Естественнонаучная картина мира - [49]

Это, казалось, был еще один довод в пользу того, что все процессы, как думал еще Галилей, в природе тотально взаимосвязаны, а все законы имеют некую общую основу. Однако Фарадей не спешил делать столь далеко идущих теоретических выводов. Он ограничился эмпирическим обобщением: движущееся магнитное поле всегда порождает в проводнике переменный электрический ток. Приняв во внимание опыты Эрстеда, Фарадей имел полное право заявить: эксперименты свидетельствуют о единой природе электричества и магнетизма.

Чуть позже Фарадей также блестяще обоснует эмпирически, что природа электричества всегда одинакова вне зависимости от его происхождения (естественным путем (молния), в тканях животных, в результате электромагнитной индукции и т. д.) Открыв электромагнитную индукцию, Фарадей пошел дальше, исследуя ее различные проявления. Для этого он усовершенствовал свой эксперимент, предложив в качестве новой модели металлическую рамку (контур), вращающуюся между полюсами сильного магнита так, чтобы плоскость рамки пересекала силовые линии под разными углами. Фактически ученый предложил схему электрогенератора, принципиально с тех пор не изменившуюся. Новые эксперименты дали огромный фактологический материал. Однако Фарадей, верный себе, не спешил с теоретическими обобщениями.

Эти обобщения были сделаны несколько позже Джеймс Клерком Максвеллом. Именно он дал теоретическую интерпретацию опытам Эрстеда и Фарадея. Один из вариантов записи законов Максвелла такой: 1) электрический заряд является источником электрической индукции; 2) не существует магнитных зарядов (поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю), способных создавать магнитное поле; 3) изменение магнитной индукции порождает вихревое электрическое поле; 4) электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле. Общий же смысл уравнений Максвелла как раз и заключается в установлении взаимопорождения электричества и магнетизма, или, как уже говорил Фарадей, взаимосуществования электрических и магнитных полей. Для такого рода обобщения Максвеллу, как в свое время и Ньютону, потребовалось создать идеальную модель тех опытов, которые наблюдались в лабораториях. И Максвелл рассуждал, руководствуясь примерно теми же алгоритмами, что и Ньютон. Ньютон, как мы помним, размышлял об идеальном движении на пространственно-временном интервале, бесконечно стремящемся к нулю, но в ноль не переходящим. Это дало ключ к созданию особого языка – дифференциальных уравнений. Максвелл идет тем же путем – он так же, как Ньютон, рассматривает идеальное движение, фарадеевскую рамку между магнитами.

Попытаемся мысленно создать идеальную рамку.

Фарадеевская рамка представляет собой замкнутый контур, созданный из проводника, расположенный так, чтобы его пересекали силовые линии магнита. Чтобы в контуре возник электрический ток, необходимо, чтобы изменилось число силовых линий, пересекающих контур (изменилось, как бы мы сказали сейчас, магнитное поле, воздействующее на контур). Сделать это очень просто – достаточно вращать контур вокруг оси. Таким образом, изменяемое магнитное поле всегда приводит к изменению электричества, а изменение электрической силы (уже по закону Эрстеда) в свою очередь вынуждает изменяться магнитное поле. Показатели электромагнитного поля будут зависеть от конкретных показателей: площади рамки, скорости и направления ее вращения, параметров магнита, металла, из которого рамка сделана, ее поперечного сечения и т. д. Такое описание потребует введения очень многих переменных и, как следствие, будет очень сложным. Нельзя ли его упростить? Попытаемся вынести мысленно за скобки все, что относится к конкретным рамкам в конкретных экспериментах. Это, конечно, сделать до конца нельзя, но мы можем представить себе ситуацию, в которой указанными параметрами рамки можно пренебречь как бесконечно малой величиной. Очевидно, если рамка будет представлять собой точку-узел из проволоки, размеры которой будут тождественными минимальному размеру пространства (как у Ньютона – стремящимися к нулю, но в ноль не переходящими), мы получим описание взаимодействия электрического и магнитного полей (или, говоря языком классической механики, сил) для любой точки пространства. То же самое мы получим, если идеализируем опыт Эрстеда, мысленно стягивая магнитное поле вокруг электрического тока.

Однако этот существенный идеализирующий шаг должен быть дополнен следующим – электромагнитное поле существует вне зависимости, возможно ли его обнаружение (у Эрстеда магнитное поле обнаруживается стрелкой компаса, у Фарадея – проводником), то есть теоретический закон должен описывать любые точки электромагнитных полей, а не только те, где электромагнитное поле может быть обнаружено. Собственно, только через указанный второй шаг идеализации мы и приходим во всей полноте к феномену, описываемому уравнениями Максвелла, – электромагнитному полю (ЭМП), хотя само это понятие нам встречалось и раньше, например, у Фарадея. Любые изменения этого поля будут описываться волновыми функциями, то есть ЭМП имеет волновую природу. Это, впрочем, следует уже из того, что магнитное поле и электрическое поле выступают как переменные в отношении друг друга. Всякое изменение электрического поля создает магнитное, а магнитное поле создает электрическое, распространяясь в пространстве от точки к точке. Последнее утверждение позволяет вновь вернуться к вопросу: что именно обеспечивает взаимодействие магнита и металла, электрически заряженных частиц, что именно обуславливает притяжение и отталкивание? Ответ: таким своеобразным посредником выступает ЭМП, а сам характер процессов прекрасно описывается анализом силовых линий. Но это означает, что взаимодействие передается не через пустоту, а через материальный объект – ЭМП, которое, в свою очередь, может распространяться в пустоте. Это разом поставило под вопрос ряд популярных среди ученых той эпохи гипотез магнитного и электрического взаимодействия, в том числе Ампера, предполагающих такое взаимодействие через пустое пространство, подобное взаимодействию планет в механике Ньютона. Но этот же момент нанес косвенный, но серьезный удар по всей классической механистической картине мира, ибо ясно и однозначно отбросил принцип дальнодействия, предполагающий передачу взаимодействия мгновенно на бесконечные расстояния. В мире, где действуют максвелловские законы, никакое взаимодействие не может совершаться мгновенно и в бесконечность. Поле может передавать взаимодействие только от одной точки до ближайшей к ней точки. Любое расстояние ЭМП может пройти только одним способом – пройти все точки, его составляющие.