6. Что такое электрическое и магнитное поле?

"Мучительный" вопрос

Что такое электрическое и магнитное поле? Этот вопрос является наиболее мучительным для человека, стремящегося понять существо тех основных величин, с которыми оперирует современная физика, но либо еще не успевшего заняться ее основательным изучением, либо уже потерявшего надежду работать в этой области. Недаром среди вопросов в разных конвертах, ежедневно заполняющих столы редакций научно-популярных журналов и издательств, этот вопрос встречается наиболее часто. Электрический заряд вопрошающих интересует гораздо меньше, хотя дело здесь обстоит ничуть не проще, чем с полем. Это, вероятно, происходит потому, что с зарядом связано нечто осязаемое - наэлектризованное тело, а с полем - нет.

Пишут по этому поводу разные люди, знакомые обычно с понятием поля по школьным учебникам и популярным статьям. Часто выражают недоумение, почему нигде не встречается такое определение поля, которое могло бы их удовлетворить. Не пишут только студенты. То ли они начинают понимать, что несколькими фразами здесь не отделаешься, то ли потому, что соответствующие разъяснения они могут получить на месте.

Электромагнитное поле и эфир

Положение здесь не простое. Первоначальные представления о силовых линиях, к которым пришел Фарадей, а вслед за ним и Максвелл, были рождены в эпоху триумфа ньютоновской механики. Она казалась универсальной и всеобъемлющей. Постулаты Ньютона давно перестали восприниматься как гипотезы, построенные на экспериментальном фундаменте. Их стали считать чуть ли не самоочевидными.

Ни Кулон, ни Ампер никогда не помышляли ни о каком отступлении от ньютоновских позиций. Ведь они только исследовали новые типы сил. Силам же в ньютоновской теории разрешается быть какими угодно!

По существу на тех же позициях стоял и Фарадей, с той, правда, существенной разницей, что он не признавал действия на расстоянии. Фарадея не удовлетворяло умение только писать формулы, позволяющие выразить электромагнитные силы через расстояния, скорости и т. д. Он стремился наглядно представить себе механизм возникновения этих сил. Механизм, заметим, в самом буквальном смысле слова. Это (наряду с опытами с железными опилками и кусочками диэлектрика) и привело Фарадея к представлению о силовых линиях, как о чем-то очень напоминающем обычные (пусть невидимые и вообще ускользающие от прямого контроля органами чувств) упругие нити.

Да, как это ни звучит парадоксально в наше время, и Фарадей и Максвелл стояли на позициях механического объяснения электромагнитных явлений!

Приняв гипотезу, согласно которой все пространство заполнено особой всепроникающей средой - эфиром, они пытались все электромагнитные явления свести к механическим движениям в эфире, к механическим напряжениям внутри него. Многое в нынешней теории напоминает об этом. По сей день в книгах пишут (правда, вкладывая в слова новый смысл) о "натяжениях", связанных с электромагнитным полем, о потоках и вихрях.

Судьбы научных открытий бывают порой поразительны. Фурье, например, опираясь на совершенно ошибочное представление о теплороде - жидкости, якобы являющейся носителем тепла, - создал правильную математическую теорию теплопроводности. Мы пользуемся этой теорией и поныне. Фарадей и Максвелл создали стройное здание теории электромагнетизма, опираясь на механические представления.

В этом последнем случае логика развития идей была особенно удивительной. Эфир оказался совершенно нежизнеспособным детищем. Можно было еще смириться с необходимостью приписать ему экзотические свойства. Например, наряду с огромной упругостью - ничтожную плотность и вязкость. Но постепенно выяснились обстоятельства, бросающие вызов не только требованиям наглядности (это не так уж страшно), но и самой логической цельности теории. Так, в одних опытах эфир (если он существует) должен был увлекаться вслед за движущимися телами. Полностью увлекаться! Из других опытов следовало, что увлечение является частичным. Наконец, были и такие эксперименты, которые столь же безапелляционно говорили: никакого увлечения нет! Гипотетическая среда оказалась совершенно неуловимой.

Эфир и теория относительности

Эти противоречия пошатнули ус- певшие укорениться привычные представления физиков об эфире. Окончательно идея механического эфира была похоронена теорией относительности Эйнштейна. Выяснилось, что нельзя не только построить сколько-нибудь удовлетворительной механики эфира, но даже обнаружить движение по отношению к нему.

