Таким образом, Ньютон сам не стоял на позициях дальнодействия. Однако последователи его - Роджер Котс и впоследствии черногорец Бошкович пришли в конце концов к тому, что тяготение - столь же существенное свойство материи, как протяженность, способность к движению и т. п. Другими словами, они пришли к тому, что промежуточная среда для взаимодействия не нужна - они пришли к "дальнодействию".
Шарль Огюстен Кулон в начале своей научной деятельности написал несколько трактатов о скручивании нитей, волос, тонких проволок. Его глубокие знания в этом вопросе позволяли создать всем известные "крутильные весы", на которых он изучал силу, с которой взаимодействовали два электрических заряда.
Результат был поразителен: сила взаимодействия зарядов в пустоте, точно так же, как и ньютоновская сила тяготения, зависела лишь от величины зарядов и расстояний между ними. Пустота, находившаяся между зарядами, по мнению Кулона, никаким образом не входила в формулу вполне справедливо, так как там "ничего не было" и никакого механизма передачи от первого заряда к некоторому участку пространства, затем к другому, третьему и так до второго заряда, механизма, потребовавшего бы неизбежно некоторого времени для передачи усилий, представить себе было невозможно.
Поэтому Кулон был твердо убежден, что промежуточная среда во взаимодействии участия не принимает, взаимодействие происходит на расстоянии без ее участия и, следовательно, мгновенно.
Точка зрения ранних приверженцев близкодействия - тело может придать движение другому только путем соприкосновения с ним. "Тело, движущееся или покоящееся, должно побуждаться к движению или покою другим телом, которое в свою очередь побуждается к движению или покою третьим телом, это - четвертым и так до бесконечности" (Спиноза). Эта точка зрения была отвергнута признанием дальнодействия, которое, в свою очередь, уступило место близкодействию, но уже не на основе непосредственного контакта тел, а на основе взаимодействия тел с полями.
Открытие закона взаимодействия магнитных масс, в точности повторяющего "по конструкции" законы Ньютона и Кулона, утвердило французских физиков в справедливости концепции "мгновенного дальнодействия".
Теории великих французов были прекрасно математически обработаны, и в общем выстраивались в довольно изящную и цельную теорию.
Воззрения Фарадея в корне расходились с такими представлениями. Он, как мы уже упоминали, не знал математики. Это был "ум, который никогда не погрязал в формулах", по выражению Эйнштейна.
Максвелл писал впоследствии: "Может быть, для науки является счастливым обстоятельством то, что Фарадей не был собственно математиком, хотя он был в совершенстве знаком с понятиями пространства, времени и силы. Поэтому он не пытался углубляться в интересные, но чисто математические исследования, которых требовали его открытия. Он был далек от того, чтобы облечь свои результаты в математические формулы, либо в те, которые одобрялись современными ему математиками, либо в те, которые могли бы дать начало новым начинаниям. Благодаря этому он получил досуг, необходимый для работы, соответствующей его духовному направлению, смог согласовать идеи с открытыми им фактами и создать если не технический, то естественный язык для выражения своих результатов".
И вот этим-то "если не техническим, то естественным" языком смог выражать Фарадей сложнейшие понятия, которые легли в основу максвелловой теории. Реалистически мыслящий Фарадей, докапывающийся до самых основ, проверяющий всех и вся, органически не мог примириться с теориями великих французов, касающимися мгновенной передачи действия на расстоянии от одного тела к другому без посредства промежуточной среды. Он был абсолютно убежден в том, что "материя не может действовать там, где ее нет". Поэтому Фарадею понадобилась какая-то материальная среда, заполняющая даже "пустое" пространство я через которую от точки к точке передается электрическое и магнитное воздействие.
Среду, через которую передается воздействие, Фарадей назвал "полем", поле пронизано магнитными и электрическими "силовыми линиями".
Увидеть силовые линии, по Фарадею, очень просто. Например, чтобы увидеть магнитные силовые линии, достаточно насыпать железные опилки на бумагу я поднести снизу магнит.
Электрическое поле можно "увидеть", если продолговатые кристаллики какого-либо диэлектрика (например, кристаллы хинина) взболтать ("взмутить") в какой-либо достаточно вязкой жидкости (например, в касторовом масле): кристаллики в электрическом поле образуют картину, напоминающую опилочную.
Силовые линии одновременно определяют направление и величину силы, действующей на заряд.
"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".
"Да, еще было что-то странное и таинственное в науке об электричестве, которое не то, чтобы просто вещь, но и не то, чтобы просто выдумка. Была еще странная загадка о "действии на расстоянии", и электричество ее только усугубляло. Как добирается тяготение от Солнца до Земли? Если в пространстве нет ничего, то каким же образом свет долетает к нам от солнца за восемь минут, и даже от Сириуса - за восемь лет? Даже изобретение "эфира", этакого универсального желе, по которому ходят волны, рябь и дрожь, не избавляло науку от некоторой неубедительности."
