1.3. Дальнедействиеи близкодействие. Развитие понятия «поля»

В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоя­нии, и это взаимодействие происходит мгновенно. Именно эта мгновенность передачи взаимодействий и обуславлива­ет ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнедействия. Известно, что Декартом развивалась про­тивоположная точка зрения на природу взаимодействий, согласно которой материя взаимодействует с материей лишь при непосредственном соприкосновении. Таким агентом, передающим взаимодействия от тела к телу, яв­ляются частички эфира. Эфир трактуется Декартом как тончайшая жидкость, безграничной протяженности, суще­ствующей повсюду, — как в порах тел, так и вне их, как подвижный, текучий, непрерывный. Последователем Декар­та стал голландский математик и физик Христиан Гюй­генс. Известны два альтернативных взгляда на природу света — корпускулярная точка зрения, отстаиваемая Нью­тоном, согласно которой свет — поток частиц, корпускул. И точка зрения Гюйгенса о волновой природе света, соглас­но которой свет — это волна, распространяющаяся в уп­ругой механической среде, которая есть светоносный эфир. Наряду со светоносным эфиром, для объяснения электри­ческих свойств тел Бенджамином Франклином вводится понятие электрического эфира, а Францем Эпинусом — понятие о магнитной жидкости. Как писал Кельвин: «Многие труженики и мыслители помогли выработать в XIX в. понятие «пленума» — одного и того же эфира, слу­жащего для переноса света, теплоты, электричества и маг­нетизма». Тем не менее, идея абсолютного пустого про­странства одерживает, благодаря авторитету Ньютона, по­беду над концепцией эфира вплоть до начала XIX века. И лишь работы Юнга и Френеля по изучению явлений ин-

5* 131

терференции и дифракции света (явления интерференции и дифракции сами по себе свидетельствуют именно о вол­новой природе света) приводят к возрождению концепции светоносного эфира и тут же наталкиваются на весьма се­рьезные затруднения, состоящие в установлении попереч-ности световых волн. Если световые волны понимать как упругие механические волны, распространяющиеся в эфи­ре, то в случае их поперечности эфир должен быть твердым телом¹.

Гипотеза упругих колебаний эфира на повестку дня выносила вопрос: неподвижен ли сам эфир или же он дви­жется? Если он движется, то увлекается ли движущимися телами? Для спасения эфира были предприняты попытки различных ученых, которые привели к трем концепциям природы эфира, высветив тем самым конкретные пути для разрешения вопроса о существовании эфира как такового. Первая из них определяла эфир как неподвижную среду, не увлекающуюся движущимися телами. Вторая гласила о полном увлечении эфира движущимися телами, вслед­ствие чего различные слои эфира должны иметь различные скорости. И, наконец, третья точка зрения, высказанная Френелем, о частичном увлечении эфира движущимися телами. Проблемная ситуация в физической теории тотчас же стимулировала постановку экспериментов, в ряду наи­более блистательных из которых являются опыт Физо и опыт Майкельсона. Однако проблема казалась неразреши­мой, ибо результаты опытов Физо свидетельствовали о час­тичном увлечении эфира, результаты опытов Майкельсо­на — о полном увлечении эфира, явление же аберрации света указывает на то, что если эфир существует, то он не­подвижен. Все точки зрения, базирующиеся на динамиче­ских теориях эфира, оказались несостоятельными и были опровергнуты специальной теорией относительности Эйн­штейна, подготовив тем не менее необходимую почву для ее возникновения.

Хотя гипотеза эфира была устранена наукой XX века, она оставила несомненно важный след в формировании физических понятий. Ведь принятие эфира — это, по су­ществу, принятие точки зрения близкодействия — передачи взаимодействия от одной точки эфира к другой, что приве­ло в исследованиях Фарадея и Максвелла к выработке понятия поля.

