3. Электромагнитная картина мира

3. Электромагнитная картина мира

В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными (от лат, continuum — непрерывность). Он писал: «Я чувствую большое затруднение в представлении атомов материи с промежуточным пространством, не занятым атомами…»[63] Он сделал вывод о том, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпадал вопрос о построении механической модели эфира, о непримиримости механических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма. Основная трудность в объяснении света с помощью предполагаемого эфира состояла в следующем: если эфир — сплошная среда, то он не должен препятствовать движению в нем тел и, следовательно, должен быть подобен очень легкому газу. В опытах же со светом были установлены два фундаментальных факта: во-первых, световые и электромагнитные колебания являются не продольными, а поперечными и, во-вторых, скорость распространения этих колебаний очень велика — порядка 3 х 10⁵ км/сек. В механике же было показано, что поперечные колебания возможны лишь в твердых телах, причем скорость их зависит от плотности этих тел.

Для такой большой скорости, как скорость света, плотность эфира во много раз должна превосходить плотность стали. Но тогда непонятно, как же такой сверхплотный эфир не препятствует движению в нем тел? На протяжении всего XIX и частично XX в. продолжались упорные попытки разрешить эти трудности в представлениях об эфире, хотя фактически еще М. Фарадей в 1844 г. нашел правильное решение проблемы. Чтобы принять это решение, надо было совершить революцию в представлениях о материи и движении.

Д. К. Максвелл был одним из первых, кто должным образом оценил значение взглядов Фарадея на природу. При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы[64]. Согласно взглядам Фарадея, электромагнитное поле — тонкая невещественная материя, первичная по отношению к атомам и телам; движение — распространение колебаний в поле — первично по отношению к перемещению тел. Пустого пространства нет, так как поле является абсолютно непрерывной материей; время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле; не соответствует действительности и ньютоновский принцип дальнодействия: любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью (фарадеевский принцип близкодействия).

Руководствуясь этими представлениями о физической реальности, Дж. Максвелл в 1867 г. построил теорию электромагнетизма. Вследствие своего революционного характера она долгое время казалась трудной и непонятной для тех физиков, в умах которых продолжала господствовать механическая картина природы. Трудности усвоения теории электромагнетизма усугублялись еще и тем, что она выражалась при помощи более сложных, чем в механике, математических уравнений. Но они удивительно хорошо объясняли все известные факты.

Тем не менее физикам, не владевшим диалектикой, казалось, что если эфир отброшен, то отброшена и материя; признать же поле за материю они не могли. В физике начались «шатания мысли». Как отмечал В. И. Ленин:

«„Материя исчезает“, остаются одни уравнения… получается старая кантианская идея: разум предписывает законы природе». «Такова первая причина „физического“ идеализма. Реакционные поползновения порождаются самим прогрессом науки»[65], — делает вывод В. И. Ленин.

Объективный ход развития физики неизбежно привел к ломке старых фундаментальных понятий и принципов, к формированию новых. Непримиримое противоречие между механической картиной мира и опытными данными разрешилось крушением первой. Вместо нее возникло новое миропонимание — электромагнитная картина мира, и начался новый период в развитии физики.

Ученые занялись математической разработкой теории Дж. Максвелла, как это имело место и после создания механики Ньютона[66]. Вернее сказать, с появлением электромагнитной картины мира начался этап интенсивного эволюционного развития физики на новой основе. Взгляды М. Фарадея и Дж. Максвелла произвели подлинную революцию в представлениях о природе. В качестве исходной материи здесь оказалась не совокупность неделимых атомов, перемещающихся в пустоте, а единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и с волновыми движениями в нем. Основными законами мироздания оказались не законы механики, а законы электродинамики[67]. В связи с этим менялись и методы научного исследования.

Теория электромагнетизма Максвелла объяснила большой круг явлений, не понятых с точки зрения прежней механической картины мира. Кроме того, она глубже вскрывала материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов. Последние послужили базой для электромагнитной теории света. При этом была построена единая шкала электромагнитных колебаний от самых длинных радиоволн до коротких рентгеновских и гамма-излучений. На первых порах успешно разрабатывалась и электронная теория строения вещества. Ученые пытались и механические движения объяснить с помощью электродинамики. Строились доказательства электромагнитного происхождения массы, была найдена формула зависимости массы от скорости (М. Абрагам).

Однако на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности. Так, согласно электромагнитной картине мира, заряд считался точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории Г. А. Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира рассматривалась в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой. Однако это допущение не снимало трудностей. Полученная опытным путем формула зависимости массы от скорости не совпадала с рассчитанной на основе теории. Вскоре появились и другие расхождения теории и опыта. Непонятным оказался результат опытов, проведенных в 1881–1887 гг. Майкельсоном. В этом опыте он пытался обнаружить движение тела по инерции при помощи приборов, находящихся на этом же теле. По теории Максвелла, такое движение можно обнаружить, но опыт не подтверждал этого.

