Физика
Физика (от греческого слова φύσις - природа), учение о природе. Под таким заглавием была написана Аристотелем в IV в. до н. э. энциклопедия современных ему сведений о природе в самом широком смысле этого слова. То, что мы теперь понимаем под словом «физика» — учение о более или менее определенном классе явлений, наблюдаемых в веществе или материи, — выделилось из общего цикла наук о природе, входивших в аристотелевскую физику, лишь много позже, с лишком 2000 лет спустя, и, например, еще в 1830 г. в лейпцигском университете одно лицо преподавало и физику, и физиологию, и естественные науки.
1. Цели и методы физики; наблюдение, опыт и гипотеза. Применение приборов и математики. Цели, преследуемые современной физикой, те же, что и цели всего естествознания — открыть, исследовать и объяснить явления природы. Открытие и исследование явлений выполняются при помощи наблюдения и опыта, а объяснение состоит в установлении закономерной связи данного явления с другими, нам ранее известными, и сведении, таким образом, сложных явлений к явлениям все более и более простым, все менее и менее требующим себе объяснения. Это достигается при помощи известных предположений, т. н. гипотез (см.), без которых вообще невозможно ни исследование, ни объяснение явлений. Эти гипотезы высказываются на разных стадиях исследования и имеют целью объяснить известные уже явления, связав их между собой одной причиной. Если гипотеза удачна, то она дает возможность чисто логическим путем вывести ряд следствий, предсказать ряд явлений — новых, еще не наблюдавшихся, и предсказать их не только качественную, но и количественную сторону. Последнее невозможно без помощи математики, и потому наибольшего развития и достигли только те отделы естествознания (в частности физика), к которым применение математики оказалось возможно в наиболее широких границах. С этой стороны успехи физики тесно связаны были всегда с успехами математики. С другой стороны, столь же могущественное орудие исследования в физике — опыт — стоит в тесной связи с успехами технических знаний, так как по мере прогресса науки явления, подлежащее исследованию, становятся все более и более «тонкими», все менее и менее доступными непосредственному применению наших органов чувств и вынуждают нас прибегать к помощи физических приборов и инструментов, часто очень и очень сложных по своей конструкции и выполняемых лишь при стоянии техники на надлежащей высоте.
Эти условия прогресса физических знаний создались, главным образом, к началу XIX и в течение всего XIX в., что и было причиной чрезвычайно быстрого и плодотворного развития физики именно в эту эпоху: XIX в. может быть назван веком физики.
2. Физика древних. Умозрение и дедукция. В эпоху Аристотеля, как и ранее и позже нее, техника — по преимуществу военная и инженерная — существовала. Придти к техническим сооружениям очень сложного характера нельзя без помощи предварительного накопления сведений о природе и притом не только путем наблюдений, но, несомненно, и опыта: и тот же, например, Аристотель делал опыты (определение веса воздуха, падение тел и др.), но отсутствие возможности приложения математики сводило объяснение физических явлений в эту и позднейшие эпохи к применению лишь гипотез чисто умозрительного или даже диалектического характера. Подъем жидкостей под поршнем в насосах «объяснялся» как боязнь природой пустоты; круговое движение признавалось «совершенным» движением, потому что мы его наблюдаем на небе, а прямолинейное движение являлось следствием стремления тел к центру или от него. Отсюда вытекало разделение тел на тяжелые и легкие и, следовательно, различно в скоростях их падения на землю. Однако, тот же Аристотель знает, что звук — это процесс движения в материальных средах, и предполагает, что аналогичного происхождения и явления света (движение эфира), исходящего из тел и попадающего в глаз. «Свет есть действие прозрачного. Цвет тел приводит в движение прозрачное, как воздух, и через это прозрачное приводит в движение органы чувств». «Также звуком и запахом приводится в движение воздух». Стремлением все объяснить из одной гипотезы, не могущей быть, однако, проверенной, отмечена вся физика древних. И замечательно, что в этих гипотезах мы находим начала того, что много позже вошло и в современную физику. Единство материи — происхождение разных ее видов из одного основного; сохранение вещества (его массы, согласно физике XIX в.), атомное строение материи, эфир — все это в зачатках уже есть в физике древних. Гипотеза об атомном строении тел зародилась, вероятно, у халдейских магов и в Египте; в Европу — Грецию принесли ее Левкипп и его ученик Демокрит Абдерский (460—370 до н. э.). «Атомы и пустое пространство — начала вселенной; все остальное не реально, а лишь кажется. Атомы бесконечны числом и, вращаясь, носятся по вселенной; таким образом происходит все: огонь, вода, воздух, земля. Солнце и луна, равно как и душа состоят из образованных атомами вихрей и циркуляций». Но параллельно с этим, например, притяжение магнитов между собою объясняется Лукрецием — написавшим в I в. до н. э. новую энциклопедию естествознания и воскресившим научную философию Демокрита, — как результат образования между магнитами пустого пространства, потому что магниты выбрасывают из себя особые частицы, вытесняющие воздух между магнитами, причем последние и устремляются, благодаря действию воздуха, в эту пустоту.
Так, применение, главным образом, дедуктивного метода исследования на слишком ранней фазе изучения явлений, невозможность приложения математических методов, еще не бывших созданными, и, наконец, отсутствие установленной рациональной терминологии, что заставляло пользоваться в научных исследованиях обыденным разговорным языком, — все это было причинами неуспеха физической философии древних. «Ничто не имеет в себе никаких различий; нет различий и в лишении или отрицании. Пустота есть лишение или отрицание материи. Следовательно, в пустоте не может быть верха и низа; в пустоте не могли бы тела двигаться вверх или вниз, а это они должны делать по своей природе». Отсюда вывод, что в природе невозможна пустота — вот типический образец многих рассуждений древних философов по физическим вопросам.
Но это не мешало все же накоплению правильных сведений о физических явлениях и постепенному развитию методов наблюдения и исследования. Уже Фалес в VII в. до н. э. предсказал солнечное затмение, знал геометрические свойства треугольников, но он же представлял себе землю, как диск, и воду считал общим родоначальником всех тел, причем последний взгляд держался в физике даже до XVII в.
В 275 г. до н. э. было выполнено Эратосфеном первое градусное измерение земли и к этому времени для многих мыслителей было не только несомненно, что земля — шар, и что не она, а солнце в центре нашего мира, но люди уже смогли сделать первые попытки оценить расстояние земли от солнца, размеры последнего и т. п. (Аристарх Самосский, 270 до н. э.; Гиппарх, 150 до н. э.). Творцами же собственно физики до средневековой эпохи были Архимед (механика), Евклид и Птолемей (геометрическая оптика), Пифагор и Евклид (акустика, музыка), Герон (физические свойства газов и паров). За исключением Архимеда — это были ученые александрийской школы, начало которой было положено в 250 г. до н. э. основанием музея в Александрии, и которая создалась у самых истоков древнего знания, ибо в Египте, как и в Греции и Риме, как и в других государствах древней эпохи, физические знания были по преимуществу в руках жрецов и в значительной мере служили целям культа. Это и было причиной той тайны, которой эти знания были окутаны, и физика того времени была смесью собственно физики с метафизикой и мистикой. Рим не внес ничего в прогресс физики, и только знаменитая поэма Лукреция «О природе вещей» сохранила нам ту космогоническую картину, которая удовлетворяла выдающихся мыслителей императорского Рима в первом веке до начала н. э. Затем наступили такие события политической и религиозной жизни культурного мира той эпохи, что прогресс знаний надолго затормозился.
3. Физика средних веков. Магия и волшебство. Христианство, уничтожая языческих богов и их храмы и алтари, уничтожило и древнюю науку. В этой борьбе старое язычество пыталось уже в IV и V вв. н. э. противопоставить чудесам и таинствам христианства результаты древних физических знаний, окутанные пантеистическим мистицизмом, в которых физика, химия и астрономия причудливо переплетались с мифологией и демонологией. И с этого времени на целое тысячелетие и даже более физика превратилась в магию, химия — в алхимию, астрономия — в астрологию.
Однако, и в этом не было спасения для древней науки. Убийство Гипатии (см.) в Александрии христианской чернью (415), уничтожение храма Сераписа и закрытие даже афинских школ Юстинианом (529) — изгнало знание с арены христианского мира на много лет на V, VI, VII и VIII вв.
Религиозные идеи, борьба духовной и светской власти, крестовые походы, нашествия персов и арабов, славян, норманнов, и, наконец, и турок не могли благоприятствовать спокойному изучению физического мира, а духовный авторитет еще в IV и V вв. решительно признал всякое физическое знание бесполезным. Наука, как языческая, была признана еретической, и чтение древних авторов было запрещено. Всякое новое физическое явление признавалось произведенным невидимыми и фантастическими причинами, таинственными и сверхчувственными агентами. Физические науки получили название тайных, химия — стала черной наукой; осталась одна астрономия, которая была нужна для церковных целей.
Если древние науки не погибли совсем, то это благодаря арабам, сохранившим древнее знание в течение трех веков (половина VIII — половина XI в.): они явились наследниками и продолжателями александрийской школы. Изучение строения глаза (Альхазен, 1100), сферические зеркала, происхождение сумерек и рефракции, маятник для измерения времени; способы определения удельного веса (ареометр и пикнометр) и первые таблицы удельных весов тел, основания научной химии (Гебер); наконец, создание алгебры — всем этим мы обязаны арабам. Они же сохранили до нас и древнюю научную литературу, перед которой, однако, они благоговели до того, что, например, Аверроэс (1126—1206) объявил, что, «Аристотель довел науки до высшей возможной степени, измерил весь их объем и установил их конечные и неизменные границы». И этот завет последнего арабского ученого имел силу в Европе в течение четырех столетий.
Арабские переводы древних писателей понемногу проникали в Западную Европу, копировались, переводились. В монастырях «то счищают древние пергаменты, чтобы на месте текста Цицерона написать толкование на псалмы, то уничтожают творения Архимеда, то копируют латинский перевод с еврейского перевода одного арабского комментария к арабскому же переводу с сирийского перевода Аристотеля». Но все же физические книги последнего запрещаются для монахов, и в XII и в средине ХIII в. теология стала единственной истинной философией. Логика стала универсальной наукой с авторитетом религиозного верования. Всякая истина стала чистой религией, заблуждение в этой истине — ересью, и при таких условиях физика могла стать только метафизикой. Священное писание и логика Аристотеля в руках невежественных людей породили особую теологическую науку средних веков — схоластику, где серьезно дебатировали, например, вопрос о сне и питании ангелов или о детях дьявола и ведьмы. Физика была волшебством, она так и называлась «magia naturalis», а занятие волшебством грозило процессом, пытками и костром (последний процесс о ведьмах 1783 г.). Тщетно в течение почти всего XIII в. Рожер Бэкон проповедовал необходимость опытного знания, громил Аристотеля и доказывал невозможность магии: еще два века позже молитвами и анафемами с колокольным звоном люди пытались остановить движение кометы 1456 г.
