Максвелл

ЕЩЕ ДВА ВРАЖДУЮЩИХ УНИВЕРСИТЕТА

С эдинбургской неудачи начинается новый этап жизни Джеймса Клерка Максвелла. Этап необычно плодотворный для его научной деятельности. И начинается он краткой канцелярской записью в журналах Кингс-колледжа, но уже не в Абердине, а в Лондоне.

В протоколах совета колледжа от 13 июля 1860 года содержатся записи, касающиеся назначения профессора на кафедру натуральной философии:

Итак, Лондон... Один из двух лондонских университетов. Университетов-соперников, чтобы не сказать — врагов...

Странная вещь, не перестававшая до 1825 года удивлять иностранцев в Англии, — это то, что в Лондоне никогда не было университета и авторитет научной мысли струился из находящихся, конечно, недалеко, но все же не в столице, Кембриджского и Оксфордского университетов. А мысль научная в Оксфорде и Кембридже была в основе своей мыслью церковной, причем самого ревностного догматического толка, так что даже люди отнюдь не атеистических взглядов стали с тревогой вдумываться: не стоит ли воспользоваться поводом отсутствия в Лондоне университета, чтобы создать некий противовес чрезмерно мощной англиканской церковной струе? «В Лондоне составилось, — пишет русский путешественник, в середине прошлого века посетивший Англию, — общество из вольномыслящих и образованных людей33 для устройства университета, который бы вовсе не имел никакого влияния на вероисповедания, с неограниченной при том свободою и вольностию излагать науки. Этот проект понравился многим: составлена подписка и собран огромный капитал, потребный для содержания, усовершенствования и увековечения нового университета с излишним устройством. В 1825 году положен краеугольный камень этого здания герцогом Суссекс, и через два года началось в оном учение. Но едва сделалось известным это превосходное для Англии заведение, как вдруг в один голос закричали все высокие тори, духовенство и другие приверженцы англиканской церкви, что это заведение богохульное. В оном обучаются не только все христианские еретики без разбора, но даже жиды вместе, и одним и тем же наукам с правоверными англичанами, что противно господствующей церкви. Но так как устав этого университета был уже подписан и утвержден королем и парламентом, то этот университет должен был остаться во всей своей силе.

По открытию первого университета скоро соединились все вышеупомянутые противники оного в одно общество и устроили в подрыв этому университету другой университет в Лондоне согласно своим началам и образу мыслей и назвали Кингс-колледж. Этот университет получил также нужное согласие и утверждение парламента и короля. Высокие и богатые протекторы и учредители этого заведения успели поместить этот университет в прекрасном месте, на левом берегу Темзы, близ моста Ватерлоо, в прекрасном мраморном строении Сомерсет-хаус. Тут преподаются почти все принятые у них науки, начиная с первых начал за умеренную плату, то есть вполовину против других университетов, и поэтому это заведение наполнено слушателями и учащимися».

Видно, не совсем классической схемы при обучении придерживался новый университет, поскольку, судя по всему, главное внимание было уделено более насущным предметам, чем греческий и латинский. Посмотрим, что дальше отметит русский путешественник, посетивший в шестидесятых годах прошлого столетия Лондонский университет № 2, точнее — Кингс-колледж Лондонского университета.

«Произношение латинского и греческого языков у них так уродливо, что я через долгое время насилу мог понять, на каком языке читают и переводят, и то не прежде, чем сам взглянул в книгу, из которой лучший студент читал. Это были «Буколики» Вергилия. Зато кабинеты сего университета были превосходны, но не огромностью своей, а самыми редкими предметами, каких я нигде не видел.

В физическом кабинете я видел почти те же самые машины, какие в других богатых европейских кабинетах. Но самый главный и редкий инструмент, который меня с удивлением занимал, есть устроенный на середине одной залы магнитно-электрический телеграф, который действует под землею и на расстоянии 400 английских миль, в пять минут на сделанный вопрос доставляет ответ. Директор уверял меня, что посредством этого телеграфа можно целую печатную книгу сообщить другому телеграфу».

Так беспристрастными глазами русского очевидца описан Кингс-колледж того времени, когда Максвелл был избран туда на должность профессора кафедры натуральной философии и вступил во владение всеми упомянутыми сокровищами физического кабинета.

ОСЕНЬ В ГЛЕНЛЕЙРЕ, БОЛЕЗНЬ

Остаток осени перед занятием должности в Кингс-колледже решено было провести в Гленлейре. Нужно было накопить силы, побыть на свежем воздухе, заняться немного спортом. Врач уже давно рекомендовал Кетрин, вообще отличавшейся слабым здоровьем, больше бывать на воздухе, почаще совершать конные прогулки.

И вот однажды молодые супруги отправились на знаменитую Руд-Фэйр, конную ярмарку, где нужно было выбрать для Кетрин лошадь. На ярмарке было много статных, хороших кровей, норовистых и покладистых жеребцов и кобыл, дорогих и дешевых, но Кетрин увлекла Джеймса в не столь уж шумный уголок ярмарки, и Джеймс увидел там любимцев своего детства — настоящих шотландских пони. Тепло детских воспоминаний, оказывается, увлекло и Кетрин — она желала во что бы то ни стало иметь пони, настоящего галлоуэйского пони, породистого и горячего.

И когда подвели к ним пылкого гнедого пони с весело развевающимся хвостом и высоко поднятой головой, Кетрин вопросительно посмотрела на Максвелла: одобряет ли?

Пони назвали Чарли — честь, но и в то же время маленькая месть Чарльзу Кею, двоюродному брату, который обещал приехать летом в Гленлейр, да так и не приехал, — «пони будет всегда напоминать нам о нем».

В гленлейрской конюшне новенький пугливо смотрел на лошадь Джеймса — роскошную кобылу по кличке «Дарлинг», на которой он мог делать чудеса. Он вообще был первоклассным наездником. Корсокские и партонские жители долго после смерти Джеймса Клерка Максвелла вспоминали о том, как лихо он заставлял лошадь вставать на дыбы, прыгать через изгороди. Мог он объезжать и незнакомых, диковатых лошадей и пони, а Чарли был пока еще именно таким, и Джеймсу пришлось объезжать и его.

Чарли был очарователен, но через него в дом Максвеллов вошла неприятная болезнь — видимо, где-то на ярмарке Максвелл подхватил оспу, хорошо еще не в самой тяжелой форме.

Преданность домашних подверглась суровому испытанию. Джеймс запретил кому-либо заходить в комнату, где он лежал. К больному была допущена только Кетрин, и домашние, принося что-нибудь, оставляли все у дверей — дальше их не пропускали. Опасность была велика, и врачи полагали даже, что есть возможность смертельного исхода — Джеймса могли спасти только покой, режим, внимательный и беззаветный уход.

Кетрин выходила его, и Джеймс, потом уже, не уставал повторять, что Кетрин спасла ему жизнь, да так это было и на самом деле. Печальные вечера, печальные разговоры в печальных комнатах, где некогда умирали и мать и отец, одиночество среди необитаемых просторов и перед лицом возможной смерти — вот обстановка, предшествовавшая шумному, оживленному и многолюдному Лондону. И Джеймс, и Кетрин с радостью ожидали переезда в Лондон, начала работы Джеймса в Кингс-колледже.

КИНГС-КОЛЛЕДЖ

Научный крен нового университета, его устремление к проблемам сегодняшнего дня как нельзя лучше соответствовали сейчас устремлениям Джеймса Клерка Максвелла, личная жизнь которого устроилась как нельзя лучше. Со здоровьем и работой тоже все образовалось, теперь оставалось лишь одно — заниматься своими научными проблемами, завершить то, что начато.

А сделать это оказалось неожиданно трудно. Кингс-колледж принадлежал уже иному веку. Должность профессора в прочих, более почтенных университетах в силу сложившихся традиций заключалась лишь в чтении курса лекций, а времяпрепровождение его, «особенно если учесть блестящее окружение выдающихся людей, хорошую кухню и славные винные погреба колледжа», как выразился английский физик Д.Макдональд, было довольно приятным. Но в Кингс-колледже за счет большого числа студентов, необходимости проводить большое число демонстрационных экспериментов и значительного объема внеуниверситетских обязанностей привлекательность преподавательской работы сильно снижалась. У Джеймса Клерка Максвелла иной раз просто не хватало времени.

Здесь уже нельзя было, как прежде, в Абердине, пользуясь слабым интересом студентов к физике, полгода проводить в имении. Визиты туда теперь становятся чуть ли не событием.

