Теория Максвелла явилась в науке первым этапом немеханической физики, первым этажом в грандиозной пирамиде все усложняющихся абстракций. Мы увидим, что трудности, связанные с освоением новых абстракций, возникнут вновь, когда наступит эра теории относительности и квантовой механики.
Уравнения Максвелла содержали в себе не только описание известных явлений, но и предсказание новых, открытых только впоследствии, в том числе предсказание существования электрической индукции и радиоволн. Они не содержали лишь одного – в них не было ничего относящегося к световому эфиру и его поразительным свойствам.
Эфир просто остался за бортом теории Максвелла, но это никак не мешало ей уверенно помогать развитию науки. Для некоторых ученых эфир стал просто синонимом пустого пространства.
Но, несмотря на то, что через 12 лет Герц обнаружил на опыте предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, возбуждаемые в его приборах, традиции механистической физики не были сломлены. Многие физики упорно продолжали пытаться подвести под теорию Максвелла ходули привычной наглядности. Одни считали электромагнитные поля Максвелла особыми натяжениями эфира, так же как ранее принимали свет за поперечные волны в эфире.
Другие, продолжая считать эфир реальностью, предпочитали забывать о его противоречивых свойствах, относя его в разряд непознаваемых невесомых субстанций.
Первая влюбленность
В это переломное время в науку вошел провинциальный юноша Генрих Антон Лорентц. Он уже год как считался студентом Лейденского университета и даже получил в 1871 году (в 18 лет – небывалый случай!) диплом кандидата наук с отличием. Он познакомился с теорией Максвелла случайно, обнаружив в библиотеке физической лаборатории университета нераспечатанные конверты со статьями Максвелла.
Эти работы в Лейдене почти никто не читал, так как в них развивались новые, непривычные идеи, изложенные при помощи сложных математических выкладок. Большинству лейденских физиков они были не по зубам. Но юному студенту они показались откровением. Он навсегда подпал под влияние идей великого английского ученого.
Трудно сказать, чего больше в этой главе истории науки: элементов романтики или драмы.
...Лорентц приступает к написанию докторской диссертации, где решает задачу об отражении и преломлении света согласно электромагнитной теории. В этой диссертации двадцатидвухлетний Лорентц с легкостью показывает, как просто решаются теорией Максвелла все загадки отражения и преломления света. Загадки, для разрешения которых в механической теории эфира приходилось наряду со световыми волнами вводить ненаблюдаемые продольные волны эфира. Теория Максвелла не нуждалась в призрачных продольных волнах.
Впоследствии Лорентц, верный своей первой влюбленности, существенно развил теорию Максвелла, введя в нее наряду с электромагнитными полями атомы электрического заряда – электроны. Так в теорию Максвелла были введены элементы атомистики.
Согласно новой теории в безбрежный океан электромагнитных полей вкраплены заряды, сочетания которых образуют все существующие тела. Электромагнитные поля – эти натяжения эфира – проникают всюду, и для них остаются справедливыми уравнения Максвелла. Взаимодействия этих полей и зарядов образуют все многообразие мира. Это был большой шаг вперед, но вместе с тем и своеобразное возвращение к старому. Вот что писал об этом в 1895 году сам Лорентц: «В предполагаемой мною гипотезе имеется в некотором смысле возврат к старой теории электричества».
Но иначе Лорентц поступить не мог. Он верил, что электромагнитные волны – это особые натяжения эфира, и должен был объяснить, как они возникают. И он представил себе, что волны эфира взаимодействуют с электронами, входящими в состав материальных тел. При этом электромагнитные волны вызывают движения электронов, а движения электронов, в свою очередь, вызывают электромагнитные волны. Таким образом, электронная теория Лорентца, продвигаясь вперед, исходила из представлений, которые сам Максвелл отбросил. Зато она позволила вычислить показатели преломления прозрачных тел и многие другие величины, которые теория Максвелла не могла рассчитать и поэтому просто принимала в качестве характеристик вещества, определяемых из опыта.
