После долгой и кропотливой работы в период 1860–1875 годов Максвелл создал теорию, в которой электрические и магнитные силы природы были объединены в понятие единого электромагнитного поля, включающего видимый свет, невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.
Он свел все известное людям об электричестве и магнетизме к четырем удивительно простым уравнениям. Именно эти уравнения сообщили, что свет — это просто электромагнитные волны, способные распространяться в пустом пространстве так же легко, как в прозрачных телах. Причем из уравнений следовало, что эти электромагнитные волны могут существовать сами по себе. Они представляют собой реальность, ранее неведомую людям и внезапно появившуюся перед учеными как могучий хребет из-за рассеявшегося тумана.
Можно представить, какую смуту посеяла эта концепция. Еретическая сущность ее заключалась прежде всего в том, что она вопреки многовековым традициям и идеалам не покоилась на механических движениях и силах. Переменные величины, изображавшие в математическом аппарате Максвелла электромагнитные поля, по существу, не могли быть представлены какими-либо обычными моделями и поэтому казались современникам крайне абстрактными понятиями. Ведь конкретным и реальным еще со времен Декарта считалось только то, что можно изобразить «посредством фигур и движений».
Большие трудности понимания сущности уравнений и всей теории Максвелла коренились в том, что входящая в них напряженность электрического и магнитного полей не поддавалась непосредственному восприятию. Их можно было изобразить на бумаге в виде стрелочек-векторов, направленных под углом друг к другу, но представить себе их физический смысл в то время казалось невозможным. Эти величины не имели ни очертаний, ни формы, ни веса, их нельзя было сравнить ни с чем известным в повседневной жизни. Конечно, и тогда существовали приборы, реагировавшие на силы, вызываемые электромагнитными полями. Можно было безошибочно сказать, что напряженность одного поля больше или меньше другого. Но сами напряженности были столь странной величиной, что представить их себе зримо было трудно.
Известные физикам законы природы хорошо объясняли движение материальных частиц, потоков жидкостей, упругих твердых тел. Но, описывая электромагнитные поля, Максвелл предлагал в качестве иллюстрации символ, математическую абстракцию! По тем временам — почти нелепость! Как могли воспринять такую абстракцию ученые, воспитанные в духе классических представлений, привыкшие все на свете изображать с помощью механических наглядных моделей? Как могли они поверить в какой-то мир электромагнитных полей, который существует сам по себе и не нуждается ни в каких дополнительных иллюстрациях?
Мало кто из физиков хотел ломать себе голову над этой безумной теорией.
Поэтому-то и через двадцать лет после создания новой теории в ее смысл проникли лишь несколько физиков. Остальным она оставалась чуждой. И причина была та же: никто не мог понять и прочувствовать какое-нибудь явление иначе, как в виде конкретной механической модели. Сам Максвелл был изобретательным творцом моделей электромагнитного поля. В одной из таких моделей шестиугольные «молекулярные вихри» приводятся в движение «направляющими колесиками». Это показывает, что он сам еще долго не понимал, что создал новую науку, которая не нуждается в опоре на динамику Ньютона, а входящие в нее величины являются столь же фундаментальными, как силы и движения. Действительно, через семь лет после создания теории Максвелл писал: «Я приложу все усилия к тому, чтобы представить как можно яснее соотношение между математической формой этой теории и математической формой фундаментальной науки о динамике для того, чтобы мы могли в какой-то мере подготовиться к выбору тех динамических моделей, среди которых мы будем искать иллюстрации или объяснения явлений электромагнитных».
То, что сам Максвелл не сумел вырваться из пут механических моделей, пожалуй, самое курьезное во всей этой истории. Не будучи в силах отрешиться от желания иметь наглядную модель, он нашел ее в упругих силовых трубках Фарадея, преобразовав их в наглядные картины силовых линий электромагнитных полей, верно служащих нам и поныне.
Теперь наши приборы позволяют измерять реальные величины — поля, входящие в уравнения Максвелла. Все это вместе с многолетней тренировкой, через которую прошли не только поколения ученых, но и поколения школьников, сделало для нас уравнения Максвелла не менее понятными, чем уравнения механики. И нам зачастую трудно понять, какого напряжения мысли требовало освоение этих уравнений менее чем сто лет назад.
Да и полвека назад никто не представлял себе электромагнитные поля иначе, чем натяжениями и волнами эфира.
Впрочем, по признанию одного из крупнейших физиков нашего времени, даже «современные представления не могут служить основой для понимания этих электромагнитных колебаний, которые не сводятся к классическому и наглядному представлению о колебаниях материального тела; висящие в пустоте, если можно так сказать, они выглядят для непосвященных (а может быть, даже и для физиков) чем-то довольно таинственным».