132

Фарадей принимает электрическое действие на расстоя­нии, однако не на основе ньютоновского взаимодействия, а посредством силовых линий, которые соединяют друг с дру­гом частицы. Таким образом, взаимодействие рассматри­вается через колебания высокого порядка в силовых лини­ях, приобретающих в теории Фарадея реальный статус. В механике Ньютона сила, а тем более линия действия силы не рассматривались в качестве материально протя­женной субстанции, и новый взгляд Фарадея наполнил пустое пространство Ньютона непрерывной совокупностью материальных субстанций — силовым полем (хотя в со­временной физической теории силовые линии не имеют того статуса, которое придавал им Фарадей, а служат для наглядной иллюстрации полей). Развивая взгляды Фара­дея, Максвелл в своей работе «Динамическая теория поля» пишет: «Теория, которую я предлагаю может быть назва­на теорией электромагнитного поля, потому что имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела, и она может быть также названа динамической тео­рией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электро-магнитные волны». Таким образом, у Максвелла мы находим конста­тацию существования поля как реальности и одновремен­но признание им материальной среды — эфира. Иными словами, поле он рассматривает как возбужденное состоя­ние эфира. В дальнейшем поле как реальность наделяет­ся теми же характеристиками, что и вещество — энерги­ей, массой (введено Дж. Томсоном), импульсом (определен­ным из опытов по измерению давления света П.Н. Лебеде­вым). К началу XX века физика изучает материю в двух ее проявлениях — веществе и поле. Обе эти модификации рассматриваются как равноправные, обе обладают такими характеристиками как энергия, масса, импульс. Частицам вещества приписываются такие свойства как дискретность, конечность числа степеней свободы, в то время как поле ха­рактеризуется непрерывностью распространения в про­странстве, бесконечным числом степеней свободы. Струк­тура электромагнитного поля резюмируется в семи уравне­ниях Максвелла. Эти уравнения отличаются от уравнений механики. Уравнения механики применимы к областям

133

пустого пространства, в которых присутствуют частицы. Уравнения же Максвелла применимы для всего простран­ства независимо от того присутствует там вещество (в том числе, заряженные тела), иными словами, позволяют просле­дить изменения поля во времени в любой точке простран­ства, то есть получить уравнение электромагнитной волны. Уравнения Максвелла позволяют описывать все известные электрические и магнитные явления. Тот факт, что семь уравнений Максвелла увязывают воедино большое число физических законов, да к тому же имеют простую изящную симметричную форму, по сей день вызывает истинное эсте­тическое восхищение физиков. Людвиг Больцман выска­зался по поводу уравнений Максвелла словами Фауста (Гете «Фауст»: «Начертан этот знак не бога ли рукой!»). Исходя из своих уравнений, после ряда преобразований Максвелл устанавливает, что электромагнитные волны рас­пространяются с той же скоростью, что и свет, и приходит к выводу о том, что свет — это электромагнитная волна, что было позднее, уже после смерти Максвелла, эксперимен­тально подтверждено Г. Герцем.

Поле возникает как развитие идеи эфира, утверждая принцип близкодействия, отвергая представления о пустоте, о вакууме. Интересно следующее обстоятельство: дальней­шая судьба этих понятий приводит к отрицанию существо­вания эфира и свяжет представление о вакууме с наиниз­шим энергетическим состоянием уже квантованного поля (поля как совокупности виртуальных частиц). Идея же абсолютного пространства свяжется с представлением о неподвижном эфире как об абсолютной системе отсчета. Однако специальная теория относительности лишит эфир его основного механического свойства — абсолютного по­коя. Ибо, по словам Эйнштейна, «... введение «светонос­ного» эфира окажется измышлением, поскольку в специ­альной теории относительности не вводится «абсолютно покоящееся пространство», наделенное особыми свойства­ми». И эфир, изгоняясь из физической теории, унесет с со­бой концепцию дальнедействия и концепции абсолютного пространства и абсолютного времени. Казалось бы, что все предвещало обратную картину! Вот таковы коллизии раз­вития и соперничества различных научных гипотез, взаи­мовлияние их, когда каждая из соперниц вносит свое кон-

134

структивное зерно в противоположную точку зрения, обо­гащая ее и формируя общее русло идей и направлений в развитии науки.

I Принципы относительности