Замечательно, что это не сдвинуло ни одного кирпичика в стройном здании математически сформулированных Максвеллом законов электромагнитного поля. Уравнения остались прежними! Или, лучше сказать, они сохранили прежний внешний вид, но смысл их, смысл терминов "электрическое поле", "магнитное поле" стал совсем другим. Так, силовые линии в современной теории - это наглядное изображение распределения поля в пространстве, но никак не натянутые струны незримого механизма. В этом смысле они не более реальны, чем меридианы и параллели на географическом глобусе.

Есть старый анекдот о том, как действует беспроволочный телеграф. "Представьте себе колокольчик. К нему привязана веревка. Другой ее конец я держу в руке. Дергаю за веревку. Колокольчик звенит. Понятно? Ну, а теперь то же самое, но только без веревки".

Эфир для многих физиков был той самой веревкой, которая делала все привычным и понятным. "Та же самая" электродинамика, но "без веревки" потребовала переосмысливания многих представлений.

Можно сказать, что сторонники дальнодействия в одном все же оказались правы. Отрицая промежуточный агент, обусловливающий взаимодействие, они ошибались. Но они были вместе с тем правы, высмеивая попытки объяснить эти взаимодействия неким не- воспринимаемым механизмом, механизмом, который должен быть сконструирован так, чтобы он давал как раз то, что мы наблюдаем в действительности, но ничего больше. Если нет эфира, то не приходится надеяться на возможность свести электромагнитные явления к механике, пусть очень своеобразной, изощренной, но все же ньютоновской механике.

Но если это так, то, следовательно, мы, изучая электромагнитное поле, сталкиваемся с какой-то материей (а в материальности электромагнитного поля сомневаться не приходится), которая не подчиняется законам Ньютона! Она описывается своими специфическими законами, математической записью которых являются уравнения Максвелла.

Это одно из фундаментальнейших открытий! Впервые за всю историю науки в современном смысле этого слова появилась глубокая идея: существуют разные сорта материи, и каждый из них описывается своими законами, не похожими на другие, хотя в некоторых пунктах и соприкасающимися. Днем рождения этой идеи стал день изгнания из физики механического эфира.

Но что же это за материя? Какое определение можно дать понятиям электрического и магнитного поля?

Что значит объяснить?

Теперь вам предстоит познакомиться с длинным и, вероятно, скучным рассуждением, единственная цель которого - оправдаться в том, что дать определение поля, которое сразу бы вас удовлетворило, невозможно.

Вспомните, как можно объяснить, что представляет собой та или иная вещь? Конечно, первое, что приходит в голову, - это просто указать на нее пальцем (хотя это и не всегда прилично), и тогда органы чувств собеседника без всякой помощи с вашей стороны сообщат ему массу ценных сведений. Если объекта нет под рукой или он невидим, то (это уж будет во-вторых) можно подробно рассказать о его свойствах. Наконец, если это потребуется, можно рассказать, из чего состоит предмет вашего разговора: рассказать о строении предмета.

Мы привыкли к тому, что можно пользоваться любым из этих способов. В некоторых случаях предпочтительнее один, в других - другой. Например, довольно трудно объяснить, что такое жирафа, но достаточно посмотреть на нее один раз, и вы никогда ее ни с чем не спутаете. Наоборот, знакомство с переживаниями человека, попавшего в снежную лавину в горах, предпочтительнее получить по рассказам. О таком объекте, как атом, проще всего составить представление, ознакомившись с его строением. Кстати, здесь первый способ вообще не пригоден. Атом настолько мал, что ни увидеть, ни ощупать его невозможно.

Что такое жираф? Сложно объяснить, но достаточно посмотреть один раз и вы никогда ее ни с чем не спутаете

Часто все три способа пригодны в равной мере, и вы можете выбрать любой из них в зависимости от характера и степени интереса, внушенного вам предметом.

Например, желая узнать, что такое глюкоза, вы можете раскрыть энциклопедию или другое руководство и ознакомиться с описанием ее свойств. Так вы узнаете, что это бесцветные кристаллы, плавящиеся при температуре 146°С; на вкус примерно в два раза менее сладкие, чем свекловичный сахар, и т. д. Список свойств будет весьма обширным.