4. Физика эпохи Возрождения. Применение индуктивного метода. Опровержение учения древних о тяжести и пустоте. Но в это время уже родился Леонардо да Винчи (1452), и с него можно начать счет возрождения физики. «Для познания природы и для извлечения из этого возможной пользы надо начинать с наблюдения, переходить к опыту и с его помощью пытаться найти причину; затем формулировать правило (закон явления) и подвергнуть его вычислению», — так говорил Леонардо. «Механика — рай математических наук, ибо с помощью нее можно вкусить от плодов математического знания»,— и в этих словах весь метод современной нам физики, которому первый следовал и сам Леонардо. Он первый построил гигрометр, определил звукопроводность воды, дал первые наблюдения над явлением дифракции света и научное описание капиллярных явлений. Он положил первые основания учению о волнах, делал первые опыты над трением и ввел в механику ряд новых понятий (например, статический момент силы). Леонардо знал сущность основных законов движения и пользовался ими, нигде не дав, однако, им ясной формулировки, и, имея верные представления об устройстве вселенной, Леонардо не дал резкого и окончательного опровержения космогонии Аристотеля, оставив этот труд, своему современнику на севере Европы - Копернику (1507). А десятью годами позже Лютер прибил свои 95 тезисов к церковным дверям в Виттенберге.
Наступила эпоха реформ не только религиозных, но и научных идей и представлений. Зарождалась современная нам физика.
Первые шаги новой науки были в области механики и астрономии. Галилей (1564—1642) открывает путем опыта законы падения тел, опровергает аристотелево учение о тяжелых и легких телах и рассматривает движение маятника как случай падения тел. Он впервые ясно указывает на принцип инерции вещества и собственноручно строит телескоп и микроскоп. Направленный на небо телескоп Галилея открывает ему спутников Юпитера, фазы Венеры, особую форму Сатурна и опровергает аристотелево учение о солнце, как «чистейшем огне»: на солнце оказываются пятна. Но природа еще боится у Галилея пустоты. Современник Галилея Стевин разрабатывает гидростатику, устанавливает понятие о давлении в жидкостях, а Ван-Гельмонт впервые различает разные виды «воздуха» (водород, углекислота) и вводит в науку слово «газ», сам, однако, оставаясь алхимиком. Наконец, английский медик Гильберт (1540—1603) дает первую разработку учения о магнетизме, как отдельной главы физики, устанавливая различие между явлениями магнитными и явлениями электрическими. Но излагая впервые систематически названные явления, Гильберт еще не знает отталкивания наэлектризованных тел, не различает двух видов электричества и электрические взаимодействия объясняет действием особых истечений. Сторонник идей Коперника, Гильберт объясняет движение планет магнитными их притяжениями и отталкиваниями, а мгновенное распространение света является для него доказательством существования в природе пустоты.
Несмотря на все это, и во второй половине XVI и в начале XVII в. новое естествознание продолжает быть магией; в соответствии с этим Ж. Б. Порта пишет свою энциклопедию естествознания конца ХVI в., «безумнейшую из книг» по выражению историков, где, однако, уже фигурирует наш «волшебный фонарь» XIX в., и среди массы мистических и суеверных утверждений описывает применение пара к поднятию воды в трубах.
В 1610 г. книга Коперника о вращении земли была запрещена в католических странах, и это запрещение лежало на ней в течение двух веков (до 1822 г.); однако, это не помешало в это же время опубликованию в Германии исследований Кеплера, так как протест Лютера и других в области веры мало-помалу подготовил протест и в области науки. Три закона движения планет около солнца были выведены Кеплером из наблюдений Тихо Браге и явились одним из первых завоеваний положительного знания в области астрономии, добытых научным индуктивным методом, и первым фактическим опровержением законов Аристотеля в мире планет. Однако, тот же Кеплер был астрологом Валленштейна, а движение планет обусловлено у него особым носителем силы, который «кружится в мировом пространстве наподобие реки или вихря, двигаясь быстрее, чем планеты». И Тихо не мог принять системы Коперника, потому что она противоречит Библии, а в сентябре 1624 г. парижские богословы грозили смертью за всякое публичное осуждение учения древних.
Новые пути развития для естествознания были все же открыты, они были проверены на примерах, и этим был внесен, дух свободной критики в науку и подорвано значение авторитетов в дело изучения природы. Интерес к делу научного исследования охватил тогда широкие круги в разных странах Европы: одно за другим следовало открытие новых явлений в самых разнообразных областях естествознания, строились новые приборы (например, барометр, термометр и др.), родилась мысль о необходимости в обмене мыслей между людьми, интересующимися исследованием природы, — и вторая половина XVII в. отмечена всюду в Европе созданием ученых обществ и академий. И после опровержения аристотелевской механики и астрономии опыты Торричелли, Герике и Паскаля к средине ХVII в. опровергли окончательно и аристотелево учение о невозможности пустоты; она была получена опытно в барометре Торричелли, в воздушном насосе Герике, в опытах Паскаля.
Около того же времени Бойль в Англии и Мариотт во Франции обнаруживают впервые количественные свойства газов (закон их сжимаемости), а в Италии Гримальди открывает поразительное явление в области оптики, когда «свет, сложенный со светом, дает тьму» (т.н. явление интерференции света) и, внимательно изучая цветные полосы около тени палки (т. н. явление дифракции света), правильно сравнивает процесс распространения света с процессом распространения звука и с волнами на поверхности воды. Он ставит «цвета» тел в зависимость от скорости колебаний «светового вещества» и является предтечей Ньютона в деле открытия явлений «дисперсии» света. Особая мировая среда представляется Гримальди нужной и для объяснения магнитных взаимодействий ее состояниями или движениями.
5. Картезианская физика: мир, как механическая система. Но человеческая природа такова, что мыслящие люди не могут удовлетвориться при изучении природы составлением просто систематического каталога явлений и собрания рецептов, по которым явления могут быть воспроизведены. Это изучение необходимо связано с потребностью обобщения и объяснения. Демокрит, Аристотель и другие философы древности брались за такие объяснения слишком рано и потому лишь случайно могли получить кое о чем более или менее правильное представление. И эта ошибка мысли была повторена в XVI в. Декартом и Гассенди.
Знаменитый математик, открывший аналитическую геометрию, — Декарт отверг философию, схоластику и всю книжную ученость древних. Он верно понял внешний мир как некоторую механическую систему, где всякие взаимодействия тел возможны лишь путем непосредственной передачи, непосредственного сообщения от точки к точке, от частицы к частице. Но в эпоху Декарта не было достаточно данных, чтобы построить такую систему на научных началах (их нет у нас и ныне). И Декарт, переоценив безошибочность чистого логического мышления, проверенную им в математике, приложил тот же способ априорно к физике, желая, например, определить прежде всего самую «природу тяжести», самую ее сущность. Сущность всякого тела, по Декарту, — его протяжение; пустота, если бы существовала, имела бы протяжение, т. е. была бы телом, материей. Следовательно, пустоты нет: все пространство есть в то же время и вещество, составленное из равных угловатых телец, ибо «это самое простое, а значит и самое естественное предположение». Это вещество находится в движении, и потому угловатые части обшлифовываются, получаются шарики и осколки. Последние перепутались между собой, сплелись и т. д., и т. д. Получились, между прочим, и «тончайшие полоски, змеящиеся в промежутках между шариками, то кружась, то несясь с громадной скоростью без сопротивления» и «встретив материал, способный воспринять их действие, могут произвести явления совершенно редкие, удивительные: от них может происходить, что раны убитого раскрываются при приближении убийцы; они могут возбуждать воображение спящих и бодрствующих, давая мысли, уведомляя о вещах далеко происходящих» и т. п. Планеты приводятся у Декарта в движение вихрями материи, а тяжесть обусловлена реакцией, зависящей от того, что из земли некоторые элементы стремятся вверх, к небу. А три стихии алхимии различаются своими частицами: частицы соли — остры, частицы ртути — тяжелы и круглы, а частицы серы — мягкие. Вихрями, образующимися вокруг магнитов, Декарт объясняет и магнитные взаимодействия и в этих вихрях допускает особые желобчатые, свернутые спиралями, частицы. Эти фантазии Декарта имели громадное влияние на все научное мышление надолго (два века и более) после Декарта. Эта философия материи и движения породила в физике особую картезианскую школу и подверглась математической обработке и развитию со стороны самых выдающихся математиков XVII и следующих веков: Лейбница, братьев Бернулли, Гюйгенса, Эйлера и др.
Другим видным представителем картезианской школы в физике (а не в философии) явился Гассенди, отвергнувший основной принцип философии Декарта — «cogito ergo sum», как высшую и первую истину, но считавший, как и Декарт, мир механической системой. Только Гассенди представлял себе эту систему на почве мировоззрения Демокрита и Лукреция, и это воскрешение атомистики, несомненно, оказало много позже громадное влияние на развитие современных нам физических взглядов.
По Гассенди, все свойства тел объясняются как следствие распределения и комбинации атомов, находящихся в движении. Далее тепло и холод — атомны, и атомы холода имеют форму тетраэдров, отчего они колючи и т. д.
Но время создания настоящих физических теорий не заставило себя ждать, и одновременно с Декартом и Гассенди на арену истории физики выступили Ньютон и Гюйгенс, хотя натурфилософия во вкусе Декарта и Гассенди, развившаяся на почве метафизики, продолжала держаться еще до средины XIX в. (Гегель).
6. Новая физика. Механика Ньютона. Первая физическая теория (тяготения). Действие на расстоянии. Все же со времени Ньютона началось создание настоящей научной физики, как таковой: она не только выделилась окончательно из общего естествознания, но и выделила позже от себя развившиеся в самостоятельные науки — астрономию, химию и биологию. Первый шаг к этому был сделан Ньютоном, который соединил в одно разнообразные добытые до него результаты механики и положил основание механики XIX в. тремя т. н. законами или аксиомами движения. В этих законах мы имеем: математическое выражение основного свойства веществ — инерции (т. н. масса); математическое же определение того, что называется силой, при помощи элементов движения (скорость, ускорение) и, наконец, указание, где искать источник силы (действие равно противодействию). Только с этого момента стал возможен дальнейший прогресс той главы общей физики, которая называется механикой. Этот прогресс продолжается непрерывно и до наших дней, и вся физика XIX в. зиждется на основных законах механики Ньютона.