Здесь, в Кингс-колледже, было все же далеко до того метода обучения, который больше всего импонировал Максвеллу, — учебы в процессе самостоятельных исследований, в процессе занятий экспериментальной физикой. Здесь скорее были лишь подходы к этому, но то, что профессор Максвелл читал своим студентам в 1864-1865 годах, было, несомненно, курсом экспериментальной физики. Студенты не занимались еще самостоятельной работой, но учились в процессе экспериментов, и эксперименты эти ставились Максвеллом. Но и такой способ преподавания натуральной философии казался пугающе новым, поддерживался и одобрялся далеко не всеми, и в том числе не всеми студентами.

Кингс-колледж по оснащенности своих физических лабораторий был впереди многих университетов мира. Во многих университетах, включая Кембриджский и Оксфордский, вообще, по существу, не было физических лабораторий. Физика должна была восприниматься в основном на слух, как, например, математика. Любой ученый, взявшийся бы в те времена за чтение курса физики, сопровождаемого экспериментами, вынужден был бы делать это на свой страх и риск. И, что для многих было значительно болезненней, за свой счет.

Кингс-колледж был в этом отношении скорее исключением. Еще в 1834 году, когда на должность профессора экспериментальной философии там был избран Уитстон, ему в торжественной форме сообщили, что он имеет возможность тратить за счет университета 50 фунтов в год на физические приборы. Отныне он мог заказывать их для своих лекций, и это было равноценно прибавке к жалованью, причем довольно весомой.

Таким образом, в Кингс-колледже образовалась за истекшие двадцать пять лет солидная физическая лаборатория, в которой и проводились занятия.

Собственно, занятия в лаборатории, занятия с физическими приборами проводились в английских университетах и раньше. Студенты встречались с ними и у Форбса в Эдинбурге, и у Томсона в Глазго, да и у Максвелла в Абердине, но их скорее допускали к наблюдению за научной работой профессоров. Следующим шагом должно было стать превращение физических приборов, на которых раньше проводились исследования, в атрибуты повседневного учебного физического практикума. Этого, пожалуй, и добился Максвелл в Кингс-колледже, особенно когда читал лекции по экспериментальной физике студентам-экстерникам в 1864-1865 годах.

До следующей, высшей ступени было еще далеко, но Максвелл никогда не уставал мечтать о ней. Самостоятельная научная работа студента — лучший способ учиться физике — вот что было его убеждением, основанным на личном опыте. Только самостоятельное исследование могло принести глубокие знания, понимание сущности вещей и явлений. Для реализации этого нужно создать большую лабораторию, где у каждого студента были бы постоянное место и собственные физические приборы для собственных исследований, проводящихся по собственному плану, лишь корректируемому преподавателем. Это было, конечно, несбыточной мечтой — для осуществления такой программы нужны были многие тысячи фунтов. А главное — перелом в воззрениях на физику, на ее роль в жизни людей XIX века, на ее преподавание. Джеймс Клерк Максвелл вряд ли предполагал, что его мечтам суждено будет через десять лет, хотя и не в полной мере, осуществиться.

ЛОНДОНСКАЯ ЖИЗНЬ, ЛОНДОНСКИЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ

В Лондоне Максвеллы поселились по улице Палас Гарден-террас, в доме № 8, двухэтажном стандартном особняке, плотно сжимаемом с обеих сторон своими двойниками. Район был чудесный, в каком-то смысле даже редкий — с чистым воздухом, струящимся из Кенсингтонских дворцовых садов, из Гайд-парка, без заводов и железной дороги поблизости. Кругом — дворцы, история и политика. Совсем неподалеку — Кенсингтонский дворец, оккупированный шумной ватагой королевских отпрысков, детей королевы Виктории, между домом Максвеллов и дворцом — русское посольство. Рядом — улицы, где жили Ньютон, Маколей, Теккерей, Свифт.

А вот с соседями дело было плохо, то есть сначала, может быть, было и хорошо, но, как только Максвелл стал производить свои эксперименты со светом в цветовом ящике, они полностью испортились. Соседи избегали Максвелла, прятали глаза, суетливо расступались перед ним. Максвелл долго не мог понять причины, до тех пор, пока однажды не попытался заглянуть в свои окна с улицы. Как он и предполагал, с улицы, из окон соседних домов, если не задвигать занавеси, прекрасно был виден рабочий стол. Но то, что было на столе, заставило Максвелла содрогнуться — на столе стоял... гроб.

Цветовой ящик, самый большой из тех, которые были построены к тому времени и на котором можно было производить самые тонкие эксперименты по смешению цветов, представлял собой продолговатую коробку. Длина ее была чуть больше двух метров, и окрашена она была для чистоты эксперимента — для отсутствия бликов, подсветок — черной краской. Осталось положить это дьявольское сооружение на стол, и иллюзия получалась полной — на столе, несомненно, стоял гроб.

Молодая чета, неделями хлопочущая рядом с гробом, веселящаяся рядом с ним и в присутствии его, и более того, молодой мужчина, целыми часами подглядывающий внутрь гроба через дырочку (окуляр!), — все это могло кого хочешь вывести из себя. Соседи дружно сочли Максвелла маньяком.

А он был не маньяк. Но одержимый. Одержимый мыслью о том, что мир жаждет понимания — все можно понять и объяснить, но не дошли еще до чего-то руки, не хватило смекалки и нет пока облегчения старающейся выразить себя и быть понятой природе. Вот почему и неровная кромка берега, и форма облаков, и идеально гладкая внутренняя поверхность водоворота, и даже способность кошки падать с небольшой высоты именно на четыре лапы становятся для него объектом пристального внимания и исследования. Он был из счастливой породы физиков-»объяснителей», как Ньютон и Фарадей, Томсон и Тэт.

Он изучает свои глаза, заглядывает внутрь глаз Кетрин, они вместе ставят эксперименты по восприятию цветов разными людьми, и прежде всего ими самими. Сохранилась таблица измерений характеристик цветовой восприимчивости глаз для «Дж» и «К». Из этих таблиц видно, что слепота отдельных участков глаз к синему цвету сильно выражена в его, Джеймса, темных глазах, а в ее — светлых — такого эффекта почти нет. Еще одна форма выражения любви — научное изучение глаз близкого человека? А может быть, есть в этом что-то неуловимо трогательное, может быть, это и есть одна из находок, позволяющих им и, может быть, другим быть еще ближе друг другу? Может быть, стремление «все глубже и глубже погружаться в таинства наших «я», стремление постичь внешность и суть близкого человека и составляют дополнительную грань любви?

Их жизнь текла счастливо.

ПЕРВАЯ В МИРЕ ЦВЕТНАЯ ФОТОГРАФИЯ

В Лондоне Джеймс Клерк Максвелл впервые вкусил плоды своего признания в качестве крупного ученого, а ведь главное было еще впереди, пока были лишь предгорья его вершин, предвестники его великих успехов.

В июне 1860 года он присутствовал на ежегодном конгрессе Британской ассоциации, который в том году проводился в Оксфорде. Пришлось доставлять в разобранном виде в Оксфорд «гроб» — цветовой ящик. Доклад, сделанный Максвеллом, убедил скептиков если не в трехкомпонентной теории цветов, то в том, что в связи со смешением цветов можно производить точные количественные измерения. Что «гроб» — громоздкое черное сооружение, состоящее из призмы, двояковыпуклой линзы, эталонных образцов бумаги разных цветов (работа Хея) и экрана, — является для цветов тем же, чем для длины является линейка, для массы — весы. Джеймс Клерк Максвелл ввел в физику два новых измерительных прибора — цветовой волчок, раньше служивший лишь для демонстрации, не для измерения, и цветовой ящик. Члены Британской ассоциации могли быть довольны — к викторианской плеяде творцов в области науки, сменивших творцов материальной сферы Уатта, Эйркафта, Стивенсона, к этому созвездию умов, блистающему именами Фарадея, Томсона, Брюстера, Джоуля, добавлялась новая звезда, может быть, еще не столь яркая, не альфа, может быть, и не бета, но все же достаточно заметная. За исследования по смешению цветов и оптике Королевское общество наградило Максвелла медалью Румфорда, официально закрепив его положение на викторианском небосклоне.

А Джеймс одержим новыми планами — он задумывает доказать свою трехкомпонентную теорию цветов наиболее эффектным способом, смелым до неправдоподобия. Он решает при первом удобном случае продемонстрировать своим ученым коллегам цветную фотографию. Цветная фотография в век едва чувствительных пластинок, требующих чудовищных выдержек, когда проблема простейшего черно-белого снимка была еще поистине проблемой из-за немыслимых характеристик пластинок, «видящих» мир совсем не в тех цветах, что человеческий глаз... Действительно, это было неправдоподобно смело.