При помощи своей теории Лорентц смог сделать ряд тонких предположений. Он предсказал своеобразное расщепление спектральных линий излучения атомов под действием магнитного поля. Это явление вскоре обнаружил соотечественник и друг Лорентца Зееман. Лорентц смог непринужденно объяснить замечательный опыт Физо, открывшего в 1857 году, что текущая вода увлекает за собой свет. Скорость света в текущей воде была больше, чем его скорость в неподвижной воде. Так получалось, если свет шел вдоль течения. А его скорость против течения оказывалась меньшей. Это выглядело непостижимым, пока Лорентц не объяснил странное явление влиянием электронов, находящихся в текущей воде.
Казалось бы, кризис, возникший на почве понимания сущности электромагнитных волн, миновал. Но...
Хвосты в эфире
Электромагнитная теория и ее улучшенный вариант – электронная теория одерживали одну победу за другой. С их помощью удалось объяснить все известные в то время явления. На их основе бурно развивалась электротехника. Более того, теория предсказывала еще неизвестные явления, и эти предсказания блестяще сбывались.
Однако существовало одно очевидное следствие, проверка которого требовала чрезвычайно точных измерений. Тогда его называли эфирным ветром.
Возвратимся примерно на девяносто лет назад. В то время ученые не сомневались в том, что океан светоносного эфира, проникающего во все тела, заполняет всю вселенную. Считалось, что эфир повсюду одинаков, неизменен и неподвижен. Он ничем не обнаруживал своего присутствия.
Но из электромагнитной теории следовало, что, наблюдая за распространением света, можно определить, движется ли лаборатория в океане эфира. А так как со времен Галилея никто не сомневался в относительности механических движений, можно было с равным основанием говорить о движении эфира относительно лаборатории, об эфирном ветре.
Один из самых искусных экспериментаторов, физик Майкельсон, решил проверить, можно ли в соответствии с предсказаниями теории определить скорость, с которой Земля, вращаясь вокруг Солнца, перемещается в океане эфира (см. об эфирном ветре).
Возникал вопрос, как же определить скорость эфирного ветра, то есть нашу скорость в мировом пространстве. Ясно, что для этого надо воспользоваться световыми волнами. Ведь эфир проявлял себя только как носитель световых волн.
Теория предсказывала, что скорость света вдоль и поперек направления движения Земли должна быть различной, причем это различие тем больше, чем быстрее движется Земля. Однако при тех значениях скорости Земли, которые были предварительно оценены из астрономических наблюдений, ожидаемая разность значений скорости в этих двух направлениях должна была быть очень малой.
Для того чтобы обнаружить это различие, Майкельсон построил специальный прибор – интерферометр, в котором луч света при помощи полупрозрачного зеркала расщеплялся на две части, расходящиеся во взаимно перпендикулярных направлениях. Эти лучи в конце своего пути отражались от зеркал и возвращались обратно к полупрозрачному зеркалу, вновь объединявшему их в один луч, при наблюдении которого появлялась система темных и светлых полос.
Положение полос зависело от длины путей обоих лучей и скорости света в этих лучах. При проведении опыта один луч направлялся вдоль направления движения Земли, а второй – перпендикулярно этому направлению. И фиксировалось положение темных и светлых полос на выходе прибора. Затем прибор поворачивался так, что вдоль направления движения Земли шел не первый, а второй луч, и вновь фиксировалось положение темных и светлых полос.
Майкельсон ожидал, что полосы при этом сместятся, так как движение Земли должно было по-разному влиять на скорость первого и второго лучей. Однако ожидаемое смещение не наблюдалось. Это было совершенно неожиданно и озадачило ученых.
Опыт был впервые поставлен в 1881 году и повторялся несколько раз в различных условиях с все возрастающей точностью. Но определить таким способом изменение скорости света, то есть обнаружить движение Земли в мировом пространстве, не удавалось, Ученые упорно повторяли этот опыт, но безрезультатно. Скорость света не думала меняться.
Отрицательный результат опыта Майкельсона привел физиков в растерянность. Нужно было срочно освоиться с этим фактом. Первая возможность объяснения состояла в отказе от неподвижности эфира. Достаточно было предположить, что эфир увлекается движущимися телами, и возможность определения скорости тел относительно него исчезла. Но это была слишком искусственная гипотеза. Эфир из твердого тела превращался в странный студень, объединяющий огромную упругость с бесконечной вязкостью. Звезды и планеты должны были тянуть за собой хвосты из эфира. Все другие тела тоже должны были иметь эфирные хвостики, соответствующие их размерам.