Открытие Ньютоном же закона всемирного тяготения дало новое «объяснение» не только движению всех небесных тел, — причем законы Кеплера явились простым следствием этого закона, — но и явлениям тяжести на земле во всех деталях. Осталось лишь неизвестным, откуда же берется это универсальное свойство материи — тяготение, каким образом выходит, что всякие две материальные частицы притягиваются взаимно по закону Ньютона. И эта неизвестность, не помешавшая невиданному до того времени успеху теории Ньютона, породила своеобразное философское учение о «действии на расстоянии» (actio in distans), т. е. о передаче силы от тела к телу мгновенно, через пустоту, без всякого промежуточного двигателя. Эта новая школа явилась соперником картезианской школы, и таким образом создалось два разных воззрения не только на тяготение, но и на физические явления иного рода (электрические и магнитные). Но споры между сторонниками двух этих мировоззрений не имели значения для прогресса учения о тяготении, ибо в этих спорах проявилось одно из заблуждений научной мысли, которое было выяснено лишь в новейшее время: до известной поры для науки абсолютно безразлично, какова истинная причина тяготения (или электрических и магнитных взаимодействий); и результаты, вытекающие из закона Ньютона, совершенно не зависят от природы этого закона, которой мы не знаем и по сей день и которая будет определена тогда, когда опыт покажет нам, распространяется ли тяжесть от тела к телу мгновенно, или же требуется на это некоторое время. Именно таким путем был решен вопрос о природе электромагнитных явлений.
Действие на расстоянии, очевидно, объяснению не подлежит; допуская его, мы одаряем материальные тела особым свойством, им присущим, вроде тех свойств и качеств, которые были присущи телам в физике Аристотеля. Ньютон не был сторонником этого взгляда и, давая свой закон тяготения, отказывался только дать ему объяснение при помощи тех физических знаний, которые были в его распоряжении.
7. Теория света Ньютона и Гюйгенса. Эфир. В области оптики дилемма получилась иного характера. В 1675 г. Олаф Рёмер, изучая наблюдения над затме-нием открытых Галилеем спутников Юпитера, обнаружил, что свет требует времени для своего распространения и имеет, стало быть, скорость. Эта скорость оказалась равной 300 000 килом, в сек., т. е. приблизительно в миллион раз больше скорости звука в воздухе. Телескоп позволил проникнуть человеческому взору не только в бездны пространства, но и в бездны времени, ибо, как это заметил еще В. Гершель, «если лучи света от отдаленнейшей туманности должны были быть в дороге почти два миллиона лет, значит, туманность эта столько же миллионов лет назад должна была существовать на небе». Свет распространяется поэтому не только в пространстве, но и во времени; между тем, во времени что-либо может распространяться или как вещество, путем полета, или как движение или какое-либо состояние некоторого вещества, передающееся от места к месту процессом, называемым волной. Наличность скорости у света ведет, стало быть, к дилемме: или вещество, выбрасываемое светящимся телом, летит в пустоте со скоростью света к освещаемым телам, или же всюду, где распространяется свет, и значит и в межпланетном пространстве, и в пространстве, где находятся т. н. неподвижные звезды, и в нашем т. н. пустом пространстве — есть нечто, передающее свет как волны.
Обе идеи с древности имели своих защитников, но ясно и резко они обособились у Ньютона — как т. н. теория истечения света, и у его современника Гюйгенса — как т. н. теория волнения, — и только теперь эти идеи получили свои математические выражения, развившись в настоящие теории света.
В таких теориях не нуждается то, что мы называем ныне геометрической оптикой: беря законы отражения и преломления света на границе двух разнородных сред, как опытный факт, установленный Евклидом, Снеллием и Декартом, и пользуясь опытным же фактом прямолинейного распространения света, мы можем вовсе не интересоваться вопросом о природе света. Этот вопрос мог быть оставлен в стороне далее и после открытия Ньютоном сложности белого луча света и явления разложения его призмой на составные цветные лучи (спектр, дисперсия света). Ибо преломление лучей определяется величиной т. н. показателя преломления, и допущение разных показателей для лучей разного цвета делает явление дисперсии света понятным. Иное дело, если мы желаем знать, почему происходит отражение и преломление света, чем разнятся физически две среды, когда их показатель преломления отличен от единицы, и чем механически различаются между собой лучи света, которые глазу представляются лучами разного цвета. И вопросы этого рода возникли и потребовали ответа тогда, когда опытом были подтверждены наблюдения Гримальди в области тени, показавшие, что свет не всегда идет прямолинейно, и когда значительно расширилась область наблюдений и опытов над интерференцией света — были открыты т. н. цвета тонких пластинок (Р. Бойль, Гук, Ньютон), и когда, наконец, стали известны удивительные свойства исландского шпата, обнаруживающего двойное светопреломление (Э. Бартолин, 1669). Тогда то и оказалось, что объяснение всех этих явлений встречает трудности с точки зрения теории истечения, ибо в последней всякое отдельное явление, всякий новый опытный факт требовали для своего объяснения специальной гипотезы, приписывающей летящим частицам особые, нарочно придуманные свойства.
Таких трудностей не оказалось в теории Гюйгенса — теории света, как волн во всепроникающей среде — эфире. Здесь Гюйгенсу помогла полная аналогия с волнами звука, в то время значительно изученными и на опыте, и теоретически (между прочим, и самим Ньютоном). Но волны света были у Гюйгенса продольны, как волны звука в воздухе, и Гюйгенс не мог объяснить явлений интерференции (они не были известны еще и в области звука), так как самая причина ее — периодичность волн — Гюйгенсу не была еще ясно видна. Эту периодичность заметил сам Ньютон (кольца Ньютона), но она у Ньютона не вытекала из теории истечения, и последняя требовала введения периодичности ad hoc в виде «приступов легчайшего отражения и легчайшего преломления» у световых частичек; точно так же открытое в 1681 г., но остававшееся Гюйгенсу совершенно непонятным, явление, позже названное «поляризацией света», Ньютон мог объяснить лишь специальным допущением наличности у световых лучей «неодинаковых сторон». Зато в теории волн Гюйгенс очень просто и ясно (и верно) объяснил двойное преломление.
8. Непрерывность в физике; начало теоретической физики; свет, как волны в эфире. Спор двух теорий продолжался без малого два века. Создание Ньютоном и Лейбницем исчисления бесконечно малых и связанные с этим успехи чистой математики дали в руки физики могущественное орудие точного решения таких вопросов, к которым ранее нельзя было и подойти, и благодаря этому теория света стала одной из глав теоретической (иначе говоря, математической) физики. Но это случилось не сразу. Сначала успех был на стороне теории истечения, хотя уже в ХVIIІ в. Эйлер верно объяснил с точки зрения теории волн различие цветов у светового луча, как различие в числах колебаний волн, идущих в эфире; но те явления, которые как раз определяют собою природу света — интерференция, дифракция, поляризация — эти явления были еще все-таки малоизвестны и немногочисленны — даже и в явлениях звука. Теорию звука, как волн, дал еще Ньютон, но решительное расширение наших знаний в этой области физики произошло гораздо позже, уже в XVIII и частию в XIX в. Поэтому лишь в начале последнего века Т. Юнгу впервые удалось связать названные явления в области звука с аналогичными им явлениями в области света и дать опытные основания для теории волн, измерив непосредственно т. н. длину световой волны. И когда Лаплас объяснял явление двойного преломления света при помощи особых сил, исходящих из осей кристаллов, а во Франции были подробно исследованы как раз те явления «поляризации света», которые оставались совсем непонятны Гюйгенсу, Юнг прямо высказал предположение, что причина явлений поляризации света в том, что волны света не продольны. И действительно, опыты Френеля и Араго решили вопрос о поляризации именно в этом смысле: волны света оказались всегда поперечны. А тогда и самое явление поляризации стало столь понятно, что оказалось возможным делать и качественные, и количественные предсказания в теории волн света (Френель — яркость отраженных и преломленных лучей, Гамильтон — т. н. явление конического преломления и многое другое). И все же теория истечения держалась вплоть до 1854 г., когда непосредственный опыт показал Фуко, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, тогда как согласно теории истечения она должна была бы быть больше, чем скорость света в воздухе.
Таким образом, свет оказался некоторым процессом во всепроникающей среде — эфире, процессом, обладающим характером волны, и эта волна в обычных случаях может быть рассматриваема, как волна периодического характера. Отсюда казалось естественным, как это сделал Френель, и как это делали позднейшие исследователи, анализировавшие вопрос более глубоко и более точно, рассматривать эфир как некоторую упругую материальную среду, законы движения в которой благодаря большим успехам механики были уже хорошо известны. Здесь, однако, встретилась трудность: в явлениях света мы обнаруживаем всегда лишь поперечные волны. Между тем, в упругой материальной среде непременно возможно и необходимо в известных случаях появление и продольных волн, кроме поперечных и вместе с ними. И никакое предположение относительно свойств упругой (сплошной) механической среды, не противоречащее обычным механическим условиям, не позволяет освободиться от продольных волн, раз мы рассматриваем свет как упругие колебания материальной среды, подчиненной законам обычной механики. Свет, стало быть, не может быть такими колебаниями, эфир не есть упругое тело нашей механики.
9. Математическое описание явлений. Все это выяснилось, однако, лишь в конце XIX в., и весь успех теории света к этому времени можно формулировать так: когда идет свет, всякая точка (бесконечно малый объем) среды (или эфира) характеризуется особой направленной величиной (т. н. световой вектор), которая изменяется периодически и значения которой передаются от точки к точке со скоростью света, как волна. Этот процесс мы записываем дифференциальными уравнениями, и из них вытекает «объяснение» всех световых явлений как в изотропных, так и в не изотропных телах (например исландский шпат), или в пустоте, причем все эти среды отличаются друг от друга и от эфира некоторыми постоянными величинами, доступными опытному определению. Самый же механизм того, что мы называем световым вектором, остается при этом нам неизвестен.
Этот до известной степени неожиданный результат бросает свет на весь вопрос об объяснении физических явлений, вопрос, до последнего времени бывший неясным в течение веков. Успех ньютоновской теории тяготения привел к мысли объяснять и физические свойства материи при помощи аналогичной гипотезы о взаимодействии частиц. Однако, ньютоновы частицы оказались здесь неприложимы: явления сцепления частиц (т. н. капиллярность) при помощи этого не объяснялись. Были предложены иные законы взаимодействия, более общего характера, были предложены в XIX в. различные теории, — но все это оказалось ненужным, когда выяснилось, что дифференциальные уравнения состояния и движения и твердых, и жидких, и газообразных тел могут быть написаны, исходя из простого допущения, что внутри среды, как результат взаимодействия частиц по неизвестному нам закону, создаются определенным образом распределенные давления. Тогда и механика сред в трех их состояниях, и механика таких в них процессов, как волны, например, звука, волны в жидкостях, явления капиллярности и мн. др., — все это получает полное свое развитие, пределом которого является лишь предел средств математического анализа. А тогда вопрос о происхождении давлений и вопрос о строении тел при этом отпадает, или лучше сказать отлагается до другого времени: тела рассматриваются как если бы они были сплошные — и это мы имеем право делать, и в разбираемой области явлений как раз вопрос о структуре тел но играет никакой роли.