Далее, вы можете познакомиться с ее строением. Здесь выяснится, что глюкоза состоит из углерода, водорода и кислорода. Молекула глюкозы содержит шесть атомов углерода, шесть - кислорода и двенадцать атомов водорода, связанных друг с другом определенным образом.

Наконец, можно просто раздобыть кристалл глюкозы и посмотреть, что это такое.

Наиболее глубокое, полностью удовлетворяющее ученого или интересующегося наукой человека представление о предмете он получает при знакомстве со строением предмета. Особенно, если на основе этого строения можно объяснить различные свойства предмета. В этом главным образом и состоит цель науки.

Первичные сущности

Однако имеются объекты, для объяснения сущности которых ни первый, ни третий способы не годны. Такие объекты непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств, и мы ничего не можем сказать об их строении. Именно к таким объектам относятся электрическое и магнитное поля. То, что эти поля не действуют на органы чувств, еще не так страшно, хотя и не легко убедиться в реальности того, что мы непосредственно не ощущаем. Ведь мы и атомы не воспринимаем органами чувств, но с ними можно свыкнуться довольно легко. С полем дело обстоит сложнее в том смысле, что о его строении ничего сказать нельзя. Такая ситуация совершенно непривычна. Она имеет место только для простейших объектов (стихий, как говорили древние), которые нам известны на сегодняшний день. Ничего более первичного, чем электромагнитное поле, мы не знаем. Именно поэтому ничего не можем сказать о его строении.

На любом этапе развития науки мы сталкиваемся с подобного рода простейшими сущностями, разложить которые на составные элементы нельзя по той простой причине, что таковые не известны. Античные философы принимали за первичные четыре стихии: воду, воздух, огонь и землю. Впоследствии это были атомы, а теперь элементарные частицы и поля. Вопрос может стоять только так: будут ли в дальнейшем открыты более простые объекты, которые можно было бы рассматривать в качестве составных частей полей и частиц? Ничего абсолютно достоверного здесь пока сказать нельзя.

Надо сразу же предостеречь от попыток слишком упрощенно представлять себе поле. С элементарной частицей так и хочется связать этакий наглядный образ: шарик или нечто подобное, резко очерченное в пространстве, прерывное. С полем же связывается само собой в нашем мозгу нечто непрерывное, заполняющее пространство подобно тому, как жидкость заполняет сосуд. Именно такие представления господствовали в науке конца прошлого века: электрон рассматривали как заряженный шарик, а электромагнитное поле - как натяжения особой гипотетической среды - эфира. Однако в действительности такая простая картина недопустима. Достаточно сказать, что, как установлено в настоящее время, электромагнитное поле обнаруживает присущие частицам свойства, а у элементарных частиц в свою очередь обнаруживаются типично волновые свойства. Однако не будем забегать далеко вперед. Иначе нам придется касаться таких сложных свойств поля, говорить о которых пока преждевременно.

Основные свойства электромагнитного поля

Теперь можно перейти к существу вопроса об электрическом (точнее, пока об электростатическом) поле. Наши представления о том, что такое электрическое поле, образуются в результате опытного исследования его свойств. Иным путем эти свойства не могут быть найдены. Главное свойство электрического поля - это способность действовать на электрические заряды (как неподвижные, так и движущиеся) с некоторой силой. По действию на заряд устанавливается присутствие поля, распределение его в пространстве, изучаются все его характеристики.

Создается электрическое поле электрическими зарядами. Принято считать, что силовые линии этого поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Заряды - источники поля. По действию поля на заряд мы можем не только обнаружить поле. Исследуя это действие, можно ввести строго определенную величину, позволяющую измерять поле. Эта величина - напряженность поля - сила, действующая на единичный положительный заряд.

Основное свойство магнитного поля - способность его действовать на движущиеся электрические заряды с определенной силой. Создается магнитное поле также только движущимися электрическими зарядами. Силовые линии магнитного поля охватывают токи в виде замкнутых линий, не имеющих ни начала, ни конца.

Электромагнитное поле

Максвелл на основе открытий Кулона и Ампера сформулировал точные законы, определяющие величину электрического и магнитного полей в зависимости от распределения в пространстве зарядов и токов.

Как относятся к фундаментальным понятиям ученые?