Стивен Ликок, канадский юморист
Однако сторонники дальнодействия не принимали всерьез теоретические построения Фарадея, хотя, разумеется, восхищались его экспериментальными результатами. Житейская логика Фарадея не могла в их глазах противостоять "высокой науке". Один из противников Фарадея писал: "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".
Ситуация складывалась отнюдь не в пользу Фарадея. Знаменитый американский физик Роберт Милликен писал об этом периоде развития фарадеевских идей:
"Когда Фарадей подтвердил свои гениальные физические идеи гениальнейшими открытиями в области электромагнетизма, он этим не завоевал своим идеям даже минимального признания. Формалисты школы Ампера - Вебера, подобно современным формалистам школы Маха - Авенариуса, с тайным, а иногда и с явным презрением смотрели на "грубые материальные" силовые линии и трубки, порожденные плебейской фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея".
Нужно сказать, что на стороне сторонников дальнодействия была и "моральная сила" - концепция "дальнодействия" лишь относительно недавно в качестве прогрессивной теории обрела права гражданства. А борьба была нелегкой, приходилось, как говорится, насмерть биться со сторонниками старинной, описанной еще Лукрецием, механистической теории "близкодействия", по которой взаимодействующие тела обязательно должны соприкасаться. Отказ от теории привел к ряду важнейших законов и теорий (закон всемирного тяготения Ньютона, закон Кулона, электродинамика Ампера).
Важность победы сторонников дальнодействия на том этапе очевидна. Максвелл писал:
"Хотя хрустальные сферы, к которым прикреплены были планеты, и были уже удалены, но планеты еще плавали в вихрях Декарта. Магниты были окружены истечениями, а наэлектризованные тела - атмосферами, но свойства этих истечений и атмосфер ничуть не были похожи на свойства обыкновенных истечений и атмосфер".
Первым физиком, категорически отрицавшим действие на расстоянии, был Генри Кавендиш. Он занимался наукой исключительно из любви к ней и не публиковал своих результатов, считая это делом ненужным. Задолго до Кулона, и гораздо убедительнее, он обосновал "закон Кулона", задолго до Фарадея признал роль промежуточной среды и нашел величину, характеризующую эту роль, диэлектрическую постоянную. После его смерти остался миллион фунтов стерлингов и несколько пачек неопубликованных рукописей. Разобрав эти рукописи, Максвелл поразился: многие мысли Кавендиша, высказанные сто лет назад, не потеряли своей ценности и в дни Максвелла. Большинство же открытий Кавендиша за прошедшие сто лет было повторено другими учеными - еще одно доказательство необходимости открытий, Кавендиш был сказочно богат и столь же оригинален. Он жил в своем родовом замке отшельником. Прислуге было приказано никогда не появляться ему на глаза, распоряжения передавались при помощи записок. Женщин он панически боялся. Он был одержим пунктуальностью. Каждый его новый костюм был точной копией предыдущего с учетом происшедших изменений фигуры. За сорок лет он ни разу не положил в клубе, где он обедал раз в неделю, своей шляпы на другое место. Он почти всегда молчал и открывал рот лишь для того, чтобы сообщить нечто из ряда вон выходящее. Может быть, этой чертой характера объяснялось его нежелание публиковаться, может быть, он считал свои исследования недостаточно важными?
От всех теорий, тормозивших развитие науки, нужно было избавляться. И сторонники дальнодействия отлично справились с задачей.
Но точно так же в середине XIX века "дальнодействие" вновь должно было уступить место "близкодей-ствию" - на сей раз в прогрессивной концепции силовых линий и электромагнитного поля. А пока теория электричества находилась, по выражению Энгельса, "в состоянии идейного разброда".
В каком-то смысле можно по-человечески понять "формалистов школы Ампера Вебера", которые в штыки приняли возродившуюся вновь, в новом обличье фарадеевского "поля" гипотезу "близкодействия".
Нам, вооруженным марксистско-ленинской философией, разумеется, нетрудно было бы примирить и тех и других - знание закона отрицания отрицания могло бы обуздать разыгравшиеся страсти. Развитие науки идет по спирали; человечество через определенный срок вновь подходит к, казалось бы, выброшенной на свалку истории теории, но уже овладевшим новыми знаниями, на более высоком уровне понимания процессов. Однако "великим французам" законы марксистской диалектики известны не были, и они свысока, с язвительной иронией относились к фарадеевскому "полю" и "силовым линиям".