Как видим, и здесь, как и в оптике, вопросы наиболее интересные с точки зрения познания природы оказываются отложенными, и благодаря этому то или иное их решение не имеет вовсе значения для того объяснения, которое мы имеем записанным в известных дифференциальных и не дифференциальных уравнениях. Мы имеем в этих уравнениях как бы рецепты, по которым протекают явления, и наличность этих рецептов является характерной особенностью точного знания. Это — математическое описание явлений. Однако, и здесь надо оговориться. Все наши выводы основаны на опытных данных, всегда в известной мере ошибочных и относящихся лишь к определенным только явлениям, протекающим в определенных границах. Верных сведений о том, что происходит вне этих границ, у нас нет. Но по мере развития техники эксперимента эти границы расширяются, хотя это расширение не может идти беспредельно далеко, так как никакой опыт не свободен от ошибок. Наиболее точные из наших законов природы идут всегда далее непосредственного опыта, они идеализируют, так сказать, опыт; таков закон тяготения, таковы законы механики Ньютона, таковы и все те «уравнения», которыми физика пользуется в области разного рода явлений, таковы и все те другие обобщения современной физики, о которых будет речь ниже (например, закон сохранения энергии).
10. Теплота, как энергия молекулярного движения. Закон сохранения энергии. Аналогичным путем шло развитие и изучение и других областей физики. По примеру древних, теплоту очень долго рассматривали как некоторое вещество (жидкость, флюид) и вещество невесомое, так как непосредственный опыт не обнаружил изменения веса тел при их нагревании (увеличении содержания тепла) или охлаждении (Румфорд, 1799). И первым применением математического анализа к явлениям теплоты было создание Фурье теории передачи тепла в теле от точки к точке, т. н. теории теплопроводности. Это были дифференциальные уравнения движения теплоты, содержащие доступные опыту постоянные величины, т. н. коэффициенты теплопроводности. Уравнения были выведены с точки зрения на теплоту, как на вещество, но по существу дела такое представление не играло никакой роли, и уравнения Фурье верны и поныне, хотя теплота вовсе, как мы знаем, не невесомое вещество. Но на явлениях теплоты как раз обнаружилось, что физика не может не поставить вопроса о природе теплоты, ибо, кроме теплопроводности, есть и иные явления, где проявляется как раз природа теплоты. Вещество может менять свою форму, размеры, вид, свойство, но оно не может быть уничтожено без следа, как не может быть создано из ничего. Но при трении (например, при сверлении пушек, Румфорд, 1778) теплота получается как будто из ничего и в каких угодно количествах, причем и металл и его стружки сохраняют одинаковые свойства (одинаковую удельную теплоту). Эти опыты опровергли учение о теплоте, как веществе, и привели к сознанию, что теплота обусловлена невидимым нам движением внутри тел (Румфорд и Дэви, 1812), к т. н. кинетической теории теплоты, что высказывал Д. Бернулли еще в 1738 г. Теплота создается насчет исчезающего видимого движения тела и является каким-то проявлением невидимого движения внутри тела. Это было открытием громадной важности, так как оно послужило основанием, с одной стороны, открытия эквивалентности теплоты и энергии, с другой — возрождения идеи об атомном строении материальных тел. Все это — дело XIX в. и стоит в тесной связи с самым важным обобщением современной физики — с открытием закона сохранения энергии. Термин «энергия» настойчиво врывается в физику еще с конца XVIII в. (1785 — д’Аламбер, 1807 — Юнг, 1856 — Ранкин), и самый закон сохранения энергии
был установлен для механических процессов еще в XVII в. (Иог. Бернулли, Лейбниц, Гюйгенс) под видом т. н. закона живых сил. Первая идея об эквивалентности теплоты и энергии была высказана Ю. Р. Майером (1842) и сейчас же привела того же ученого и к идее о сохранении энергии, высказанной, правда, неясно. Опыты Джоуля (с 1843) и др. эту эквивалентность установили вполне, а ясная формулировка Гельмгольцем (1847) закона сохранения энергии дала общую характеристику сил нашей природы: их работа не зависит от того пути, на котором она совершается, а лишь от тех значений, какие силы имели в начале и конце пути (т. е. от начального и конечного положения тел или точек, между которыми действуют силы). Признание теплоты видом энергии заставило включить и ее в закон сохранения энергии, — и мы получили т. н. первый основной закон термодинамики, или механической теории теплоты.
Теплота оказалась энергией невидимого движения внутри тел; но это движение не могло быть движением отдельных очень малых частей тела; если бы это было так, мы бы имели здесь такое же движение, как в явлениях звука, и его мы могли бы увидеть, могли бы обнаружить волны звука в воздухе и других телах вблизи нагретого тела. Этого, однако, опыт не обнаруживает: следовательно, рассматриваемое движение должно принадлежать атомам тела, или их группам — молекулам — и материя должна иметь то строение, которое предполагал еще Демокрит.
11. Молекулярное строение тел — кинетическая теория вещества. Статистика и теория вероятностей в физике. Рабочие гипотезы. Так было положено начало современному учению о молекулярном строении вещества, и первая попытка приложения этого учения к объяснению свойств газов, попытка, основанная на применении математического анализа, была сделана Крёнигом в 1856 г. Вслед за тем Клаузиус дал дальнейшее развитие кинетической теории веществ почти исключительно — газов, а в 1860 г. Максвелл ввел в физику совсем новый метод изучения явлений молекулярного характера, основанием которого явилась чрезвычайно плодотворная идея, что в явлениях этого рода разные свойства (например, скорость движения, энергия, и т. п.) могут быть у отдельных индивидуумов (молекулы, атомы) беспредельно различны и переменны и подчинены законам случайных явлений, тогда как наблюдению оказываются доступны лишь средние значения этих свойств, в известных случаях неизменные со временем. Так было положено начало применению в физике статистического метода исследования процессов молекулярного характера, метода, который ранее находил себе применение лишь в метеорологии и в науке об общественных явлениях.
Эти идеи Максвелла и предложенный им метод дали очень богатые результаты в кинетической теории газов, а позже, уже в наше время, они нашли себе обширное применение и в иных областях физики, в явлениях, у которых, как и у газов, характерным является хаотичность и беспорядочность (т. н. нестройность). К группе таких явлений относится, например, явление излучения телами энергии, когда эти тела являются черными (см. излучение, XXI, 475), и мн. др.
Но как в оптике к верным дифференциальным уравнениям, записывающим явления, наука пришла при помощи применения неверной «рабочей гипотезы» о механических свойствах эфира, так и в кинетической теории материи оказалась неизбежной подобная же рабочая гипотеза о том, что такое представляют собой молекулы вещества. И вся наша кинетическая теория газов построена на предположении, что эти молекулы суть абсолютно упругие шары. Такое представление, очевидно, не может соответствовать истине уже потому, что молекулы суть сложные тела, слагающиеся из атомов; затем, раз вещество обладает известными свойствами (в том числе и упругостью) благодаря молекулярному строению и движению, мы не можем приписывать самим молекулам упругие свойства, как раз подлежащие объяснению. Тем не менее, полученные на основании таких представлений закономерности и соотношения между различными, доступными опыту, величинами оказались верны. Молекулы не шары, но наблюдаемые нами явления таковы, как если бы, в общем, молекулы были шарами. Молекулы не суть и упругие тела нашей механики; между ними могут действовать некоторые притягательные (или даже и отталкивающие) силы вроде сил ньютоновского тяготения, — и все-таки при взаимных сближениях молекул изменения их движений происходят так, как если бы мы имели дело с идеально упругими телами (вроде слоновой кости). И как в теории теплопроводности Фурье не играет роли вопрос о том, что такое теплота, так и в кинетической теории не играет роли вопрос об истинной природе и строении молекул, и это наше незнание природы атомов и молекул не мешает теории давать нам верные кинетические объяснения механического смысла таких доступных опыту величин, как давление, температура, коэффициенты трения, диффузии, теплопроводности и т. д. Современная физика здесь вернулась снова к картезианской философии материи и движения, только новая философия природы всякое свое утверждение доказывает при помощи математического анализа, чего не могли делать ни Декарт, ни Гассенди, и проверяет свои выводы при помощи столь «тонких» и искусных опытов, что о них и мысли не могло быть в эпоху Декарта. Это дало возможность утвердиться в физике учению о непрерывности жидкого и газового состояния, обратить все известные газы в жидкое состояние, открыть на земле ряд новых газов (аргон, гелий) и дойти до возможности производить опыты при температурах всего на 1—2 градуса выше абсолютного нуля и т. п.
12. Энергетический метод. Реакция против механического понимания природы. Но параллельно с обоснованием и развитием этого новокартезианского направления в физике в 60-ых годах XIX в. был создан еще один своеобразный метод исследования явлений природы. Введение Клаузиусом в физику понятия энтропии (см.) и установление т. н. второго закона механической теории тепла (дающего направление процессов природы тем, что энтропия должна всегда расти, если процесс необратим, или не изменяться вовсе в случае процесса обратимого) в связи с первым законом термодинамики дали возможность исследовать и предсказывать явления, не входя вовсе в рассмотрение их механического смысла: так, например, исходя из факта расширения воды при замерзании, оказалось возможно предсказать, что повышение давления должно понизить температуру замерзания воды, и предвычислить величину этого понижения, и мн. др. Эти успехи термодинамики, выяснившиеся особенно в 80-х годах XIX в., создали в физике особое научное течение, т. н. энергетизм, которое заранее отказывалось от попыток объяснения физических явлений при помощи механики, т. е. от попыток сведения явлений к движению определенных масс, видимых или невидимых (эфир, атомы и молекулы), считая подобные механические объяснения предрассудком (Э. Мах), соответствующим «детскому состоянию интеллекта» (В. Оствальд). Эти утверждения были в соответствии с учением т. н. положительной философии (О. Конт) и хотя и имели одно время некоторый успех, но жизнь физики скоро доказала несостоятельность такого учения: был открыт ряд явлений, которые нагляднее всего подтвердили справедливость молекулярно-кинетических представлений, показав почти воочию существование молекул и атомов, и не только материи, но и электричества и энергии.