Что же требовать от современников Максвелла! Несмотря на свои невероятные свойства, эфир прочно утвердился в их сердцах, ибо люди, сформировавшие свои взгляды под влиянием ньютоновской физики, идеалом которой было сведение всех явлений к механическим, не могли отказаться от эфира как переносчика световых волн. Не могли поверить в самостоятельную сущность света и других еще неведомых электромагнитных волн.
Теория Максвелла явилась в науке первым этапом немеханической физики, первым этажом в грандиозной пирамиде все усложняющихся абстракций. Мы увидим, что трудности, связанные с освоением новых абстракций, возникнут вновь, когда наступит эра теории относительности и квантовой механики.
Уравнения Максвелла содержали в себе не только описание известных явлений, но и предсказание новых, открытых только впоследствии, в том числе предсказание существования электрической индукции и радиоволн. Они не содержали лишь одного — в них не было ничего относящегося к световому эфиру и его поразительным свойствам.
Эфир просто остался за бортом теории Максвелла, но это никак не мешало ей уверенно помогать развитию науки. Для некоторых ученых эфир стал просто синонимом пустого пространства.
Но, несмотря на то, что через 12 лет Герц обнаружил на опыте предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, возбуждаемые в его приборах, традиции механистической физики не были сломлены. Многие физики упорно продолжали пытаться подвести под теорию Максвелла ходули привычной наглядности. Одни считали электромагнитные поля Максвелла особыми натяжениями эфира, так же как ранее принимали свет за поперечные волны в эфире.
Другие, продолжая считать эфир реальностью, предпочитали забывать о его противоречивых свойствах, относя его в разряд непознаваемых невесомых субстанций.
В это переломное время в науку вошел провинциальный юноша Генрих Антон Лорентц. Он уже год как считался студентом Лейденского университета и даже получил в 1871 году (в 18 лет — небывалый случай!) диплом кандидата наук с отличием. Он познакомился с теорией Максвелла случайно, обнаружив в библиотеке физической лаборатории университета нераспечатанные конверты со статьями Максвелла.
Эти работы в Лейдене почти никто не читал, так как в них развивались новые, непривычные идеи, изложенные при помощи сложных математических выкладок. Большинству лейденских физиков они были не по зубам. Но юному студенту они показались откровением. Он навсегда подпал под влияние идей великого английского ученого.
Трудно сказать, чего больше в этой главе истории науки: элементов романтики или драмы.
…Лорентц приступает к написанию докторской диссертации, где решает задачу об отражении и преломлении света согласно электромагнитной теории. В этой диссертации двадцатидвухлетний Лорентц с легкостью показывает, как просто решаются теорией Максвелла все загадки отражения и преломления света. Загадки, для разрешения которых в механической теории эфира приходилось наряду со световыми волнами вводить ненаблюдаемые продольные волны эфира. Теория Максвелла не нуждалась в призрачных продольных волнах.
Впоследствии Лорентц, верный своей первой влюбленности, существенно развил теорию Максвелла, введя в нее наряду с электромагнитными полями атомы электрического заряда — электроны. Так в теорию Максвелла были введены элементы атомистики.
Согласно новой теории в безбрежный океан электромагнитных полей вкраплены заряды, сочетания которых образуют все существующие тела. Электромагнитные поля — эти натяжения эфира — проникают всюду, и для них остаются справедливыми уравнения Максвелла. Взаимодействия этих полей и зарядов образуют все многообразие мира. Это был большой шаг вперед, но вместе с тем и своеобразное возвращение к старому. Вот что писал об этом в 1895 году сам Лорентц: «В предполагаемой мною гипотезе имеется в некотором смысле возврат к старой теории электричества».
Но иначе Лорентц поступить не мог. Он верил, что электромагнитные волны — это особые натяжения эфира, и должен был объяснить, как они возникают. И он представил себе, что волны эфира взаимодействуют с электронами, входящими в состав материальных тел. При этом электромагнитные волны вызывают движения электронов, а движения электронов, в свою очередь, вызывают электромагнитные волны. Таким образом, электронная теория Лорентца, продвигаясь вперед, исходила из представлений, которые сам Максвелл отбросил. Зато она позволила вычислить показатели преломления прозрачных тел и многие другие величины, которые теория Максвелла не могла рассчитать и поэтому просто принимала в качестве характеристик вещества, определяемых из опыта.
При помощи своей теории Лорентц смог сделать ряд тонких предположений. Он предсказал своеобразное расщепление спектральных линий излучения атомов под действием магнитного поля. Это явление вскоре обнаружил соотечественник и друг Лорентца Зееман. Лорентц смог непринужденно объяснить замечательный опыт Физо, открывшего в 1857 году, что текущая вода увлекает за собой свет. Скорость света в текущей воде была больше, чем его скорость в неподвижной воде. Так получалось, если свет шел вдоль течения. А его скорость против течения оказывалась меньшей. Это выглядело непостижимым, пока Лорентц не объяснил странное явление влиянием электронов, находящихся в текущей воде.