17 мая 1861 года Максвеллу была предложена высокая честь — прочесть лекцию перед Королевским институтом — учреждением, прославленным именами Румфорда, Дэви и Фарадея. Тема лекции — «О теории трех основных цветов». И вот на этой-то лекции Джеймс решил привести окончательное, уже бесспорное доказательство своей трехкомпонентной теории.

Когда он обратился к одному из самых искушенных фотографов того времени, редактору издания «Заметки по фотографии» Томасу Саттону, с предложением сделать цветную фотографию, тот поразился. И, разумеется, отказался. Максвеллу стоило больших усилий уломать его.

Решено было сфотографировать бант, повязанный из трехцветной ленты, помещенный на фоне черного бархата. Фотографирование велось при ярком солнечном свете и проводилось три раза. Первый раз бант фотографировался через прозрачный плоский сосуд, наполненный раствором хлорида меди. Раствор был ярко-зеленого цвета. Другой раствор, через который проводилось экспонирование второго негатива, был раствором сульфата меди — он был ярко-синего цвета. Еще один негатив получили через ярко-красный раствор тиоцианата железа.

Все эти негативы были затем напечатаны на стекле.

Не без тревоги входил 17 мая 1861 года Джеймс Клерк Максвелл в многоколонный особняк на улице Абермарл, Пикадилли, где помещался Королевский институт. Съезжались кареты, подвозя важных и немощных, поспешали пешком помоложе и без заслуг, с женами и без.

Вот установлены в зале три волшебных фонаря, наготове тяжелые стеклянные позитивы. Перед линзами каждого фонаря — те же фильтры, которые использовались при съемке, — красный, синий и зеленый.

Джеймс разъясняет собравшимся дамам и господам сущность трехкомпонентной теории, настаивая на том, что основными цветами, с помощью которых можно получить все другие, являются именно они: красный, синий, зеленый.

Нужно доказательство? Пожалуйста! Джеймс дает указание Саттону и ассистентам поджигать бруски углекислого кальция — друммондов свет для волшебных фонарей. Бруски разгораются, давая яркий белый, чуть синеватый свет.

Красные лучи одного фонаря прорезают темноту зала, потом в воздухе лекционной аудитории возникают зеленые и синие лучи. Три цветных изображения проецируются на белый экран таким образом, чтобы они совпали, и тогда...

Все видят цветное, совершенно натуральное изображение банта из многоцветной ленты, как бы созданное яркими красками художника. Это уже совсем непохоже на обычную продукцию примитивного устройства, дающего черно-белое, как плохая гравюра, изображение.

Это был, конечно, полный триумф трехкомпонентной теории цветов. И никто тогда не понял, что главное значение того дня было вовсе не в торжестве трехкомпонентной теории, а в том, что в процессе доказательства этой теории миру была впервые продемонстрирована цветная фотография!

Довольные, удовлетворенные, расходились. Максвелл с трудом пробирался к выходу, где ожидала Кетрин, — его затолкали в большой толпе, расспрашивая по пути о деталях. Джеймс, работая локтями, никак не мог выбраться, и в это время откуда-то сверху, с лестницы, донесся до него знакомый, уже далеко не молодой, но бодрый и веселый голос:

— Послушайте, Максвелл! Уж вам-то, специалисту по движению молекул, сам бог велел легко пробираться в толпе!

Это был Фарадей, и Максвелл тут же поспешил к нему — приглашать на торжественный обед, посвященный такому славному дню.

Но что это за «специалист по движению молекул»? Ведь речь шла о трехкомпонентной теории цветов? Что же, Максвелл опять нашел себе новую проблему? Но об этом после, а пока перенесемся на сто лет вперед от этого заседания Королевского института.

16-18 мая 1961 года в Лондоне состоялась научная конференция, посвященная столетию со дня демонстрации первой цветной фотографии. Был прочитан ряд докладов, из которых особенно поразил присутствовавших сделанный Р.М.Эвансом.

Эванс с помощью Кавендишской лаборатории и могучей фотографической компании «Кодак» сумел достать чудом сохранившийся комплект негативов Максвелла и полностью воссоздать условия демонстрации цветных диапозитивов. Для этого специалистам фирмы пришлось создавать специальные низкочувствительные пластинки (что оказалось трудной задачей) с чудовищно плохими цветовыми характеристиками (а это было уже совсем трудно!), подготовить растворы тех же солей, с тем чтобы сделать светофильтры, провести специальное спектрофотометрическое исследование пластинок и фильтров.

Ученым удалось точно воссоздать условия опыта и полностью проанализировать все свойства фильтров и материалов Саттона — Максвелла. Вывод был поразителен: при имевшихся тогда фотографических материалах было принципиально невозможно продемонстрировать цветную фотографию! Материалы того времени были абсолютно нечувствительны, например, к зеленому цвету! Впрочем, точно так же, как и к красному...

И все же цветная фотография была продемонстрирована. И это произошло в присутствии столпов английской научной мысли! Современные ученые вынуждены были продолжать поиски и пришли к совершенно парадоксальному выводу: Максвелл, сам того не подозревая, фотографировал в синих и невидимых ультрафиолетовых лучах, третьим компонентом был зеленый цвет, который оказался «внутри синего»! Вместо тройки основных цветов, которую намеревался доказать Максвелл, эффект цветной фотографии создавала совершенно другая тройка цветов!

Максвелл случайно, с помощью почти невозможного счастливого стечения обстоятельств, смог продемонстрировать цветную фотографию за пятнадцать лет до того, как создание новых фотографических эмульсий сделало это по-настоящему возможным.

Максвеллу было тридцать лет. Он был молод, энергичен и смел. Ему в то время удавалось даже невозможное...

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ

Настало теперь время пояснить, почему Фарадей, стоя наверху лестницы, весело крикнул Максвеллу, проталкивающемуся локтями через толпу:

— Послушайте, Максвелл! Уж вам-то, специалисту по движению молекул, сам бог велел легко пробираться в толпе!

Действительно, и в конце абердинского периода, и в начале лондонского у Максвелла появилось наряду с оптикой и электричеством новое научное увлечение — кинетическая теория газов. На занятия ею его натолкнули две статьи Клаузиуса 1857 и 1859 годов. В статьях рассматривалась роль, которую могла бы играть вращательная энергия молекул в теплосодержании вещества, и была сделана попытка определить физический смысл понятия свободного пробега молекулы.

Эти статьи давали новое развитие взглядам Даниила Бернулли, члена Петербургской академии наук.

Бернулли первым указал на то, что теплота есть внешнее проявление колебательного движения отдельных молекул. Молекулы, следовательно, обладали скоростью. Все — одинаковой. Клаузиус первый высказал мысль о том, что эти скорости могут быть разными.

Но разные скорости — это гигантская трудность в формулировании газовых законов. Ведь немыслимо записывать эти законы для каждой отдельной молекулы! И Клаузиус приходит к понятию «средней» скорости молекул, точнее — средней кинетической энергии молекул.

Клаузиус, сказав «а», не говорил «б».

Можно ли переделать формулы кинетической теории таким образом, чтобы учесть различие между скоростями молекул, учесть каждую отдельную молекулу? Конечно, нельзя! Но всегда можно математически точно выразить, насколько вероятно существование в газе при определенной температуре молекул с именно такой скоростью и какую часть от общего числа будут составлять молекулы с такой скоростью или близкой к ней. Существовавшая уже к тому времени теория вероятностей позволяла, например, вычислить вероятность попадания пули в мишень или вероятность проживания, например, в Лондоне мужчин именно такого роста. Эта возможность — и попадания пули в мишень, и наличия в Лондоне людей такого-то роста, и наличие в газе молекул с такой-то скоростью — описывалась однотипной кривой, имеющей форму колокола. Вершина ее соответствовала и «яблочку» мишени, и самому что ни на есть часто встречающемуся мужскому росту в Лондоне того времени: 168 сантиметров, и наиболее вероятной в данном газе скорости молекулы.

Это было нововведением колоссальной, непреходящей, философской важности для физики. Впервые в физике были сказаны слова «вероятно», «это событие может произойти с большой степенью вероятности». Раньше события были строго детерминированы. Все физические законы несли на себе печать полной определенности.

Если известен путь и время равномерного прямолинейного движения, можно однозначно определить скорость, причем не с какой-либо степенью вероятности, а совершенно точно.