Энергетика, как метод исследования явлений, осталась в физике нашего времени независимо от старого «механического» метода, который в последнее время получил особенно блестящее применение и в области явлений излучения тепла и света, и в области т. н. радиоактивных явлений и т. д., и, наконец, в том, что он позволил найти механическое объяснение самому понятию «энтропии». Именно, Больцман (см.) показал, что энтропия имеет смысл вообще лишь в процессах и системах молекулярно-хаотического характера, когда данная энергия может быть распределена по молекулам (или вообще по элементам хаоса) самыми разнообразными, случайными способами, причем число этих способов, как и число элементов хаоса, очень велико. Всякое такое отдельное распределение есть случайное событие и, как таковое, имеет свою «вероятность». Этой вероятностью и определяется энтропия. Наличность энтропии у системы есть, таким образом, как раз доказательство молекулярного строения системы.
Вычисляя поэтому энтропию системы из молекулярно-кинетических представлений при помощи статистического метода и теории вероятностей, мы получаем возможность из энтропии уже энергетическим путем получить выражения некоторых свойств нашей системы. И успех такого метода, обнаружившийся совсем недавно при изучении т. н. «черного излучения», является наилучшим доказательством той идеи, что методам исследования явлений окружающего нас мира нельзя ставить какие-либо границы или рамки, и что эти методы не могут быть намечены а priori.
13. Прерывность в физике. Кванты (атомы энергии). Теоретические изыскания закона черного излучения, согласного с опытом, привели к открытию, что лучистая энергия не может быть беспредельно делима, а слагается всегда из целого числа некоторых очень малых количеств энергии, получивших название квант (М. Планк). Лучистая энергия, таким образом, оказалась имеющей как бы атомное строение, подобно материи; и это значит: или вообще названная энергия имеет такое строение, или же процесс излучения идет не непрерывно, а порциями, поквантно.
Это открытие привлекло собой внимание и на то обстоятельство, что ведь и вообще в области молекулярно-кинетических представлений нет, строго говоря, той непрерывности, которая лежит в основе обычных теорий классической физики и дает возможность применять в этих теориях дифференциальное и интегральное счисления — т. е. анализ бесконечно малых. Как раз таких бесконечно малых величин, в полном смысле этого слова, в явлениях молекулярного мира и нет, ибо, например, число молекул есть всегда число целое, не могущее быть менее единицы. Поэтому данная энергия может лишь так распределиться между молекулами данного объема, что энергии отдельных молекул будут разниться между собой не бесконечно мало, как это принимается в обычных теориях, а конечно, хотя и мало; поэтому и число таких различных распределений не будет бесконечно велико и т. д. Таким образом, представляется возможным думать, что наличность квант энергии вытекает уже из самого атомного и молекулярного строения вещества, и что из подобных же квант слагается и энтропия, и т. д. Эти соображения намечают путь дальнейшего прогресса физики: в области известных явлений придется физике перейти от дифференциального счисления к т. н. исчислению конечных разностей.
Разумеется, однако, что этим вовсе не подрываются те результаты, которые в области иных явлений получились при помощи дифференциального счисления, потому что в этих явлениях в известных пределах мы можем материю рассматривать как сплошную, или как почти сплошную, не делая при этом выходящих за пределы опытов ошибок. Таким путем и закон черного излучения получается согласный с опытом, но лишь для достаточно высоких температур.
14. Электромагнитные флюиды и действие на расстоянии. Что касается теперь области явлений электричества и магнетизма, то прогресс наших знаний здесь начался, в сущности, лишь в XIX в., после того как благодаря Вольта (1799) были открыты явления электрического тока и способы его получения (т. н. гальванические элементы). До этой эпохи явления электричества и магнетизма и опыты в этих областях были скорее своего рода забавой, особенно после изобретения первой электрической машины (развивавшей электричество при трении). Химическое разложение веществ при помощи электрического тока (т. н. электролиз), магнитные силы около электрического тока, взаимодействие этих токов между собой, явление термоэлектричества — все это открытия первой половины XIX в., повлекшие за собой установление целого ряда законов электромагнитных явлений, как вывод из опытов. При этом и раньше, и теперь исследователи исходили из представления о двух «электрических» и двух же «магнитных» невесомых веществах — флюидах. Далее были очень оживленные споры о том, существуют ли два электрических флюида или же только один, спор, продолжавшийся и долго спустя, почти до конца века, когда уже самое представление о флюидах из физики исчезло. Такие неверные представления были опять лишь рабочими гипотезами и оказались ненужными после того, как были установлены законы явлений: тогда вместо флюидов появились просто термины «количество электричества» и «количество магнетизма», механический смысл которых оставался неизвестен. Но эта неизвестность не мешала величавому синтезу, которым ознаменована физика XIX в. в области рассматриваемых явлений.
Прежде всего, благодаря исследованиям Ампера было установлено, что, во 1-х, магнетизм есть молекулярное явление, так что и процессы намагничивания (например, железа) состоят лишь в установке известной ориентировки уже имевшихся в железе маленьких (молекулярных) магнитов; и что, во 2-х, магнитные взаимодействия и силы суть проявления движения электричества. Электричество в покое дает электрические силы и явления, электричество в движении — магнитные. Два класса явлений, долго считавшиеся существенно различными, слились, таким образом, в одно — в область явлений электромагнитных. Но недоставало еще одного открытия, сделанного Фарадеем уже в начале второй четверти века; при помощи электричества можно было получить магнитные явления: открытие Фарадеем электромагнитной индукции установило возможность и обратного явления — при помощи магнитов (при их движении) получается электричество.
Это открытие получило для техники громадное значение, так как оно привело, в конце концов, ко всем современным применениям электромагнетизма в технике (механические генераторы электромагнитной энергии и их применение, передача силы на расстоянии, телеграф и проч.).
Но еще большее значение эти и позднейшие открытия имели для прогресса наших знаний о природе. Оказалось, что способность намагничиваться, хотя и в слабой степени, свойственна всем телам, во всех их трех состояниях, что эта способность есть общее свойство вещества. А т. н. диамагнитные явления обнаружили, что безвоздушное пространство — или пустота — или эфир, введенный в оптику Гюйгенсом, занимает как раз промежуточное по своим свойствам положение между одной группой тел, ведущих себя при намагничивании подобно железу — т. н. парамагнитные тела, и другой группой, названной Фарадеем диамагнитными телами. Фарадей же обнаружил связь между магнитными и оптическими явлениями, открыв т. н. явление намагничивания света, особое воздействие магнита на т. н. плоскополяризованный световой луч, идущий в материальных средах (стекло, вода, газы), проявляющееся в том, что при намагничивании плоскость поляризации вращается (явление вращения плоскости поляризации света).
Наконец, Фарадей явился и реформатором в области наших представлений о самой сущности электромагнитных явлений.
До него электрические, магнитные и электромагнитные взаимодействия тел трактовались подобно тому, как Ньютон трактовал явления всемирного тяготения. Именно, обнаруживаемые опытом в явлениях этого рода механические силы получили определенные математические выражения (например, законы Кулона, Ампера, Био и Савара и др.), но вопрос, откуда они берутся, оставался не решен. Если при этом и шла часто речь об этих силах, как приуроченных к самим взаимодействующим телам, т. е. как о действии на расстоянии, то это была безразличная для дела гипотеза. При взаимодействии между собой покоящихся наэлектризованных тел, магнитов, постоянных во времени электрических токов мы имеем процессы, от времени не зависящие. А такие процессы, как было уже указано по поводу явлений тяготения, не дают вовсе указаний на природу сил в них проявляющихся. Для этого нужны процессы, переменные во времени. Но до открытия явлений электромагнитной индукции таких процессов знали очень мало (только, например, процессы заряжения тел электричеством и т. п.), и они почти не были доступны теоретическому изучению. И явления индукции сами по себе в то время (вторая половина XIX в.) не могли решить вопроса, обусловлены ли электромагнитные силы действием на расстоянии, или же взаимодействия этого рода суть лишь кажущиеся, вызываемые тем, что в среде, разделяющей взаимодействующие тела, имеют место некоторые процессы, в результате которых среда толкает тела одно к другому или одно от другого. Тем не менее, явления индукции наводили на мысль о необходимости поставить вопрос о характере электромагнитных взаимодействий. И такой вопрос поставил Фарадей.
15. Идеи Фарадея и Максвелла о роли эфира в электромагнитных явлениях. Электромагнитная теория света. Действие на расстоянии казалось Фарадею невозможным; электромагнитные силы между телами, поэтому, суть проявление действия некоторой среды между телами. Но между ними может быть и пустота; стало быть, и пустота наполнена чем-то, обусловливающим взаимодействия тел. Однако, такое что-то — в виде эфира — уже было допущено в оптике. Невероятно, чтобы эфир служил только для распространения световых волн, и чтоб была другая среда, производящая электромагнитные взаимодействия. Значит, и оптические явления и явления электромагнетизма обусловлены одной и той же средой, одним и тем же эфиром. В нем совершаются неизвестные нам механические процессы, направление которых Фарадей видел в т. н. линиях сил (электрических и магнитных), рисуемых на опыте, например, известным распределением железных опилок в виде цепочек вокруг магнита. Эти механические процессы, эти нарушения механического равновесия эфира по определенным направлениям и делают то, что погруженные в эфир тела сближаются или расходятся, а нам кажется, что они притягиваются или отталкиваются.
С такой точки зрения периодические изменения этих особых состояний точек эфира со временем должны представлять собой явление света, и последний, таким образом, должен оказаться электромагнитным явлением.
Фарадей не мог дать своим идеям математического выражения, но эти идеи руководили им во всех его электромагнитных исследованиях, и чрезвычайно вероятно, что без этих идей очень многие из открытий Фарадея не имели бы места. Таким образом, около средины XIX в. в физике назрел новый вопрос о механическом объяснении электрических и магнитных явлений, причем добывание нужных для этого опытных данных было значительно облегчено изобретением целого ряда точных измерительных приборов и методов исследования.
Решение названного вопроса взял на себя Д. К. Максвелл с 1855 г., пытаясь подойти к нему с разных сторон. Но при этом встретились необычайные трудности, и Максвеллу удалось лишь при помощи вихрей в некоторой жидкости и особых частичек между ними мысленно построить лишь модель, или механическую аналогию, электромагнитных явлений, которая действительно объясняла эти явления, при помощи, однако, механизма совершенно искусственного и чересчур похожего на машины, построенные руками человека, чтобы соответствовать действительности. Это был возврат опять в физику XIX в. к картезианским вихрям; но механическая схема Максвелла могла быть записана рядом математических формул, выражающих действительные соотношения между доступными опыту величинами и соотношения, согласные с опытом, дающие опытные законы. А этого как раз и не могли давать декартовские вихри.