Полезно еще сказать несколько слов об отношении самих физиков к такого рода фундаментальным понятиям, как поле. То определение поля и перечисление его свойств, о которых шла речь, вероятно, многим покажется явно недостаточным. Не следует ли в первую очередь все силы направить на достижение большей ясности в вопросе о поле, попытаться выяснить детально его природу?

Точка зрения ученых на этот счет иная. В тех сведениях о поле, которыми мы располагаем, ученые прежде всего видят необъятные возможности для объяснения громадной совокупности опытных фактов. Только под этими сведениями надо понимать, конечно, точно сформулированные математические законы, определяющие конфигурацию поля в зависимости от расположения зарядов и их скоростей, а не только те качественные представления, о которых мы можем рассказать в этой книге. Ученые отдают себе полный отчет в том, что здесь то же положение, что и с силами в механике Ньютона. Для механики, как вы помните, не важно, что есть сила по своей природе. Важно, чему она равна и при каких условиях возникает. В теории электромагнитного поля также важно в первую очередь знать, как поле действует на заряд и при каких условиях возникает, а не что есть поле в себе. Разница лишь в том, что, выходя за рамки механики, мы можем исследовать природу сил, но поступить таким же образом с полем не в состоянии, во всяком случае сейчас.

Исследование природы различных механических сил заключается по существу в сведении их к тем или иным полям. Сами же поля, по крайней мере сейчас, нельзя, как мы уже говорили, свести к чему- то более элементарному.

Рано или поздно наши сведения о поле, несомненно, будут углублены. Но те сведения, которыми мы располагаем, не позволяют пускаться в дебри сомнительных предположений о том, каков "механизм" действия поля на заряды. Нужно удовлетвориться сказанным. Возврат к первым попыткам механического понимания поля невозможен. Стремление сразу постичь "самую сущность" поля, вместо длительного, трудного, крайне важного дела объяснения конкретных явлений на основе известного и поисков новых свойств поля, может только показаться похвальным, а в действительности от этого нужно освобождаться.

Отношение ученых к полю можно сравнить с отношением Собакевича к такому деликатному предмету, как "мертвые души". Собакевича прежде всего заинтересовала та выгода, которую он может из них извлечь. "Вам нужно мертвых душ? - спросил Собакевич (Чичикова) очень просто, без малейшего удивления, как бы речь шла о хлебе... - Извольте, я готов продать". (Гоголь, "Мертвые души")^*. Во всяком случае, к полю ученый относится совсем не по-маниловски.

^*(Да не подумает читатель, что ученый своим характером вылитый Собакевич. Сходство между ними не в цели использования "таинственных предметов", а в способности увидеть в них практически полезные вещи.)

Вы конечно помните, как Манилов пытался было постичь, что же такое "мертвые души", но, увидев, что ему это не по силам, ограничился опасениями, не будет ли их продажа или негоция "несоответствующей гражданским постановлениям и дальнейшим видам России". Получив заверение в противном, он совершенно успокоился.

Конечно, ученые стремятся глубже исследовать свойства поля. Но они отлично понимают, что природа хранит свои тайны гораздо лучше, чем Чичиков тайну "мертвых душ".

Строить гипотезы, подобные тем, что выдвигались дамами "приятными во всех отношениях" и чиновниками губернского города N по поводу "мертвых душ", ученые считают занятием мало сказать бесполезным, но и вредным. На таком пути можно только превратить науку в сочинительство занимательных историй, подобных по своей достоверности "Повести о капитане Копейкине" или истории "О похищении губернаторской дочки".

В настоящее время мы не можем даже наверняка утверждать, что в дальнейшем будут открыты сущности "более первичные", чем поля и элементарные частицы.

Природа неисчерпаема в своих свойствах. Неисчерпаем, как подчеркивал Ленин, электрон. Столь же неисчерпаемо по своим свойствам и электромагнитное поле. Поэтому процесс все более глубокого познания свойств поля не прекратится никогда. Но делимы ли до бесконечности известные на сегодня простейшие образования? Вся совокупность фактов говорит, что скорее всего нет. Если это так, то дальнейший прогресс в изучении полей и элементарных частиц будет связан только с обнаружением все более и более глубоких свойств. Мы пока остановились лишь на некоторых важнейших свойствах, еще не изложив всего, что известно о поле современной науке.

Теперь можно и нужно перейти к следующим фундаментальным свойствам электромагнитного поля.