По Максвеллу, в результате взаимных столкновений между упругими шариками — молекулами газа — в конечном счете получается некоторое стационарное распределение скоростей, группирующихся при заданной температуре вокруг наиболее вероятной скорости. Могут быть люди очень высокого роста и очень низкого, но наиболее вероятным ростом мужчины в Лондоне в 1860 году будет именно 168 сантиметров, и эта цифра уже совсем не «вероятна», а абсолютно точна.

В физику впервые вошли вероятностные представления, законы статистики. В физике произошла революция, а многие слушатели докладов Максвелла на ежегодных встречах Британской ассоциации 1859 года в Абердине и затем в 1860 году в Оксфорде этого даже не заметили. Для большинства это было очередным физико-математическим упражнением, с помощью которого можно было прийти к тем же выводам, что и раньше, при принятии одной, средней скорости молекул в газе. Это, по мнению многих, было лишь математической гипотезой, не лучшей и не худшей, чем другие, поскольку результаты получались теми же, что и у Клаузиуса с его одной «среднеквадратичной» скоростью. А может быть, эта новая теория казалась кое-кому и вредной, поскольку молекулярный хаос, введенный Максвеллом, был внешне куда менее привлекателен и математически куда более сложен.

А один из выводов новой теории, не совпадавший со старыми, выведенными из предположения о равенстве скоростей молекул, был просто физически абсурден. И что самое смешное — сам докладчик тоже не верил в него, но так это получалось из теории. Молодой Максвелл предлагал кому угодно проверить его выкладки и найти в них ошибку, если она есть. И похоже, что он сам этого страстно желал — ошибки, поскольку ему самому вывод казался парадоксальным, физически неочевидным: получалось, что вязкость газа не зависела от его давления!

— Этот вывод из математической теории является крайне поразительным, — говорил молодой докладчик, — и единственный опыт, с которым я встретился в этой области, как будто его не подтверждает...

Неплохое заявление для автора новой теории! Эта теория не давала пока никаких особенно новых результатов, за исключением, как всем казалось, заведомо неверного, и отношение к ней было прохладным. А ряд ученых прямо заявили, что эта теория ненаучна, спекулятивна, поскольку истинная наука не должна иметь дела с «ненаблюдаемыми» величинами.

Максвелл и не заметил, как попал в самую горячую точку философских битв. Но здесь ему нечего было бояться — его крепкая философская позиция спасала его как от Сциллы идеализма, так и от Харибды механицизма.

Максвеллу удалось подчинить строгим законам хаотическое движение молекул газа. Именно полная беспорядочность движения молекул позволила ему извлечь из хаоса порядок. Статистический, вероятный подход позволял точно указать, например, число частиц, обладающих удвоенной или утроенной средней кинетической энергией. И эти цифры, как оказалось, подчинились универсальному закону, который не зависит от природы частиц и сил, с которыми они действуют друг на друга. В каком-то смысле закон распределения молекул по скоростям, данный Максвеллом, оказался новым фундаментальным свойством материи, находящейся в равновесии, свойством, не известным ранее никому. Максвелл подошел к самым границам механического понимания материи. И переступил их.

Да, Максвелл попал на линию огня, лучше сказать — на ничейную землю, обильно осыпаемую градом снарядов обеих враждующих сторон, двух групп философов. Вывод Максвелла о господстве в мире молекул законов теории вероятностей затрагивал самые фундаментальные основы мировоззрения, и противники, найдя наконец общего врага, объединились в атаках на него.

Одни полагали, что все в природе может быть объяснено на основе механических представлений. Некогда ценное, но возведенное в XIX веке в абсолют, такое мнение привело в конце концов к грубому механицизму, убеждению в том, что движущей силой мира являются законы механики, с помощью которых можно объяснить любые явления.

Очевидная несостоятельность такой теории, невозможность объяснить многие вновь открытые закономерности чисто механическим путем (не один физик сломал зубы, пытаясь механически представить второй закон термодинамики!) привели к появлению другой теории — феноменологической. Сторонники ее призывали изучать мир таким, как он есть, упорядочивать и описывать опытные данные, не вдаваясь в «спекуляции», умствования, не строя никаких моделей, не подтвержденных опытом. Эти стали абсолютизировать уже опыт и ощущения. С ними Максвелл, столько времени потративший на теорию цветов, и убедившийся в крайней субъективности ощущений — сравните ощущения дальтоника и нормального человека! — никак не мог бы согласиться. Их с Максвеллом разделяла глубочайшая убежденность его в конечной познаваемости мира, в возможности объяснения даже самых сложных явлений.

Его материалистическое миропонимание, окрепшее в общении с природой, в изучении ее, его опыт, говорящий об объективности и познаваемости законов природы, несгибаемы. И в то же время не так прост он, Максвелл, чтобы соглашаться с механицистами, — изучение фарадеевских трудов, его собственные, находящиеся в зародыше электрические теории подсказывают ему, что не все так просто, как толкуют механицисты, фетишизирующие законы механики. Чего стоит хотя бы некритичное восприятие закона тяготения, пусть блестяще доказавшего правильность своей математической интерпретации в открытии Адамса и Леверрье! Даже закон тяготения, понимаемый как действие ни через что, просто через расстояние, неизбежно приводил к тому, что у тел появились некие «присущие им изначально» свойства притяжения, совершенно таинственным способом сообщаемые без посредства среды партнеру по взаимодействию.

Нет, не прост был молодой Максвелл, слишком искушен он был уже в математической физике, чтобы попасть в объятия механицистов. Да, он использует законы соударения упругих шариков, которыми он представляет молекулы, но считает ли он молекулы только упругими шариками? С другой стороны, Максвелл выступает против фетишизации субъективных ощущений, но разве не он же считает опыт высшим критерием правильности любой физической теории?

Обвиняли Максвелла в механицизме — мол, слишком увлекается средствами классической механики, механическими моделями... Обвиняли на этот раз несправедливо — Максвелл всегда считал, что механическая модель лишь в самых общих и простых чертах отражает исследуемые процессы и явления природы. Любой механический образ, по Максвеллу, отражает природу отнюдь не тождественно, а с определенной степенью приближения, отражает лишь одну сторону ее свойств. Механические модели, механические представления играли у Максвелла роль рабочих гипотез, конструкций, помогающих изобразить сложные предметы и явления гораздо проще и наглядней. Механические модели были строительными лесами его теорий.

Нельзя было ограничиваться чисто феноменологическим описанием. С другой стороны — невозможно было абсолютизировать и гипотетическое описание. Избрав середину, Максвелл пришел к методу аналогий, при котором можно было привлекать физические отношения в уже изученных явлениях и впервые учитывать данные, характеризующие новые явления. И поскольку из старых отраслей науки именно механика была наиболее разработанной, то механические аналогии, как самые наглядные, самые ясные и понятные, были вполне уместны и закономерны. И тут — главное. Механические модели были для Максвелла правомерны лишь до тех пор, пока они подтверждали то, что наблюдалось в экспериментах. Он был готов отказаться от своего вывода о независимости коэффициента внутреннего трения газов от давления, вывода математически безупречного, ввиду казавшегося тогда очевидным несовпадения этого вывода с экспериментом.

Будучи по складу своего мышления физиком, твердо уверенным в объективном и независимом от субъекта существовании окружающего мира, будучи уверенным во всеобщей взаимосвязи и изменчивости явлений, в их многоликости и «многослойности», Максвелл буквально на каждом шагу демонстрировал диалектичность своего мышления, и введение им совершенно немыслимых с позиций механицизма вероятностных, статистических методов в молекулярную теорию доказало зрелость его философских концепций, мощь философских обобщений. Заявление о том, что в мире молекул «господствует случай», было по своей смелости одним из величайших подвигов в науке.

БОЛЬШИЕ ЗАМЫСЛЫ

Работа в Кингс-колледже требовала уже куда больше времени, чем в Абердине, — лекционный курс продолжался девять месяцев в году. Время для научной работы приходилось урывать по утрам, пока не встали еще Кетрин и ее брат, приехавший в Лондон на серьезную операцию. Брату и его сиделке был отведен весь первый этаж небольшого особняка Максвеллов, и хозяин поглощал по утрам свою традиционную овсянку, держа тарелку на коленях, — в крошечной каморке наверху не было места для стола.

В той крошечной каморке набросал Максвелл первые, еще туманные контуры своих грядущих книг. Уже пришла пора писать книги, уже накопились мысли, пора было давать вещам свое толкование. Особенно нужно, так ему думалось, написать систематические книги по электричеству и теплу. К книге по оптике он после своей первой кембриджской попытки охладел, да и мысли его по цветовому восприятию и теории цветов не лежали, в общем, выше уровня других исследователей, и прежде всего Гельмгольца. По-видимому, по сравнению с новыми идеями по теплу и электричеству недостойны были они особой книги.