Коренным недостатком максвелловской схемы была ее неправдоподобность, так как все было подобрано ad hoc. Тем не менее, такой путь исследования природы при помощи хорошо подобранных моделей или аналогий оказался сейчас же плодотворным. Именно этим путем Максвелл открыл, что должны быть возможны электромагнитные волны, и что они должны иметь скорость в воздухе (или пустоте), равную той величине, которая уже в то время фигурировала в учении об электричестве и магнетизме как т. н. «отношение единиц» и которая была доступна измерению и оказалась как раз равной скорости света. Выходило, что изменения электромагнитных состояний тел распространяются в воздухе и пустоте волнами, и эти волны имеют скорость волн света. Отсюда было естественно заключить, что такие волны и суть как раз волны света, т. е. что свет есть электромагнитное явление. Так была создана т. н. электромагнитная теория света, так были сведены в одно явления электричества, магнетизма и света, и фигурировавший в теории света «световой вектор» стал одним из количеств, фигурирующих в электромагнитных явлениях.
Максвелловская модель электромагнитного поля не была, как сказано, объяснением электромагнитных явлений. Позже в разных работах (1864—1873) Максвелл снова и снова возвращался к идее о механическом объяснении электростатических и магнитных взаимодействий, и представление об упругих силах в эфире в этих случаях, которое было уже у Фарадея, Максвелл формулировал математически и опять не получил механического объяснения интересовавших его явлений. Максвелл тем не менее этим путем сделал два открытия. Изолятор (диэлектрик), разделяющий наэлектризованные тела (эфир, стекло, воздух), находится в особом электрическом состоянии (поляризация диэлектриков), так что в двух бесконечно близких точках по линии сил есть разные и противоположные электрические заряды (+ и —), и вследствие этого изменение этой поляризации со временем есть процесс движения электричества в изоляторе, т. е. то, что называется электрическим током, и что до Максвелла знали лишь в проводниках (электрический ток, текущий по закону Ома). Затем одно и то же тело может иметь свойства и проводников, и изоляторов, и потому электрический ток в таком теле слагается из двух токов: ток по закону Ома и изменения поляризации со временем. Однако, объяснить подобным же образом явления электромагнитной индукции Максвеллу не удалось; и это заставило его ввести в физику опять новый метод исследования, данный для механики Лагранжем.
16. Механические объяснения электромагнитных явлений. Модели и аналогии. Данная механическая система будет нам вполне известна, если мы знаем для всякой ее точки (или бесконечно малого объема) массы и действующие силы. Тогда механика позволяет написать дифференциальные уравнения движения; и если, кроме того, мы имеем и еще некоторые данные относительно положения и движения точек, то мы получим возможность предсказать положение и движение всякой точки системы для любого момента времени, как прошедшего, так и будущего. Но во многих случаях движение механических систем, перемещения, скорости, силы для отдельных точек наблюдению недоступны. Между тем, доступными наблюдению являются некоторые величины (обусловленные сами положением точек, их движением, силами), имеющие характер перемещений, скоростей или сил. Лагранж и показал, каким образом можно написать уравнение движения системы, пользуясь только этими доступными наблюдению величинами и не зная вовсе истинного движения отдельных точек и действующих на них сил. И очевидно, что этот метод механического объяснения физических явлений по преимуществу приложим там, где как раз мы имеем дело со скрытыми от нас массами, имеющими скрытое от нас движение. А таковы именно и суть явления электричества и магнетизма.
Вот этот-то метод Лагранжа Максвелл и применил к электромагнитным явлениям, рассматривая доступную наблюдению силу электрического тока как некоторую величину, имеющую характер механической скорости, хотя при этом остается и неизвестным, что именно движется и с какой именно скоростью. Несомненно, лишь, что электрический ток есть процесс некоторого движения. Таким путем Максвеллу и удалось установить ряд соотношений между электрическими и магнитными силами в пустоте и других средах, соотношений, известных и поныне под именем уравнений Максвелла для электромагнитного поля. И в этих уравнениях записаны все явления: электрические и магнитные, электрический ток, индукция. Из этих же уравнений получаются и дифференциальные уравнения оптики, записывающие распространение электромагнитных волн. При этом всякая среда характеризуется некоторыми доступными опыту постоянными (зависящими в случае волн от периода колебаний), т. н. диэлектрической постоянной, электропроводностью, происхождение которых требует особого объяснения с точки зрения молекулярно-кинетических представлений: и это объяснение в свое время и было дано (теория дисперсии и поглощения волн). В то же время из этих уравнений Максвелл предсказал, что плоская электромагнитная волна (т. е. волна света) должна давить, например, на зеркало, от которого она отражается. Это — т. н. световое давление, опытное измерение которого Лебедевым и Никольсом и Гуллем (1900) и было вторым блестящим подтверждением электромагнитной природы света. Первым таким подтверждением было получение Герцем (1888) электромагнитных волн в воздухе, измерение их скорости и обнаружение, что они обладают всеми свойствами волн невидимого для глаз света (т. н. ультракрасные лучи). А экспериментальная техника конца XIX и начала XX в. достигла такой высоты, что оказалось возможным, с одной стороны, получить электромагнитным путем волны с длиной около миллиметра, и с другой — оптическим путем — волны с длиной в доли миллиметра. Опытное подтверждение электромагнитного происхождения света привлекло в конце XIX в. внимание физиков снова к идее дать уравнениям Максвелла определенное механическое толкование: были сделаны попытки отождествлять электрические и магнитные силы с самыми разнообразными механическими величинами (скорость, перемещение, вращение и т. д.), но эти попытки успехом не увенчались, так как все в конце концов встречались с темп или иными затруднениями, в виде некоторых невозможных или - малоправдоподобных следствий. Тем не менее, обнаруженная Гельмгольцем (1892) возможность применения к электромагнитным явлениям чисто механического «принципа наименьшего действия» (что позволило выводить из т. н. «кинетического потенциала» значения и тепловых, и механических, и электромагнитных количеств, характеризующих данную систему), а также установление Больцманом (1891) особого характера тех механических движений (т. н. циклических), которые лежат в основе электромагнитных явлений — дали возможность получить, так сказать, из принципов механики дифференциальные уравнения электромагнитного поля, содержащие, однако, лишь доступные опыту электромагнитные величины, механический смысл которых все же остается неизвестен, но для которых можно построить много механических моделей или аналогий. Этот неуспех механики электромагнитных явлений, или механики эфира иными словами, создал далее особое научное течение, враждебное подобным попыткам искания механического объяснения электромагнетизма, в духе Маха и позитивной философии. И основание такому научному течению дало доказательство, что при помощи эфира, как сплошного тела классической механики, вообще нельзя объяснить механизм электромагнитного поля. Однако, очевидно, что подобное доказательство не исключает возможности искомого объяснения иным путем: например, при помощи эфира с атомной структурой, которую почти всю жизнь проповедовал лорд Кельвин. Возможно также, что и самые уравнения Максвелла не вполне точны и требуют поправок, еще пока не обнаруженных опытом. И возможность такой поправки как раз была обнаружена успехами физики, и на этот раз физики опытной, в конце XIX и начале XX в. Именно, была открыта атомная структура самого электричества, были открыты т. н. электроны, которых потоки в очень разреженных газах представляют собой давно известные т. н. катодные лучи.
17. Атомное строение электричества; электромагнитное происхождение массы. Идея атомного строения электричества было высказана еще Максвеллом, а позже и Гельмгольцем (1881), как следствие открытых Фарадеем законов электролиза. Согласно этим законам, всякий атом вещества, отлагаемый при электролизе, не может иметь + или — электричества менее определенного количества и всегда имеет или это количество или целое число подобных количеств. Такому-то количеству и было дано (Д. Стони) имя «электрон», а катодные лучи оказались потоками таких электронов, несущих электрический отрицательный заряд, величина которого как раз совпала с величиной, фигурирующей в явлениях электролиза. Атом материи в не наэлектризованном (т. н. нейтральном) теле имеет некоторый + заряд и окружен роем электронов, вместе имеющих такой же — заряд. Электризация атома есть результат изменения в нормальном числе электронов, а стало быть нет не наэлектризованной материи. Это великое открытие сделало сейчас же понятным механизм излучения телами волн света. Эти волны — электромагнитные волны в эфире, и получаются они тогда, когда атомы и электроны (те и другие наэлектризованные) находятся в движении (например, колебательном), ибо всякое движение наэлектризованного тела с ускорением всегда сопровождается появлением в окружающем теле эфире электромагнитных волн. С этой точки зрения сейчас же получили себе объяснение и явления поглощения света телами, и зависимость скорости распространения воли от периода волны (явление дисперсии света), как результат резонанса при колебаниях заряженных электричеством атомов и электронов. Электрический ток в металлах оказался простым движением электронов от атома (или молекулы) к атому (или молекуле) и тем же самым движением, которым объясняется и теплопроводность металлов. Последняя есть перенос электронами их живой силы, а электропроводность — перенос теми же электронами их электрических зарядов. Электропроводность металлов оказалась обратно пропорциональной абсолютной температуре и прямо пропорциональной теплопроводности, что было давно известно, но представлялось совсем непонятным. Сопротивление металлов электрическому току — это проявление того препятствия, которое атомы и молекулы представляют движению электронов при входе последних внутрь или выходе наружу. При температурах, близких к т. н. абсолютному нулю (— 273°С), атомы и молекулы как бы сливаются между собой в сплошную среду, сквозь которую электроны летят без всякого сопротивления. Поэтому электрический ток, созданный в металле при температуре близкой к — 273°С, по устранении своего источника продолжает течь по замкнутому проводнику в течение часов (опыты Камерлинга-Оннеса, 1914) по инерции.
В то же время в электронах физика впервые встретилась с возможностью измерить массу движущегося наэлектризованного тела и должна была принять во внимание различие в массах одного и того же тела не наэлектризованного и наэлектризованного. Дело в том, что движущееся наэлектризованное тело представляет собой электрический ток с его магнитными силами. Последние образуют т. н. магнитное поле тока, обладающее определенным запасом энергии. Эта энергия всегда должна быть доставлена току извне, и она проявляется, между прочим, как раз в явлениях т. н. самоиндукции токов. Если поэтому нейтральное тело массы М для движения со скоростью v должно получить энергию Е0 = ½ Мv2, то то же тело, наэлектризованное, при той же затрате энергии Е0 получит уже не скорость v, а меньшую, ибо часть Е0 пойдет на создание магнитной энергии электрического тока. Нам представляется дело так, как если бы наэлектризованное тело имело массу не обычную М, а М+m, и потому для получения прежней скорости v нам понадобится затратить энергии не Е0, а Е = ½ (М + m) v2. Здесь m есть кажущаяся т. н. электромагнитная масса, и ее можно вычислить, зная электрический заряд тела.
