих волн.

Максвеллу, конечно, сразу стало ясно, что он получил уравнения распространения электрических и магнитных волн. А удивительная аналогия этих уравнений очевидно свидетельствовала о глубоком единстве обоих процессов.

Максвелл понял, что уравнения описывают две стороны общего процесса. Что речь идет об единой электромагнитной волне, отображенной один раз на языке электрического поля, а другой раз на языке магнитного поля.

Родилось великое открытие. Открытие электромагнитных волн.

В статье «Динамическая теория электромагнитного поля» Максвелл отбросил механическую модель, содержащую множество вращающихся ячеек. Он сообщал читателю, что электрическое поле в эфире является самостоятельной реальностью, что для его описания не нужно пытаться строить какие-либо механические модели.

Обратите внимание на то, что термин «электромагнитное поле» не только высказан впервые, но и вынесен в название статьи. Несомненно, Максвелл хотел подчеркнуть этим важное значение нового понятия.

Так, силовые линии Фарадея, сыграв свою роль, перешли во второй эшелон, отошли в историю, в учебники и в книги, предназначенные для любителей истории науки.