Можно представить себе, как в крошечной каморке наверху набрасывает тридцатилетний Джеймс Клерк Максвелл план своей будущей книги по электричеству в одном из своих рабочих блокнотов (один из них всегда с собой — нельзя упускать мысли, позволять им улетучиваться! Даже самая хорошая память имеет лазейки!).

Один из таких блокнотов лондонского периода сохранился. И в нем — драгоценность — первый набросок плана рукописи по электромагнетизму — зародыш будущего «Трактата». Вот что вошло в этот набросок, вот то, что счел необходимым ввести Клерк Максвелл в свой будущий труд, вот кого считал он своими предшественниками:

Итак, Эрстед, Ампер, Фарадей...

Да, новая история электричества, история электромагнетизма, история открытия союза магнетизма и электричества, должна была начинаться именно с Ганса Христиана Эрстеда, профессора Копенгагенского университета.

Открытие произошло, можно сказать, случайно.

15 февраля 1820 года34 сорокатрехлетний профессор Эрстед читал своим студентам лекцию, по ходу которой он хотел продемонстрировать весьма курьезное по тем временам свойство электрического тока нагревать проволоку, по которой он проходит. Это была великолепная случайность — рядом с проволокой, на которую были устремлены глаза студентов, оказался компас, в общем-то не имевший прямого отношения к теме лекции. Один из зорких студентов обратил внимание на то, что в то время, как по проволоке проходит ток, стрелка компаса вздрагивает и немного поворачивается. Его роль в истории была указать профессору на непонятное явление, надеясь получить ответ (эта роль сходна в чем-то с ролью матроса, крикнувшего о новой земле с верхушки мачты Колумбу). Но и для профессора это явление было столь же неожиданным. Но очень и давно желанным — впервые ясно открылось человеку прямое действие электрического тока на магнит, увидеть которое он уже много лет стремился.

Придя домой после знаменательной лекции, Эрстед тут же принялся за описание и объяснение явления, наблюдавшегося в аудитории. Его «мемуар» на латинском языке, состоящий всего лишь из четырех страничек, содержал в нескольких строках описание наблюдаемого явления, а на остальном пространстве — объяснение его. И в объяснении незаметно проскользнула легкой, неуловимой тенью ценнейшая мысль о вихревом характере магнетизма. Мемуар вышел в свет 21 июня 1821 года (мы не случайно датируем здесь события так точно — события в дальнейшем будут развиваться в весьма непривычном для неторопливой тогда науки темпе) и уже через несколько дней появился в Женеве, где в то время был с визитом французский физик Араго. Первое же знакомство с опытом Эрстеда показало Араго, что найдена разгадка задачи, над которой бился и он, и наверняка многие другие. Впечатление от опытов Эрстеда было столь велико, что один из присутствовавших при демонстрации поднялся и с волнением произнес ставшую впоследствии знаменитой фразу:

— Господа, происходит переворот!

Араго возвращается в Париж потрясенный. На первом же заседании академии, на котором он присутствовал сразу по возвращении, 4 сентября 1820 года, он делает устное сообщение об опытах Эрстеда. Записи, сделанные в академическом журнале ленивой рукой протоколиста, свидетельствуют, что академики просили Араго уже на следующем заседании, 11 сентября, то есть через неделю, показать всем присутствующим опыты Эрстеда, так сказать, «в натуральную величину».

Сообщение Араго слушал с сердцебиением внезапно побледневший академик Ампер. Он, может быть, почувствовал в тот момент, что пришла его пора перед лицом всего мира принять из рук Эрстеда эстафету открытия. Он долго ждал этого часа — около двадцати лет, как Араго и как Эрстед. Все трое успели состариться в ожидании, превратиться из пылких юношей в солидных, стареющих профессоров. И вот час пробил — 4 сентября 1820 года Ампер понял, что он должен действовать. Но не знал как. И с замиранием сердца ждал следующего заседания, которое должно было состояться через неделю.

...И другое заседание кончается, протоколист Парижской академии выводит под датой 11 сентября: «... г.Араго повторил перед академией опыты г.Эрстеда». Академики чинно разошлись по домам, а уже немолодой — сорок пять, по тем временам — старик! — Ампер бежит сломя голову к слесарю, чтобы заказать копию инструментов, показанных только что Араго. Нужно скорей установить эти инструменты дома и все эксперименты проделать собственными неумелыми руками. Ведь Ампер — теоретик, он никогда не ставил сложных опытов, у него нет лаборатории, он не может израсходовать ни одного казенного франка на покупку приборов. Пока слесарь делает не слишком-то сложные приборы, Ампер собственными силами сооружает немудрящий лабораторный стол. Два его друга — добровольные помощники Френель и Депре помогают ему. Небольшой вольтов столб, замкнутый проводом, — основной объект изучения Ампера. Он подносит компас то к проводу, то к столбу и сразу же убеждается в том, что стрелка изменяет свое направление и рядом с проводом, и рядом с самим столбом. Стоит цепь разомкнуть — эффект полностью пропадает.

К следующему заседаниях академии, 18 сентября, часть приборов еще не была готова, но Ампер решил выступить и рассказать о том, что ему стало ясным, а также о тех приборах, которые он намеревался построить. В протоколе сохранились слова Ампера: «Я описал приборы, которые намереваюсь построить, и среди прочих — гальванические (то есть обтекаемые током) спирали и завитки. Я высказал ту мысль, что эти последние должны производить во всех случаях такой же эффект, как магниты... я свел все магнитные действия к чисто электрическим эффектам».

Эти пророческие слова Ампера, выношенные в течение всего лишь одной недели, стали основой его электродинамики — науки, сводящей все магнитные явления к явлениям электрическим. Поражает уверенный тон Ампера; он высказывает мнение, что спирали и завитки с током должны вести себя как магниты, не проверив это эскпериментально. Это говорит о твердой уверенности Ампера в ожидаемом им результате, о том, что основные контуры его учения, сводящего магнетизм именно к замкнутым круговым токам, были ему уже ясны.

На следующий день, 19 сентября, Ампер хотел было написать сыну о всех тех догадках, которые мелькали в его мозгу, но отложил перо — нужно было как можно скорее проверить, будут ли завитки и спирали обнаруживать те же свойства, что и магниты. Однако слабые вольтовы столбы, имевшиеся в распоряжении Ампера, Френеля и Депре, не давали желаемого эффекта — заявления, сделанные Ампером, грозили остаться неподтвержденными или даже неверными. Уже завтра нужно было бы Амперу выступать с докладом, подтверждающим его теории, а результатов, тех результатов, которые нужны были Амперу, все не было. Окончательный опыт — взаимодействие двух токов как магнитов, — убедительно говоривший бы о том, что притяжение и отталкивание объясняются только электрическими токами, а магнитные свойства являются лишь следствием их, не удавался.

Итак, это было воскресенье 24 сентября. А в четыре следующего дня Ампер должен был подняться на трибуну. Завтрашний день представлялся не совсем в розовом свете, однако надежда все же оставалась — Ампер вспомнил, что для университета только что был изготовлен новый большой вольтов столб. Столб оказался на месте, однако начальство, поднятое на ноги в воскресный день по такому поводу, давать столб не желало, видимо боясь, что вещь будет испорчена в процессе сомнительных экспериментов. Пришлось идти за мастерами, делавшими столб, и при отцах университета заказать еще один такой же, с тем чтобы мог быть возвращен университету по изготовлении. Только на этих началах Амперу удалось умыкнуть необходимый столб и как обожаемую невесту доставить его в свою небольшую квартиру на Фоссе-де-Сент-Виктор.

Новый столб был неподражаем. Ток, струившийся по ожившим спиралькам, завиткам, легко превращал их в магниты, они притягивались одними концами, отталкивались другими, словом, вели себя неотличимо от кусков магнитного железняка или намагниченного железа...

Коронный опыт — две спирали, взаимодействующие друг с другом как магниты. В этом опыте ничего не могло обладать тем, что тогда называли «магнитной жидкостью», и все же магнитное взаимодействие было налицо — оно ясно объяснялось протеканием по спиралькам тока.

Больше того — и два проводника, по которым шел электрический ток, притягивались и отталкивались, как магниты.

Когда в четыре часа дня в понедельник Ампер поднимался на кафедру академии, он уже мог доказать, что его взгляды, высказанные неделю назад, были правильны.