Именно в это время двадцатипятилетний Максвелл начинает свою борьбу за фарадеевскую теорию. Все глубже изучает он "Экспериментальные исследования по электричеству", уникальное в истории науки сочинение, своеобразный дневник раздумий гениального ученого.
"Фарадей, - писал Максвелл, - показывает нам свои как неудачные, так и удачные эксперименты, как свои не созревшие идеи, так и идеи разработанные, и читатель, сколько бы ни был ниже его по своей способности индуктивного мышления, чувствует скорей симпатию, чем восхищение, и приходит к искушению поверить в то, что при случае и он сделал бы эти открытия...
Фарадей по профессии не был математиком. В его описаниях мы не находим тех дифференциальных и интегральных уравнений, которые многим кажутся подлинной сущностью точной науки. Откройте труды Пуассона или Ампера, вышедшие до Фарадея, или Вебера и Неймана, которые работали после него, и вы увидите, что каждая страница пестрит формулами, ни одну из которых Фарадей не понял бы".
Но внешняя простота фарадеевского труда была обманчивой. Например, известный немецкий физик Гельмгольц вспоминал, как "часами высиживал, застряв на описании силовых линий, их числа и напряжения".
Вчитываясь в страницы "Экспериментальных исследований", Максвелл прежде всего увидел, что упреки "в нематематичности воззрений" Фарадея были несправедливыми.
"Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея, - писал Максвелл, - я заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и не представлен в условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков".
Режим дня Максвелла непостижим: он спал с пяти до половины десятого вечера. Затем - занятия до двух ночи. С двух до половины третьего гимнастика: беготня по лестницам и коридорам преподавательского общежития (можно представить себе силу возмущения общественности - впрочем, тогда стены были толще). Затем - сон до семи утра. С семи утра - новый рабочий день.
Но не форма волновала Максвелла. Он искал и непрерывно находил в трудах Фарадея прежде всего новые прогрессивные физические воззрения.
К фарадеевской концепции "поля" Максвелл присоединяется безоговорочно. Нравятся ему и силовые линии Фарадея. Максвелл видит, что Фарадей постепенно отходит от силовых линий как геометрических символов к вполне реальным силовым линиям, обладающим, например, упругостью, стремящимся пойти по кратчайшему пути, отталкивающимся друг от друга.
"...Не следует смотреть на эти линии как на чисто математические абстракции. Это - направления, в которых среда испытывает натяжение, подобное натяжению веревки или, лучше сказать, подобное натяжению собственных наших мускулов", - писал Максвелл.
Максвеллу нравится, что Фарадей признает рациональное зерно, имеющееся в работах чуждых ему по духу и манере исследователей, например Ампера. Так, он принимает целиком идею кругового магнитного поля, окружающего провод с электрическим током.
Максвеллу идея тоже кажется правильной. Более того, тезис "каждый электрический ток окружен магнитным полем" легко ложится в рамки относительно несложных математических символов и операций. "Легкость" и "несложность", конечно, весьма относительные. Максвелл отдал своей теории электромагнитного поля полжизни. Математические формулы, о которых идет речь, изучаются современными студентами в курсах высшей математики и теоретической электротехники лишь на старших курсах высших учебных заведений. Однако гений Максвелла был "легким" - все, знавшие его, не уставали повторять, что он делал свои открытия, как бы играя. Такому впечатлению способствовала и манера Максвелла заходить в лабораторию как бы между прочим, по пути, проходя мимо, иной раз с собакой. Эта манера, повторенная в сотнях экземпляров другими английскими физиками, подражавшими Максвеллу, если вы помните, юмористически описана в сборнике "Физики шутят".
Итак, и Ампер и Фарадей считали, что каждый электрический ток окружен магнитным полем. Максвелл решает записать этот тезис в форме уравнения.
Здесь - вектор напряженности магнитного поля.
- вектор плотности электрического тока, каким бы путем этот ток ни возник.
- некоторая постоянная.
Смысл этого выражения может быть понят относительно легко даже неспециалистом.
Обозначение rot - сокращение от слова rotor - вихрь. (Максвелл использовал слово curl - завиток); операция rot, грубо говоря, показывает в данном случае, что вектор напряженности магнитного поля вращается вокруг вектора тока плотностью .
Другой, сразу же завоевавшей признание Максвелла идеей, стало представление Фарадея о природе электромагнитной индукции - то есть возникновении электричества в контуре, число магнитных силовых линий в котором изменяется то ли вследствие относительного движения контура и магнита, то ля вследствие изменения магнитного поля.
Эта зависимость также вполне укладывалась во внешне формальные математические операции. После многолетних трудов Максвелл записал следующую строку:
Здесь - вектор электрического поля;