5. Близкодействие или действие на расстоянии?

Близкодействие

Законы взаимодействия неподвижных и движущихся зарядов были найдены. Но это не снимало вопроса, как передается сила от одного заряда к другому, подобно тому, как открытие закона всемирного тяготения не снимало вопроса о природе сил тяготения. Мы уже говорили о возникающих здесь проблемах, общих для гравитации и электромагнетизма. Однако эти проблемы настолько важны, что их стоит рассмотреть еще раз подробнее. Тем более, что они впервые исторически встали во весь рост именно при исследовании электромагнитных явлений.

Никто, пожалуй, не вскрыл существа дела с такой ясностью, как Максвелл в статье "О действиях на расстоянии".

Если мы наблюдаем действие одного тела на другое, находящееся на некотором расстоянии от него, говорит Максвелл, то прежде чем допустить, что это действие прямое и непосредственное, мы склонны сначала исследовать, нет ли между телами какой- либо материальной связи: нитей, стержней и т. д. Если подобные связи имеются, то мы предпочитаем объяснить действие одного тела на другое при помощи этих промежуточных звеньев.

Так, например, когда водитель исчезающих ныне старых автобусов поворачивает рукоятку, открывающую дверь, то последовательные участки соединительного стержня сжимаются, затем приходят в движение, пока наконец дверь не откроется^*. В современных автобусах водитель заставляет дверь открыться, направляя по трубкам сжатый воздух в Цилиндр, управляющий механизмом двери. Нетрудно также приспособить для этих же целей электромагнит, посылая ему сигналы по проводам. Во всех этих трех способах открывания двери есть общее: между водителем и дверью существует непрерывная соединительная линия, в каждой точке которой совершается некоторый физический процесс. Посредством этого процесса происходит передача действия, причем не мгновенно, а с той или иной конечной скоростью.

^*(Пример, разумеется, не Максвелла. Никаких автобусов при его жизни еще не было.)

Итак, действие между телами на расстоянии во многих случаях, отмечает Максвелл, можно объяснить присутствием некоторых промежуточных агентов, передающих действие, наличие которых вполне очевидно. Не разумно ли, спрашивается, и в случаях, когда никакой среды, никакого посредника между взаимодействующими телами мы не замечаем, допустить существование некоторого промежуточного агента? В этом состоит сущность концепции близкодействия.

Ведь иначе придется сказать, что тело действует там, где его нет.

Концепция близкодействия

Кому не знакомы свойства воздуха, тот может подумать, что звучащий колокол непосредственно действует на наши уши, а передача звука невидимой средой - что-то совершенно непонятное. Однако здесь можно в деталях проследить весь процесс распространения звуковых волн и вычислить их скорость.

И вот, говорит Максвелл, многие умы погрузились в размышления о невидимых истечениях, окружающих планеты^* и магниты, о незримых атмосферах вокруг наэлектризованных тел. Размышления эти были подчас весьма остроумны, но обладали немаловажным недостатком: они оставались совершенно бесплодными, ничего не давая науке.

^*(Вспомните наш рассказ о гравитационных силах.)

Действие на расстоянии

Так продолжалось до тех пор, пока Ньютон не установил своего закона всемирного тяготения, при этом, однако, не выдвинув какого-либо объяснения его действия. Последовавшие за этим успехи в исследовании солнечной системы настолько захватили воображение ученых, что они вообще в большинстве своем начали склоняться к мысли, что поиски какого-либо механизма не нужны.

Возникла концепция прямого действия на расстоянии непосредственно через пустоту. Тела способны непосредственно чувствовать присутствие друг друга без какой-либо среды. Концепцию действия на расстоянии часто пытались поддержать авторитетом Ньютона, хотя это и не соответствовало действительности, как уже говорилось раньше.

Сторонников действия на расстоянии нисколько не смущала мысль о действии тела там, где его самого нет. Разве, - рассуждали они, - мы не видим, как магнит прямо через пустоту притягивает тела и при этом сила притяжения заметно не меняется, если магнит завернуть в бумагу или положить в деревянный ящик. Более того, даже если нам и кажется, что взаимодействие тел вызвано непосредственным контактом, то в действительности это не так. При самом тесном контакте между телами остается небольшой промежуток. Ведь груз, подвешенный на нити, не разрывает эту нить, хотя между отдельными атомами, слагающими ее, также пустота. Действие на расстоянии не только не невозможно, но это единственный способ действия, встречающийся повсюду. Близкодействие существует не в природе, а лишь в головах сторонников этой концепции. Ведь это представление основано на грубом опыте донаучных времен, когда считали контакт необходимым для взаимодействия, но не понимали, что никакого прямого контакта не бывает, а существует действие на столь малых расстояниях, которые нельзя измерить при несовершенных методах наблюдения.

Действие на расстоянии

Аргументация против близкодействия, как видите, довольно сильная. Тем более, что она подкреплялась теми замечательными успехами, которых добились такие убежденные сторонники действия на расстоянии, как Кулон и Ампер.

Если бы развитие науки происходило прямолинейно, то никаких сомнений в окончательной победе действия на расстоянии не оставалось бы. Но в действительности линия развития скорее напоминает не прямую, а спираль. Пройдя один виток спирали, мы опять возвращаемся примерно к тем же представлениям, но уже на более высоком уровне. Именно так и произошло при развитии концепции близкодействия.