Вечером Ампер засел за прерванное письмо к сыну: «Наконец вчера получил у Дюлона большой столб... Опыты, проведенные мною, прошли с полным успехом, а сегодня в 4 часа дня я их повторил на заседании академии. Не было сделано никаких возражений; вот новая теория магнита, сводящая все к явлениям гальванизма. Это совершенно непохоже на то, что я представлял себе до сих пор...»

Работа Ампера над своей теорией на этом не кончалась. Он проводил все новые и новые эксперименты, каждую неделю докладывая их результаты академии. Он выступал и 2-го, и 9-го, и 16-го и 30 октября, затем несколько раз в ноябре и декабре. Потом он издал множество трудов, посвященных своим работам по электромагнетизму, в которых сформулировал немало ценных мыслей. И главной, может быть роковой, его ошибкой была слепая приверженность Ньютоновым и кулоновскому законам, его приверженность «дальнодействию». Не замечал Ампер, что формулы, полученные им, Био, Саваром, Лапласом, становились все сложнее и сложнее. Они давали правильные результаты, но каждый шаг давался все трудней и трудней. На основе дальнодействия уже не удавалось делать новых открытий. Можно было только уточнять старые формулы, применять их для более и более частных случаев. Сложность формул усугублялась, но они не приносили новых идей. Дальнодействие постепенно исчерпывало себя, становилось бесплодным. А Ампер не понимал этого. И упрямо продолжал разрабатывать обнаруженную им жилу, не замечая, что она уже истощилась. И упрямо строил свою теорию электричества лишь на одном факте — факте магнитного взаимодействия двух элементов тока.

Оригинальность и смелость его электромагнитных откровений падала с каждой неделей, с каждой новой статьей. Невозможно отделаться от мысли, да так это было и в действительности, что после двух недель (11-25 сентября) к его представлениям не было добавлено уже ничего существенного.

Период «реакции» кончился, и мозг Ампера постепенно возвращался к своему прежнему состоянию. Радостные недели творческого счастья прошли, и Ампер опять опустился в пучину своих телесных и душевных страданий. Уже через четыре года, мучимый стенокардией, Ампер писал: «Я никогда не был таким несчастным, как теперь, удрученный невзгодами, перегруженный и озабоченный работой. У меня нет ни в чем утешения, и, глядя без удовольствия на мой сад, где я проложил новые тропинки, я не представляю себе, что будет со мной!»

Эрстед начал рассылку своего мемуара в конце июля, а в начале августа невесомые странички лежали уже на столе профессора Королевского института в Лондоне Гемфри Дэви. Сразу же Дэви послал за своим незаменимым помощником, бывшим подмастерьем, продавцом и лабораторным сторожем, а теперь уже начинающим завоевывать славу молодым ученым Майклом Фарадеем. Необходимо было как можно скорее проверить результаты Эрстеда, результаты шокирующие, неправдоподобные.

Уже назавтра эксперимент повторен, и то, что вчера казалось невероятным, сегодня воплощено в мимолетном, не очень сильном отклонении магнитной стрелки, находящейся рядом с проводником, по которому протекает электрический ток.

Знаменитый Дэви и еще неопытный Фарадей внезапно ясно ощутили, как и все, видевшие этот опыт, что рушится стена между двумя дотоле никак, казалось, не связанными друг с другом силами природы — электричеством и магнетизмом. Стена пала, и обнаружились неведомые связи, повеяло свежим воздухом новых открытий.

Был август. Еще только в сентябре об опытах Эрстеда узнает Ампер, и ему, счастливцу, суждено будет первому понять и истолковать их. Ампер, «этот докучливый умник Ампер», опередил Дэви и Фарадея, развив за какие-нибудь две недели свою стройную теорию образования магнетизма за счет электричества.

ФАРАДЕЙ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимодействии сил природы, Фарадей пытался доказать, что точно так же, как с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, так же и с помощью магнитов можно создавать электричество.

Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровой машине). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А.

Если с помощью электричества Ампер получал магниты, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, Колладон — в Женеве.

Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием «Дневник Фарадея»). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» помечен номером 16041. Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора, одержимость, четкая философская позиция не могли не быте вознаграждены, но ожидать результата пришлось долгих одиннадцать лет.

Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках «электричества из магнетизма» ничто не поддерживало. К тому же он, как его учитель Дэви, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:

— Хороший эксперимент имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон.

И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Великий реалист, он стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в эти минуты его осеняло великое прозрение — он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.

Первый проблеск удачи появился лишь 29 августа 1831 года. В этот день Фарадей испытывал в лаборатории несложное устройство: железное кольцо диаметром около шести дюймов, обмотанное двумя кусками изолированной проволоки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, его ассистент, артиллерийский сержант Андерсен, увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.

Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали этой простой установки — все было в порядке.

Но стрелка гальванометра упорно стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо — во время размыкания цепи стрелка гальванометра опять качнулась и опять застыла на нуле!

Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал?

Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера — связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество. Только две вещи оставались в этом случае странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?

На следующий день, 30 августа, — новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.

Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.

23 сентября он пишет своему другу Р.Филиппсу:

К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Это легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз, казалось, случайно.

Следующий эксперимент — 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу — к двум обмоткам: одной с током, другой — подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом — отсутствие стального кольца — сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее.

Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи.

Эксперимент триумфальный — 17 октября.

Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.

«Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».

Секрет — в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!

Это значит, что «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Эта идея необыкновенно плодотворна. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! Причем эта «электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!

28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой — на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.

После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу — настолько была истощена его нервная система...

Опыты, аналогичные фарадеевским, как уже говорилось, проводились во Франции и в Швейцарии. Профессор Женевской академии Колладон был искушенным экспериментатором (он, например, произвел на Женевском озере точные измерения скорости звука в воде). Может быть, опасаясь сотрясения приборов, он, как и Фарадей, по возможности удалил гальванометр от остальной установки. Многие утверждали, что Колладон наблюдал те же мимолетные движения стрелки, что и Фарадей, но, ожидая более стабильного, продолжительного эффекта, не придал этим «случайным» всплескам должного значения...

Действительно, мнение большинства ученых того времени сводилось к тому, что обратный эффект «создания электричества из магнетизма» должен, по-видимому, иметь столь же стационарный характер, как и «прямой» эффект — «образование магнетизма» за счет электрического тока. Неожиданная «мимолетность» этого эффекта сбила с толку многих, в том числе Колладона, и эти многие поплатились за свою предубежденность.

Фарадея тоже поначалу смущала мимолетность эффекта, но он больше доверял фактам, чем теориям, и в конце концов пришел к закону электромагнитной индукции. Этот закон казался тогда физикам ущербным, уродливым, странным, лишенным внутренней логики.

Почему ток возбуждается только во время движения магнита или изменения тока в обмотке?

Этого не понимал никто. Даже сам Фарадей. Понял это через семнадцать лет двадцатишестилетний армейский хирург захолустного гарнизона в Потсдаме Герман Гельмгольц. В классической статье «О сохранении силы» он, формулируя свой закон сохранения энергии, впервые доказал, что электромагнитная индукция должна существовать именно в этом «уродливом» виде.

Независимо к этому пришел и старший друг Максвелла, Вильям Томсон. Он тоже получил электромагнитную индукцию Фарадея из закона Ампера при учете закона сохранения энергии.

Так «мимолетная» электромагнитная индукция приобрела права гражданства и была признана физиками.

Но она никак не укладывалась в понятия и аналогии статьи Максвелла «О фарадеевских силовых линиях». И это было серьезным недостатком статьи. Практически ее значение сводилось к иллюстрации того, что теории близко— и дальнодействия представляют различное математическое описание одних и тех же экспериментальных данных, что силовые линии Фарадея не противоречат здравому смыслу. И это все. Все, хотя это было уже очень много.

МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Статья «О фарадеевских силовых линиях» требовала продолжения. Электрогидравлические аналогии дали многое — с их помощью удалось записать полезные дифференциальные уравнения. Но не все отражали электрогидравлические аналогии. Никак не укладывался в их рамки важнейший закон электромагнитной индукции.

Как можно наглядно представить себе то, что при изменении магнитного поля возникает поле электрическое?

Нужно было придумать новый, облегчающий понимание процесса вспомогательный механизм, отражающий одновременно и поступательное движение токов, и вращательный, вихревой характер магнитного поля.

И то, что придумал для замены Максвелл, поражало.

Поражало грубой механичностью. Громоздкостью, неповоротливостью. Новая модель была вызывающе одиозной. Но работоспособной!

Она давала механическую модель явления электромагнитной индукции и «электротонического состояния»35 Фарадея, состояния, которое нельзя было обнаружить ни одним из известных способов, пока оно оставалось неизменным.