Такие вычисления и опытные измерения массы электронов показали, что у последних, по всей вероятности, массы М вовсе нет, что у них вся масса кажущаяся, вся — электромагнитного происхождения. Это привело сейчас же к очень большому обобщению, пока, впрочем, не окончательно еще установленному. Но всей вероятности, иной массы, как электромагнитная, и вообще нет, всякая масса — масса электромагнитная, и тогда мы получаем объяснение, что такое масса, введенная Ньютоном как мера инерции, и что такое инерция. Инерция — это проявление связи материальных тел с эфиром, проявляющейся в электрических силовых линиях, исходящих от атомов и электронов, составляющих всякое тело. Масса, в сущности, принадлежит не телу, которому мы ее приписываем, а окружающему тело эфиру, она — кажущееся явление. Здесь мы имеем некоторую аналогию с явлением движения твердого тела в жидкости: такое тело тоже обладает кажущейся массой (разумеется, кроме обычной), обусловленной движением жидкости.
Существование электронов, этих атомов электричества, должно быть в тесной связи и с атомным строением лучистой энергии; но ни электронам, ни квантам энергии нет места в уравнениях электромагнитного поля, данных Максвеллом, и эти уравнения верны лишь тогда, когда у нас электрический заряд слагается из столь большого числа электронов, а лучистая электромагнитная энергия столь «плотна», что на атомность электричества и энергии можно не обращать внимания. Но, когда у нас немного, или даже, например, один всего электрон, то ничем не доказана применимость к этому случаю уравнений Максвелла, и в этом, вероятно, и есть та поправка к названным уравнениям, о которой была речь выше, и незнание которой ставило до сих пор препятствия всяким механическим объяснениям электромагнитных явлений.
18. Электромагнитные основания механики. Изменчивость массы при движении. Особая роль скорости света. Электромагнитное происхождение массы и инерции и неуспех механики эфира создали в конце XIX в. идею, что не в механике надо искать объяснения физических явлений, а наоборот, дать механике электромагнитные основания (W. Wien): для этого надо только, чтобы мы привыкли мыслить электромагнитными образами, вместо механических. Однако, очевидно, что такое «электромагнитное» объяснение явлений не может идти далее объяснения массы и признания электромагнитного происхождения за механическими силами (тяжесть, химическое сродство и т. д.), что не может вызвать возражения. Но ведь ни перемещение, ни скорость, ни ускорение нельзя заменить электромагнитными образами, как нельзя и отрицать того, что получив электромагнитное «объяснение» для понятий нашей механики, мы должны, в конце концов, иметь возможность решить и обратную задачу, т. е. придти к механическому толкованию электромагнитных количеств, если только вообще мы не отрицаем хотя бы качественных оснований классической механики (например, того, что всякая энергия чему-то принадлежит и т. п.).
Опытному исследованию электроны представляются всегда в движении, и скорость этого движения, как и самая масса электронов доступны измерению. Оказалось, что масса электронов очень мала, в 2 000 раз меньше массы атома водорода, а скорость вообще очень велика, и в некоторых случаях (например, потоки электронов, выбрасываемых радиоактивными веществами) эта скорость доходит почти до величины скорости света (до 285 000 км). Опыт обнаружил, что разным скоростям электронов соответствует и разная их масса, причем масса получается тем больше, чем больше скорость движения. Причина этого явления в том, что электромагнитная масса заряженного электричеством тела является определенной только его зарядом лишь в том случае, когда тело в покое или движется со скоростью очень малой сравнительно со скоростью света; вообще из теорий электромагнитных явлений давно известно (Д. Д. Томсон, 1881), что эта электромагнитная, кажущаяся масса сама зависит от скорости движения v (точнее от отношения v/с, где с скорость света) и стремится к бесконечно большой величине, когда скорость движения приближается к скорости света и величина 1 — v2/c2 к нулю. На электронах явилось возможным обнаружить это влияние движения на массу, и, если теория верна, приходится заключить, что скорость света занимает совсем особое положение среди всех возможных скоростей. Никакому телу нельзя сообщить скорости движения большей, чем скорость света. Если всякая масса имеет электромагнитное происхождение, значит и она не постоянна, как это принимается в механике Ньютона, а сама зависит от скорости v и может быть рассматриваема постоянной лишь в случаях, когда v ничтожно в сравнении со скоростью света. За исключением случая движения электронов, это условие всегда является соблюденным; поэтому и изменчивость массы практически вообще значения не имеет; но она важна для нашего познания мира, ибо обнаруживает, что механика Ньютона в нашем мире имеет лишь приближенное решение и это потому, что в этом мире скорость электромагнитных волн не бесконечно велика. В мире, где эта скорость была бы бесконечно велика, механика Ньютона была бы абсолютно верна в том смысле, что масса тел всегда была бы постоянна и от скорости v не зависела бы.
В начале XX в. физика, таким образом, пришла к необходимости эволюции механики Ньютона, к изменению в ней количественных соотношений, хотя качественные пока оставались не затронуты. Однако, вскоре оказались затронуты и эти последние, и толчок этому дали исследования влияния движения земли около солнца на оптические и электромагнитные явления.
19. Неподвижность эфира. Извращение физических явлений актом движения. Эквивалентность массы и энергии. Дело в том, что согласно механике Ньютона (даже и в случае массы, зависящей от скорости) во всякой механической системе, движущейся прямолинейно и равномерно, все механические процессы протекают для наблюдателя, движущегося с системой, абсолютно так же, как если бы движения не было. Это механический принцип относительности, и поэтому наблюдатель, пользуясь механическими явлениями только своей системы (например, явлениями звука в вагоне железнодорожного идеального поезда), открыть свое движение не может.
Земля в своем движении около солнца в течение некоторого промежутка времени (времени опыта) может быть рассматриваема движущейся прямолинейно и равномерно, вместе со своей газовой оболочкой. Поэтому ни одно механическое, чисто земное явление (например, явление звука) но может обнаружить этого движения, ибо оно для нас совершается так же, как и в том случае, если бы земля была в покое. Вращение же земли около оси можно обнаружить разными земными опытами (например, маятник Фуко). Свет и электромагнитные явления, совершающиеся исключительно на земле, будучи подчинены законам механики, должны нам обнаружить движение земли около солнца, если эфир не имеет нашей скорости движения земли, ибо эти явления протекают, главным образом, тогда в эфире, не имеющем полной скорости земли, и система земля—эфир, стало быть, не есть система в прямолинейном и равномерном движении. Очень точные опыты (особенно оптические Майкельсона, 1881—1887) движения земли не обнаружили. Следовательно, приходилось бы заключить, что эфир имеет полностью движение земли, т. е. с воздуха. Но опыты Физо показали, что в текущей воде скорость света изменяется по закону
с' = с±v (1—1/n2), где с' скорость света в текущей со скоростью v воде, с — тоже скорость в неподвижной воде, а n —показатель преломления света в воде. Знак ± показывает, что скорость увеличивается, если движение воды совпадает с движением света, и уменьшается, если оба движения идут навстречу друг другу. Но у воздуха n чрезвычайно близко к 1; поэтому из закона Френеля следует с' = с, т. е., что при движении воздуха эфир вовсе не увлекается, а при движении воды увлекается только не с полной скоростью v. Это последнее обстоятельство легко объясняется тем, что при движении воды движутся только молекулы ее, а эфир остается неподвижен; в случае же воздуха роль молекул ничтожна, и эфир опять остается неподвижен. Однако, такая неподвижность эфира прямо противоречит опытам Майкельсона и др.
Это противоречие по Лоренцу (1895) устраняется, если допустить, что размеры материальных тел в случае движения сокращаются по направлению движения, не изменяясь по направлениям движению параллельным, и сокращаются в зависимости от величины v/c так, что, когда v достигает величины скорости света, материальные тела сплющиваются в плоскость. Есть и физические основания для такого допущения в предположении, что все упругие силы имеют электрическое происхождение, а электрические силы при движении меняются. И, например, шар из одних электрических зарядов, получив скорость v, должен сплющиться как раз так, как это предполагает Лоренц для материальных тел. В таком случае приходится принять для случая движения и иные изменения аналогичного происхождения, и тогда для неподвижного эфира на движущейся земле ни одно оптическое или электромагнитное движение земли не обнаружится, ибо хотя изменения в явлениях и будут, но они не будут выходить из пределов ошибок наблюдений. Изменения же размеров и т. п., разумеется, опыту недоступны, ибо такие же изменения протерпят и самые меры. Гипотеза Лоренца опять идет далее классической механики Ньютона, так как в последней размеры материальных тел при движении предполагаются не изменяющимися. Но как и изменчивость массы, и изменчивость размеров и иных свойств материальных тел есть следствие известных процессов в эфире, есть, так сказать, действие эфира — от того и особая роль скорости света, выражающей свойство эфира. И в физике мы имеем явления, где актом движения вносятся изменения в размеры и формы тел: это происходит, например, при вращении тел (действие т. н. центробежной силы); точно так, же, например, растянутая грузом пружина сокращается, если ее вместе с грузом заставить падать, т. е. двигаться ускоренным движением, и т. п. С этой точки зрения эволюция классической механики являлась подтверждением основной идеи классической физики XIX в., стремившейся все объяснить при помощи эфира и ставившей такое объяснение конечной целью науки (Г. Герц, 1889). И намек на возможность такого объяснения был дан еще В. Томсоном (1867) в его вихревой теории вещества.
Идеальная жидкость (без трения), как сплошное тело, содержит в себе замкнутые вихри. Эти вихри — наши атомы, их комбинации — молекулы. Эти вихри обладают свойствами упругих тел, но эти свойства кажущиеся — следствие движения; между вихрями есть силы, но и они кажущиеся. Вся энергия такой системы кинетическая, а потенциальная энергия есть энергия кажущаяся, обусловленная движением вне того тела, которому мы потенциальную энергию приписываем. Допуская, далее, кроме вихрей-атомов в жидкости наличность еще гораздо более мелких вихрей, мы бы получили в их совокупности среду, которая могла бы быть эфиром.
Но вместо дальнейшего развития этих идей физические теории XX в., исходя из условия о неподвижности эфира, стали развиваться совсем в другом направлении, приведшем, в конце концов, к отрицанию уже самого эфира и к полному перевороту в области мировоззрения классической физики.