Успехи в открытии законов взаимодействия электрических зарядов не были органически связаны с представлением о действии на расстоянии. Ведь опытное исследование самих сил отнюдь не предполагает определенных представлений о том, как эти силы передаются. В первую очередь нужно было найти математическое выражение сил, а "объяснять" их можно было уже потом. Успехи сторонников действия на расстоянии явились только первым указанием на беспочвенность попыток объяснять коренные законы природы теми или иными наглядными механическими картинками, заимствованными из действительно грубого, повседневного опыта.

Электромагнитное поле Фарадея

Решительный поворот к представлениям близкодействия был совершен Фарадеем - творцом основных идей теории электромагнетизма, а окончательно завершен Максвеллом. Согласно Фарадею электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое и магнитное (если он движется) поля. Поля одного заряда действуют на другой и наоборот.

В основе представлений Фарадея об электрическом поле было понятие о силовых линиях, которые расходятся во все стороны от наэлектризованных тел. Эти линии, дающие направление действия электрической силы в каждой точке, были известны уже давно. Их наблюдали и изучали как любопытное явление.

Если продолговатые кристаллики диэлектрика (например, хинина) хорошо перемешать в такой вязкой жидкости, как касторка, то вблизи заряженных тел эти кристаллики выстроятся в цепочки, образуя линии более или менее причудливой формы в зависимости от распределения зарядов.

Можно проследить силовые линии вблизи поверхности Земли перед началом грозы.

Точно так же можно наблюдать вблизи проводников с током магнитные силовые линии с помощью простых железных опилок.

Фарадей был первым, кто отказался рассматривать силовые линии просто как способ обнять одним взглядом направления равнодействующей сил дальнодействия от наэлектризованных тел или токов в различных местах: сложный результат простых законов. Силовые линии, по Фарадею, - это наглядное отображение реальных процессов, происходящих в пространстве вблизи наэлектризованных тел или магнитов. При этом он сообщил концепции силовых линий замечательную ясность и точность. Распределение силовых линий, по Фарадею, дает картину электрического поля вблизи зарядов или магнитного вблизи магнитов и проводников.

Электромагнитное поле Фарадея

"Фарадей, - писал Максвелл, - своим мысленным оком видел силовые линии, пронизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде". Не будучи математиком и не имея возможности проследить за развитием мысли таких блестяще эрудированных в математике коллег, как Ампер, Фарадей тем не менее с помощью силовых линий мог разобраться в самых сложнейших вопросах электродинамики. И нет сомнения в том, что именно эти идеи привели его к ряду открытий исключительной важности.

Современники, захваченные успехом работ Ампера и других авторитетов действия на расстоянии, отнеслись к идеям Фарадея довольно прохладно, одновременно с интересом следя за его экспериментальными открытиями. Вот что писал один из них: "Я никак не могу себе представить, чтобы кто-нибудь, имеющий понятие о совпадении, которое существует между опытом и результатами вычисления, основанного на допущении закона дальнодействия, мог бы хотя бы один момент колебаться, чему отдать предпочтение: этому ясному и понятному действию или чему-то столь неясному и туманному, как силовые линии".

Электромагнитное поле существует

Однако сторонники дальнодействия не долго могли гордиться математическим изяществом и точностью своих теорий. Великий соотечественник Фарадея Максвелл сумел придать идеям Фарадея точную количественную форму, столь необходимую в физике. Он написал ставшую бессмертной систему уравнений электромагнитного поля. Выяснилось, в частности, что открытые Кулоном и Ампером законы именно на языке ноля выражаются наиболее полно, глубоко и одновременно математически изящно. С этих пор представления об электромагнитном поле начали завоевывать все большие и большие симпатии среди ученых. Но полная победа пришла несколько позднее, примерно через 50 лет после формулировки основных идей Фарадея.

Максвелл сумел теоретически показать, что электромагнитные взаимодействия распространяются с конечной скоростью, и эта скорость есть скорость света в пустоте: с = 300 000 км/сек. Это означает, что если мы слегка передвинем некоторый заряд А, то сила Кулона, действующая на заряд В, изменится не мгновенно, а спустя время. Фундаментальный результат, ставящий крест на концепции дальнодействия. Между зарядами в пустоте действительно имеет место некоторый процесс^*, в результате чего взаимодействие между зарядами распространяется с конечной скоростью. Правда, подобный эксперимент трудно осуществить из-за большой скорости распространения процесса. Но в этом и нет нужды. Из теории Максвелла следовал фундаментальный факт: электромагнитное поле обладает своеобразной инерцией. При быстром изменении скорости заряда сопровождающее его поле отрывается от заряда подобно тому, как при резком ускорении поезда срываются со своих мест все незакрепленные предметы. Оторвавшиеся от заряда поля начинают существовать независимо в форме электромагнитных волн. В наше время это известно всем, ибо такой процесс происходит при работе любой радиостанции. Ее назначение состоит в излучении электромагнитных волн. И если станция прекратит работу, созданные ею электромагнитные волны еще долго будут блуждать в пространстве, пока не поглотятся телами.

^*(Позднее мы разберем, что это за процесс.)

Взаимодействие между зарядами

В этом и подобных примерах электромагнитное поле выступает как нечто столь же реальное, как стол, за которым вы сидите, и отмахнуться от представлений о поле, как о чем-то сложном, запутывающем простые вещи, как думали сторонники дальнодействия, уже нельзя.

Идея о том, что тело может действовать непосредственно там, где этого тела нет, идея, которая в первый момент своего появления представлялась как противоречащая сама себе бессмыслица, была опровергнута экспериментально, несмотря на то, что, как казалось одно время, само развитие науки требует ее признания, а сковывающие творческую мысль догматы близкодействия должны быть отвергнуты.