Новая модель Максвелла — это среда, охваченная вихревым движением. Вихри так малы, что умещаются внутри молекул. Вращающиеся «молекулярные вихри» производят магнитное поле. Направление осей вихрей совпадает с силовыми линиями, а сами они могут быть представлены как тоненькие вращающиеся цилиндрики. Скорость вращения вихрей определяет величину магнитной силы.

И тут возникала трудность. Трудность чисто механического порядка. Внешние, соприкасающиеся части вихрей должны двигаться в противоположных направлениях! То есть препятствовать взаимному движению.

Это напоминало такое положение, как если бы конструктор механизма поместил в непосредственной близости две шестеренки, вращающиеся в одну сторону. У них непременно должны были бы переломаться все зубья!

Чтобы избежать этого, Максвелл, подружившийся с шестеренками и часовыми колесиками еще в детстве, решил использовать «холостые колеса».

Как можно обеспечить вращение двух рядом расположенных шестеренок в одну сторону? Нужно поместить между ними небольшие передаточные шестеренки, «холостые колеса»!

Максвелл предположил, что между рядами молекулярных вихрей помещен слой мельчайших шарообразных частичек, способных к вращению. Теперь вихри могли вращаться в одном направлении — «смазка» давала себя знать. Вихри взаимодействовали между собой, но вращались в одном направлении.

Роль «паразитных шестеренок» оказалась впоследствии куда более важной, чем ожидалось вначале, и вообще едва ли не важнейшей во всей этой модели. Во-первых, Максвелл осознанно называет эти «холостые колеса», «смазочные шарики» между цилиндрами — «частичками электричества», а движение их — «поток частичек электричества» — признает электрическим током. (Уже само упоминание в те времена о «частичках электричества», представляющих собой электрический ток, было прозрением гения, предсказанием грядущих электронов. Но это была лишь частность теории. Не главное. Главное было в другом.)

«Холостые колеса», вращаясь и двигаясь поступательно, оказались способными к объяснению многих действий электричества и магнетизма.

Если к шарикам приложена некая внешняя сила — электрическое поле, она заставит их двигаться поступательно — возникает электрический ток. Тогда придут во вращение и цилиндрики — появится магнитное поле. Так подтвердилась на модели гипотеза Ампера — токовая природа магнитных явлений. Так утверждалась мысль Эрстеда об их вихреобразном характере.

Цилиндры всегда вращались в направлении, перпендикулярном направлению движения шариков36, и это свидетельствовало о том, что магнитное поле действует под прямым углом по отношению к направлению тока.

Сенсационная перпендикулярность направлений тока и создаваемого им магнитного поля, перпендикулярность, выражаемая введенным Максвеллом «правилом буравчика», впервые получила в этой модели механическое истолкование.

Дело в том, что опыт Эрстеда нес не только связь между электричеством и магнетизмом. Не напрасно Эрстед в своем мемуаре перечисляет свидетелей опыта: то, что открылось ему, не лезло в рамки ньютоновских законов и прямо нарушало третий из них: направления возмущающей силы — электричества (определяемого направлением провода) и силы реакции — магнетизма (определяемого направлением магнитной стрелки) были у Эрстеда перпендикулярны. Впервые физики, сгрудившиеся у лабораторного стола Эрстеда, видели «противодействие», по направлению не противоположное «действию».

Эрстед неправильно объяснил свой опыт, но он заронил глубокую мысль — мысль о вихревом характере электромагнитных явлений.

«Вихреобразность» процесса, вызывающего в памяти водоворот, вихрь, спираль, долго не находила сторонников, и даже Фарадей поначалу не оценил эту мысль. Он долго был убежден в том, что силы, действующие между проводниками с током и магнитной стрелкой, — это силы притяжения и отталкивания, подчиняющиеся законам Ньютона.

Модель Максвелла наглядно отражала подмеченный Эрстедом вихреобразный характер поля.

Вращательное движение в модели передается от частиц вихрям и от вихрей — частицам. Но это противоречит ранее принятому Максвеллом предположению, что между вихрями и частицами нет иного взаимодействия, кроме трения качения! Понимая условность, вспомогательный характер модели, Максвелл не останавливается на этой «мелочи» — модель раскрывает все новые и новые свои стороны, оборачивается открытием новых захватывающих свойств электромагнетизма, и вряд ли стоит на этом прекрасном фоне искать способ преодоления чисто механического противоречия!

Механическая громоздкая модель могла демонстрировать и такие электромагнитные явления, как электрическое отталкивание и притяжение.

Но эти эффекты уже не были во главе угла. Они были низведены с пьедестала, куда вознесли их Ампер и Вебер, построившие именно на взаимодействии токов всю свою электродинамику. Притяжение и отталкивание стали «рядовыми» электромагнитными явлениями.

Зато почетное место в новой модели заняла электромагнитная индукция.

Первоначальная цель, которую поставил Максвелл при построении своей механической модели, — проиллюстрировать электромагнитную индукцию Фарадея — была достигнута.

Но и с блеском перекрыта.

Джеймс Клерк Максвелл понял это, когда начал изучать поведение своей механической модели в случае проводников и изоляторов-диэлектриков.

«Тела, которые препятствуют протеканию сквозь них электрического тока, называются изоляторами. Но хотя сквозь них не течет электричество, сквозь них распространяются электрические эффекты, причем уровень этих эффектов зависит от природы тела...»

Электрические явления могут происходить и в среде, препятствующей прохождению тока, — в диэлектрике, в изоляторе.

Пусть «холостые колеса» не могли в этих средах под действием электрического поля двигаться поступательно. Но они при наложении и снятии электрического поля смещались со своих мест. Максвелл зорко углядел в этом свойстве модели аналогию с поляризацией молекул диэлектрика в результате смещения зарядов в самих молекулах.

Большая научная смелость потребовалась Максвеллу, чтобы отождествить это смещение связанных молекулярных зарядов с их движением, с электрическим током. Ведь этого тока — тока смещения — никто еще не наблюдал. Он совсем не напоминал известные физикам токи в проводниках. И необходимость его введения, казалось тогда многим, ничем решительно не вызывалась.

Но, отождествив смещение зарядов в диэлектриках с каким-то током, током смещения, Максвелл неизбежно должен был сделать следующий шаг — признать за этим током способность к созданию собственного магнитного поля, сделать этот ток, ток смещения зарядов, равноправным с обычным током, текущим по проводнику.

Так, наконец, впервые выявилась неизвестная Амперу и Веберу связь между электростатикой и электродинамикой, связь между покоящимся и движущимся электричеством.

«Холостые колеса» жили собственной жизнью и, объяснив одно явление, предсказывали существование еще одного, ранее никому не известного.

Механическая модель упрямо приводила, приводила движением «холостых колес» и магнитных цилиндриков, к странному выводу: изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля.

То есть к положению, полностью симметричному фарадеевскому: изменение магнитного поля приводит к появлению электрического поля.

На своей громоздкой модели Максвелл обнаружил эффект, обратный и равный по значению электромагнитной индукции!

Это было со времен Фарадея величайшее открытие в области электричества.

Знаменитый английский физик Дж.Дж.Томсон сказал на торжествах, посвященных столетию со дня рождения Максвелла: «Максвелл, используя свою модель, обнаружил, что модель свидетельствует о следующем — изменения в электрической силе будут вызывать магнитную силу. Введение и развитие этой идеи было величайшим вкладом Максвелла в физику. Важность шага, сделанного Максвеллом, обнаруживается тем фактом, что в электромагнитной теории, принятой до него, электрические волны не существовали, в то время как в его теории любые изменения электрической и магнитной силы посылали волны, распространяющиеся в пространстве...»

Какова роль этой модели? Действительно ли Максвелл считал, что мир состоит из бессчетного числа шестеренок и паразитных колес? Абсолютизировал ли он свою модель? Отличался ли от Томсона в толковании ценности моделей? Что было раньше — модель, физические соотношения, факты или уравнения? Ответ — в самой работе. Максвелл пишет, что модель использовалась им для того, чтобы «вывести математические соотношения между электротоническим состоянием, магнетизмом, электрическими токами и электродвижущей силой, используя механические иллюстрации для того, чтобы помочь воображению, но не в качестве объяснения явлений».

Это совсем непохоже на то, что частенько говаривал Вильям Томсон.

— Мне кажется, что настоящий смысл вопроса: понимаете ли вы такое-то физическое положение? — будет такой: можете ли вы сделать соответствующую механическую модель?.. Я никогда не чувствую себя удовлетворенным, если не могу себе представить механической модели данного явления; если я могу представить себе такую модель — значит, понимаю вопрос; если не могу — значит, я не понимаю его.

