Михаил Терентьев - История эфира

Учтя эти замечания, мы найдем еще один аргумент в пользу уравнения (D). Из него (в сочетании с другими уравнениями, которые раньше уже были известны Максвеллу) вытекает замечательное следствие. Рассмотрим для простоты среду без зарядов и токов (j = ρ = 0). Пусть также μ = ε = 1, что отвечает разреженному воздуху или пустоте. (Подчеркнем, что в представлениях Максвелла пустота — это эфир, поэтому все оснащение механической модели — вихри, холостые колесики и пр. — существует и в пустоте). Тогда окажется, что уравнения для E и H имеют решения, отвечающие волновому процессу, который распространяется в пространстве со скоростью c. Откуда взялся этот новый размерный параметр?

Как видно из уравнения (В), поля E и Н имеют разную размерность: размерность E = (см/с) x размерность Н. Можно было бы с самого начала привести E и Н к одной размерности, но тогда параметр скорости с будет явно фигурировать в законе Фарадея (B). Все это было хорошо известно и до Максвелла. Более того, в 1857 году величина c была экспериментально установлена Вебером и Кольраушем при измерении отношения электростатических и электромагнитных единиц измерения силы тока. Они нашли с = 3,1074∙10 10см/с, но не отнеслись достаточно серьезно к тому, что это значение оказалось очень близким к известной в то время из опыта Физо скорости света 3,1486∙10 10см/с. (Сейчас мы знаем более точно: с = 2,9979∙10 10см/с.)

Отметим еще одно совпадение — в 1857 году Кирхгоф обнаружил, что скорость распространения электрического тока по проводу тоже близка к c . Совершенно очевидно, что к концу 50-х годов здесь, как в известной детской игре, становится «горячо».

Так вот, из уравнений Максвелла очень просто следует, что в пустом пространстве волны распространяются со скоростью с, при этом вектора E и Н колеблются, оставаясь перпендикулярными друг другу и направлению распространения волны. Таким образом, скорость, поперечный характер колебаний, степени свободы, соответствующие поляризации — все как у света! Отсюда следует естественный вывод: такие колебания и есть свет. Максвелл формулирует аккуратнее и осторожнее: «... мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Он специально подчеркивает эту фразу, как главный результат работы.

Здесь следующий удивительный момент. Невозможно сомневаться, что Максвелл знал формально-математический вывод волнового уравнения для E и Н. (Это было простым упражнением для студента даже в то время.) В более сложной постановке задачи Максвелл приводит этот вывод, но только через три года — в третьей статье. С другой стороны, без него, используя только механическую аналогию, нельзя доказать, что скорость распространения электромагнитных колебаний в точности равна с. (Можно лишь сделать утверждение о порядке величины.) Но тем не менее, такого вывода волнового уравнения нет в обсуждаемой статье, нет даже упоминания о нем! Приводится только решение механической задачи, которая формулируется так: «Найти скорость распространения поперечных колебаний через упругую среду, из которой состоят ячейки (вихри) в предположении, что ее упругость целиком обусловлена силами, действующими между парами материальных точек». В такой постановке окончательный результат целиком зависит от детальных предположений о свойствах среды. Как мы говорили, они специально подбираются, чтобы иметь желаемый ответ.

Рассказывают, что однажды Л.Д.Ландау воскликнул, обращаясь к своему собеседнику: «Как Вы можете делать вычисления, если заранее не знаете, что хотите получить?» Это качество крупного физика-теоретика — заранее видеть ответ сложной задачи — в том же ряду, что и, скажем, способность композитора мгновенно слышать содержание всей симфонии. Максвеллу нельзя отказать в этом качестве. Поэтому естественно предполагать, что введение тока смещения было в равной степени стимулировано как уравнением непрерывности в форме (Е), так и существованием волновых решений. Связь этих фактов, совершенно независимая от модели, несомненно, была ясна Максвеллу в 1861 году. А что послужило причиной, что следствием — нам никогда не дано узнать. Подчеркнем также, что Максвелл мог специально стремиться к электромагнитной теории света, потому что сама идея была не нова — ее обсуждал Фарадей. (У Фарадея в статье «Размышления о вибрациях лучей» (1846) говорится, конечно, без всяких доказательств, о возможности распространения возмущений в «линиях силы» со скоростью света.) Кроме того, Максвеллу были известны численные совпадения между результатами опытов Физо, Вебера-Кольрауша и Кирхгофа.