В конце XIX — начале XX в. исследования показали, что взгляды Максвелла на физическую реальность были внутренне противоречивы. Приняв новые взгляды на материю и движение, заменив механические законы природы на электродинамические, он сохранил ньютоновские представления об абсолютности пространства и времени. Но в самих уравнениях электродинамики неявно содержалось предположение об относительности пространства и времени, чего сам Максвелл, как и другие физики того времени, не заметил[68].

Электродинамический этап развития физики делится на два периода: от Фарадея и Максвелла до Эйнштейна и после Эйнштейна по настоящее время. В первый период в результате некоторой недостроенности новой картины мира (сохранение ньютоновских представлений о пространстве и времени) в построении электродинамических теорий имелись внутренние противоречия, о которых мы говорили ранее. Однако этому не придавалось принципиального значения. Более того, выводы теории Максвелла были абсолютизированы, так что даже такой крупный физик, как Г. Кирхгоф, восклицал: «Разве осталось что-либо еще открывать?»

Однако к концу XIX в. все больше накапливалось необъяснимых несоответствий теории и опыта. Последние следует разделить на две группы. Одни были обусловлены указанной выше недостроенностью электромагнитной картины мира. Другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи, т. е. выходили за пределы этой картины. К последним следует отнести трудности в объяснении фотоэффекта, открытого в 1887 г., линейчатых спектров атомов, но особенно большие трудности возникали при попытках построить теорию теплового излучения. Эмпирические законы, установленные в этой области, не согласовывались с новой картиной мира.

Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и фактически отказывались от них[69]. Работами этих ученых, прежде всего Г. Лоренца и А. Пуанкаре, завершается доэйнштейновский период развития электродинамической физики[70].

Однако концепция абсолютности пространства и времени И. Ньютона, базировавшаяся на их независимости от характера и природы движущихся тел, не была отброшена сразу. Открытия А. Эйнштейна, теоретически обосновавшие тезис единства материи, движения, пространства и времени, победили тогда, когда была доказана диалектическая связь пространства и времени как форм движения материи с природой движущихся систем. Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности[71], Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Взгляды Эйнштейна опирались на более правильное и глубокое философское понимание сущности электродинамической физики, что дало ему возможность устранить из электромагнитной картины мира ньютоновское понимание пространства и времени, заменив их такими, которые соответствовали полевым континуальным представлениям о материи и движении. Тем самым новая картина мира была создана в виде системы согласованных между собой понятий, принципов и гипотез.

С появлением теории относительности Эйнштейна (1905 г.) начинается второй период в развитии физики. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития. Прежде всего были разработаны новые специальные теории: релятивистская «динамическая» механика, релятивистская «феноменологическая» термодинамика, релятивистская статистическая механика. Что касается электродинамики Максвелла, то она была дополнена электродинамикой движущихся тел.

Первой качественно новой теорией этого периода стала общая теория относительности (1916 г.), которая фактически является теорией тяготения. Чтобы ее построить, в электромагнитную картину мира А. Эйнштейном было введено понятие о кривизне пространства-времени, что расширяло конкретные представления о пространстве и времени. Как известно, по Ньютону, тяготение определялось как особая способность тел мгновенно притягивать друг друга при любых расстояниях между ними. Такое понимание тяготения является поверхностным, однако оно просуществовало в физике более 200 лет. Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения. При этом большое философское значение имеет введенная Эйнштейном зависимость кривизны пространства-времени от распределения масс, т. е. от таких видов материи, как вещество и поле. Тем самым получило подтверждение известное положение материалистической диалектики о взаимосвязи пространства, времени и движущейся материи.

К тому же в результате новых экспериментальных открытий в области строения вещества в конце XIX — начале XX в. все больше обнаруживалось непримиримых противоречий между электромагнитной картиной мира и опытными фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и было установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие, которое сопровождается испусканием ?-лучей (ионов гелия) и ?-лучей (электронов). Изучение этих явлений создало основу для построения эмпирических моделей атома. Такого рода модели, построенные на основе опытных данных, противоречили электромагнитной картине мира.

В 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности (квантовом характере) процессов излучения. Сам Планк, в то время приверженец электромагнитной картины мира, отмечал, что он испытывает отвращение к такой странной гипотезе, разрушающей стройное здание электродинамики Максвелла. Однако гипотеза Планка о квантах излучения оказалась очень плодотворной.

Противоречия между электромагнитной картиной мира и новыми открытиями в области строения атома и законов излучения становились все более непримиримыми. Назревала новая революция в физике, связанная с заменой существующей картины мира квантово-полевой.