Согласно электромагнитной теории Максвелла, световые волны оказывают давление не только на те тела, на которые волны падают, но и на те, которыми волны излучаются: именно, испуская волны только по определенному направлению, тело испытывает давление по противоположному направлению, волнами отталкивается. По третьему закону Ньютона (действие равно противодействию) соответственное давление по направлению распространения волны есть и на фронте идущей из источника волны, и это давление должно привести эфир в движение. Предположение неподвижности эфира встречается здесь, таким образом, с нарушением третьего закона движения, и это обстоятельство привело (А. Пуанкаре, Г. Лоренц, М. Абрагам) к такой мысли: лучистой энергии, которая переносится в волне со скоростью света с, соответствует в волне т. н. количество движения (импульс, толчок) по направлению движения. Но количество движения дается произведением массы на скорость. В волне единственная скорость, имеющая направление распространения волны, есть скорость волны с. Следовательно, в волне есть количество движения mс, т. е. электромагнитная волна обладает, таким образом, массой m, она как бы материальна.
С другой стороны, масса m, движущаяся со скоростью с, имеет кинетическую энергию ½ mc2; стало быть, такова же и кинетическая энергия волны, а эта энергия составляет половину всей энергии волны (другая половина состоит из энергии потенциальной). Следовательно, энергия волны Е есть Е = mc2 (например, для единицы объема). Таким образом, оказывается, что лучистая энергия и масса эквивалентны между собой, подобно тому как эквивалентны между собой теплота и энергия, и механическим эквивалентом массы является крайне большая величина с2, т. е. квадрат скорости света. Поэтому масса всякого тела состоит не только из электромагнитной массы заряженных электричеством атомов и электронов, нон из массы той лучистой энергии, которая всегда есть между атомами и электронами, раз происходит излучение. А оно идет всегда, если только температура тела отлична от абсолютного нуля. Но лучистая энергия зависит от температуры: значит и масса всякого тела зависит от температуры, и, нагреваясь, тело увеличивается в массе, охлаждаясь — уменьшается. И можно осуществить полость с лучистой энергией, внутри которой эта новая масса будет очень и очень велика, сравнительно с обычной массой стенок. Мы будем иметь как бы одну лишь материализованную энергию, своеобразное материальное тело, имеющее и массу, и температуру, и давление, и энтропию и т. д. (М. Планк, 1908). Но лучистая энергия атомна, состоит из квант; стало быть, излучающее энергию тело в виде этих квант выбрасывает из себя и массу, т. е. кванты являются как бы материальными частичками, подобными летящим частицам света в теории истечений Ньютона. Две взаимно исключающие на первый взгляд одна другую теории света — теория истечения и теория волнения — сливаются теперь как бы в одну: выходит, что обе теории рассматривают одно и то же явление с равных точек зрения и обе дополняют одна другую.
В то же время, как видим, в новой физике теряет значение основной для химии закон сохранения массы, и это вносит с теоретической точки зрения глубокие изменения в наши взгляды на химические процессы. В атомах обнаруживаются громадные, дотоле неизвестные нам запасы энергии в виде массы атомов, и это дает надежду понять и те явления химического разложения простых тел, которые наблюдаются в явлениях т. н. радиоактивности. Уже Г. Лоренц в 1904 г. обратил внимание, что все электромагнитные и оптические явления в системе, движущейся прямолинейно и равномерно вместе с наблюдателем, представляются совершенно строго последнему так же, как они представляются неподвижному наблюдателю в неподвижной системе, если допустить, что актом движения: 1) сокращаются размеры материальных тел — по направлению движения в отношении 1:√1-v2/c2 (v и с имеют прежние значения); 2) удлиняются все промежутки времени в отношении √1-v2/c2 :1, и 3) уменьшаются слагающие электрических сил, нормальные движения, в отношении 1:√1-v2/c2. Тогда разница в явлениях в случае покоя и движения в том, что движущийся наблюдатель в движущейся системе иные величины принимает за электрическую и магнитную силу, чем те, которые принимает покоящийся наблюдатель в покоящейся системе, и для неподвижного наблюдателя явления в движущейся системе протекают так, как если бы в последней во всякой точке было свое местное время, зависящее от положения точки и от скорости движения. Все эти извращения явлений обусловлены, так сказать, неподвижностью эфира и исключением возможности влияния движения источника света на скорость его в безвоздушном пространстве. Если же допустить последнее влияние, что представляется не невозможным, то в этих извращениях не будет надобности. И раз, например, лучистая энергия внутри некоторой движущейся полости имеет и массу, и скорость, то даже представляется непонятным, почему эта же энергия (а значит и масса), будучи выброшена из полости, этой скорости движения не сохраняет. Точно так же не невозможно, что эфир не приводится в движение телами малой массы (как текущая вода в опытах Френеля), но увлекается полностью, например таким телом, как земной шар. Вопросы этого рода пока еще находятся в стадии разработки и изучения, и роль эфира в разбираемой области явлений еще далеко не установлена.
20. Новые идеи о пространстве и времени. Принцип относительности. За то формальный успех теории лоренцевских извращений привлек к ним особое внимание и послужил поводом к созданию физики и механики на совсем новых началах (Эйнштейн, 1905), получивших имя «принципа относительности». Как сказано, извращения явлений в теории Лоренца реальны; в теории Эйнштейна они не реальны, а лишь кажущиеся и притом неподвижный наблюдатель их видит в системе, движущейся со скоростью v прямолинейно и равномерно, а подвижный наблюдатель их же видит в неподвижной системе. Ни тот, ни другой наблюдатель не в состоянии решить вопроса, кто из них в покое и кто в движении, ибо наблюдению доступно лишь относительное движение, относительная скорость. С этой точки зрения Эйнштейн принимает, что распространение света в пустоте в каждой системе соответственному наблюдателю представляется совершенно одинаково, в виде сферических волн, идущих со скоростью с. Извращенные меры длины и времени, равно как и местное время, о котором была выше речь — суть истинные меры и истинные времена, ибо нет абсолютного времени. Всякой скорости прямолинейного и равномерного движения системы соответствует в системе свое истинное время, и все такие времена вполне равноправны. Поэтому и понятия «рано» и «поздно» столь же относительны, как понятия «верх» и «низ» в пространстве. Соответственно этому два события, одновременные в одной системе, представятся в другой разновременными. Теории дал Минковский (см.) своеобразное геометрическое толкование: время и пространство принимаются неразрывно связанными между собой в одно целое — мир, в котором время фигурирует, как четвертое измерение пространства, но измерение мнимое и связанное с другими измерениями при помощи скорости света и законом распространения света сферическими волнами, независимо от поступательного равномерного движения системы. Благодаря такому представлению извращения мер и явлений оказываются произведенными свойствами пространства и времени и потому лишь кажущимися. Геометрия в этой теории является главой физики, а загадка эфира устраняется тем, что на место него ставится загадка самого «мира», как комбинации пространства, времени и энергии. Эта энергия с ее массой вместо эфира наполняет собой весь мир и энергия — электромагнитная, ибо все явления природы — электромагнитные явления. В такой теории нет вовсе места эфиру, и поэтому в области оптических явлений мы должны вернуться к теории истечений Ньютона (см. теория относительности).
Если данные Лоренцем формулы верны, то теория Лоренца и теория Эйнштейна представляют собой два их различных толкования, две рабочих гипотезы, выбор между которыми до поры, до времени и не нужен. Но так как оба взгляда характеризуют собою два существенно разных миросозерцания, то и современная физика в настоящее время напоминает физику начала XIX в., когда еще не была окончательно прекращена борьба между ньютонианством и картезианством. С одной стороны, мы имеем мировоззрение классической механики, расширенное и обобщенное при помощи вновь открытой связи между материей, электричеством, энергией и особой роли скорости света в эфире, с другой — мировоззрение антимеханистическое, строящее образ физического мира при помощи свойств пространства и времени и электромагнитной энергии.
Но в науке всякая, даже и ложная, идея бывает часто, если не всегда, плодотворна. Соответственно этому и принцип относительности оказался весьма плодотворен. Он привел к очень простому и изящному методу решения физических вопросов, связанных с прямолинейным и равномерным движением, к таких вопросов, к которым ранее трудно было подойти. Он привел к созданию новой механики движущихся тел, он, наконец, дал идею нового, своеобразного объяснения явлений тяготения. Эти явления ставятся в связь с величиной скорости света (М. Абрагам, А. Эйнштейн), энергия имеет не только инертную массу, но эта масса — тяжелая и т. д. Явления тяготения, до сих пор стоявшие как бы особняком от других явлений, рассматриваемых в физике, теперь оказываются связанными со всеми процессами, и потому, например, луч света, проходя около тяжелого тела, искривляет свой путь и т. п.
Вообще XX век должен быть отмечен в истории физики, с одной стороны, чрезвычайными усовершенствованиями, внесенными в искусство экспериментировать, стоящими в связи с громадными успехами в построении физических приборов и инструментов, с другой — чрезвычайно смелым полетом теоретизирующей мысли и той необычной легкостью, с которой эти смелые предположения делаются среди физиков всеобщим достоянием. Для сравнения стоит только вспомнить, что понадобилось более двух тысячелетий для опровержения учений Аристотеля, два века для того, чтобы теория света, как волн, вошла в физику, и что около четверти века нужно было даже электромагнитной теории света, чтобы вытеснить из физики представление о свете, как упругих колебаниях эфира. Между тем, учение Эйнштейна завоевало себе положение в физика сразу, на протяжении немногих лет. И новый темп научной работы в физике является залогом ее дальнейшего и скорого прогресса: в направлении ли дальнейшего упрочения новых идей об относительности пространства и времени, или же в направлении обобщенной механики эфира — покажет будущее.
Литература. По истории и развитию физических знаний: Draper, «History of the Intellectual Developement of Europe» (есть русский перевод); Whewеll, «History of the Inductive Sciences»; Lange, «Geschichtе des Materialismus»; Humboldt, «Kosmos». По историй физики и родственных наук: Libri, «Histoire des sciences mathematiques en Italie»; Poggendorff, «Geschichte der Physik»; Gehler, «Physikal. Worterbuch»; Hoefer, «Histoire de la Chimie»; Montuela, «Histoire des Mathematiques»; Розенбергер, «История физики»; Даннеманн, «История естествознания»; Лакур и Аппель, «Историческая физика». Для изучения физики: Курсы физики О. Хвольсона, Н. Зилова, Б. Вейнберга, С. Терешина, Д. Гольдгаммера и др. Популярное изложение современного состояния физики и отдельных в ней вопросов: «Итоги науки в теории и практике», изд. т-ва «Мир», т. I. (вся физика по 1910 г.); «Новые идеи в физике, математике, химии» и т. д. Изд. «Образование» (по 1914 г.).
Д. Гольдгаммер.
| Номер тома | 43 |
| Номер (-а) страницы | 297 |