Максвелл не в пример своему старшему другу был противником абсолютизирования моделей.

Модели были его строительными лесами, которым со временем предстояло пасть и быть забытыми. Их нельзя было оставлять, ибо они препятствовали перестройке и расширению здания электромагнитной теории.

А об отношении самого Максвелла к своей модели прекрасно свидетельствуют строчки из его письма Питеру Тэту:

«Модель явления так относится к истинному явлению, как относится модель солнечной системы, работающая на принципе часового механизма, к самой солнечной системе».

К ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕОРИИ СВЕТА

Статья «О физических силовых линиях» выходила по частям. И третья часть ее, как и обе предыдущие, содержала новые идеи чрезвычайной ценности.

Максвелл писал:

Электрические явления потребовали для своего объяснения твердого как сталь эфира. Максвелл неожиданно оказался в роли Френеля, вынужденного «изобрести» для объяснения поляризационных явлений свой чудовищный «оптический» эфир, твердый как сталь и проницаемый, как воздух.

Максвелл видит свойства двух сред: «светоносной» и «электрической» — и отмечает их сходство.

Следующим шагом могло бы быть признание их идентичности, но это еще только надлежит показать.

Тридцатилетний Максвелл планомерно подбирается к своему великому открытию — открытию идентичности световых и электромагнитных волн.

Но этого мало: Максвелл приходит к еще одному выводу — крайне важному. Когда электрические частички — «паразитные колесики» вынуждены двигаться в каком-то направлении, форма вихревых ячеек искажается, а когда сила снимается, упругий материал возвращается в первоначальное положение. Максвелл рассматривает теперь отношение между таким «смещением» и силой, производящей его, и выводит отсюда соотношение между статической и динамической единицами электричества. А это величина известная — ее измерили Кольрауш и Вебер.

«Посредством сравнения электромагнитных экспериментов гг. Кольрауша и Вебера со скоростью света, как ее измерил г.Физо... видно, что упругость магнитной среды в воздухе такая же, как и у светоносной среды, если только эти две сосуществующие и взаимопроникающие в одном и том же пространстве равно упругие среды — не одна и та же среда».

Согласие между цифрами Кольрауша и Вебера и Физо было настолько хорошим37, что Максвелл записал:

Это еще не было доказательством. Но это было первым шагом, заявочным столбом на пути к величайшему открытию — к электромагнитной теории света...

«Физические линии» были приняты едва ли не так же сдержанно, как и «фарадеевские линии» и в Англии, и на континенте. Сложными были дифференциальные уравнения, записанные Максвеллом. Совершенно нелепым физически казалось понятие «тока смещения» в диэлектрике, особенно в пустоте. Ведь там ничего нет! Смещение в диэлектрике еще можно осмыслить — это смещение зарядов... Но смещение в пустоте... Что там смещается?

Директор Римской обсерватории Анжело Секки, прочтя статью Максвелла при подготовке своего трактата «О единстве физических сил», не счел мысли автора слишком ценными. Они удостоились в капитальном труде синьора Секки лишь сноски следующего содержания:

Даже Гельмгольц никак не мог понять — что же по новой теории представляет собой электрический заряд?

Да, странная была эта теория.

Странная и непонятная. Мало было у нее сторонников.

Мыслимо ли было на столь неочевидных основаниях воздвигать такие категоричные и принципиальные выводы?

И никто пока не мог ответить на этот вопрос.

Даже сам Максвелл.

В октябре 1861 года Максвелл написал Фарадею о том, что им обнаружен факт практического совпадения величин: отношения электромагнитной и электростатической единиц электричества и скорости света. Кроме того, стало очевидным влияние электрических и магнитных свойств среды, через которую проходит свет, на его скорость. Максвелл писал, что если свет есть в действительности форма волнового движения, то можно положить конец спекуляциям о природе света. Можно по-новому объяснить многие свойства света и оптические явления. Легко можно было бы объяснить теперь свойства полного внутреннего отражения, рефракции и отражения света. А это должно содействовать постройке новых точных оптических приборов — микроскопов и телескопов, а также и предметов обыденной жизни — очков и луп.

К сожалению, все прогрессирующая умственная слабость Фарадея помешала ему понять значение выводов Максвелла. Он не мог разделить уже великую радость своего молодого последователя, доказывающего то, о чем Фарадей когда-то размышлял сам...

ЛОНДОНСКИЕ ЗАБОТЫ

Столичная жизнь склоняла Максвелла к несвойственной для него суетливости. Он обычно сознательно уклонялся от всего того, что могло бы мешать его научным занятиям. Близость Сити (в ясную погоду он мог сверять время по часам Вестминстерского аббатства) нисколько не приблизила Максвелла к непосредственному участию в бурных событиях его времени. Буквально за несколько кварталов от него писал свои труды Карл Маркс, где-то рядом шумело шествие, устроенное жителями Лондона в честь народного героя Италии Джузеппе Гарибальди, совсем недалеко собирались у Герцена революционеры разных стран...

Но Максвелл старался избегать событий, прямо не относящихся к его науке. У него и так оставалось очень мало времени для научной работы — все поглощал Кингс-колледж.

Если политики еще как-то можно было избежать, то ряда обязанностей по научной работе — никак, да и сам Максвелл никогда не уклонялся от всего того, что было связано с наукой, тем более — с электричеством.

На этот раз речь шла об Оме. Точнее, о его законе, о величине эталонного электрического сопротивления. Хотя система единиц была уже предложена и введена в обиход, в области единиц электромагнитных царил в то время хаос.

Получившие в шестидесятые годы широкое распространение электромагнитные телеграфы стали первым широким практическим применением электричества в век пара. В больших количествах изготавливались проволока, аппараты, электрические батареи. Необходимо было серьезно подумать о введении стандартных электромагнитных величин для сопротивления проводников, электродвижущей силы источников, силы тока в цепях.

Эти величины долгое время выражались в произвольных единицах. Единицы напряженности магнитного поля были различными в Лондоне, Париже и Санкт-Петербурге, поскольку они отнесены были к различной в этих городах и в разное время силе земного магнетизма. Сопротивление одного и того же образца было также различным в разных странах и лабораториях, было разным у Ленца, Уитстона, Якоби, Сименса.

Это вызвало к жизни систему единиц великого Гаусса. В 1832 году он предложил систему абсолютных единиц CGS.

Система CGS не вводила, однако, твердой и общепринятой единицы электрического сопротивления. И поэтому на ежегодном конгрессе Британской ассоциации в 1861 году был назначен Комитет по эталонам.

В его состав вошли самые видные английские физики-электрики: Уитстон, Максвелл, Джоуль, Томсон, Бальфур Стюарт, Флеминг Дженкин. В задачу комитета входило, помимо всего прочего, точное определение единицы электрического сопротивления на основе системы CGS.

Томсон предложил метод измерения, и в 1862-1863 годах посетители физической лаборатории Кингс-колледжа частенько видели Максвелла, Бальфура Стюарта и Флеминга Дженкина, склонившихся над образцами, схемами и гальванометрами.

Результаты их исследований были опубликованы в 1863 году, и уже после смерти Максвелла, в 1881 году, легли в основу решения Международного конгресса электриков в Париже, рекомендовавшего основные электрические единицы: ом — для сопротивления, вольт — для электродвижущей силы, ампер — для силы тока.

Так Максвелл способствовал тому, что слова «ампер», «вольт», «ом» прочно вошли в наш повседневный обиход. Позднее в число электромагнитных единиц была введена еще одна единица — для магнитного потока. Ее назвали — «максвелл».

...Одним из ярких событий лондонской жизни, не изобиловавшей особыми развлечениями, был визит к Максвеллам одного из известнейших физиков того времени, одного из открывателей великого закона сохранения энергии, друга Вильяма Томсона — гейдельбергского профессора физиологии Германа Гельмгольца.

Гельмгольц очень любил Англию и никогда не упускал возможности посетить ее. Берлин и Вена казались ему по сравнению с Лондоном большими деревнями.

— Нельзя описать жизнь Лондона, нужно взглянуть на нее хотя бы одним глазком, — говаривал Гельмгольц.

И поэтому Гельмгольц пользовался любым предлогом, чтобы посетить Англию. Когда весной 1864 года он был приглашен прочесть цикл лекций по сохранению энергии и теории цветов в Королевском институте, он, разумеется, не отказался.

На лекции собралось довольно много народу, в том числе (это всегда поражало Гельмгольца) — большое число женщин. Он заподозрил, правда и не без оснований, что все они собираются сюда, чтобы «других посмотреть и себя показать», а заодно и развлечься соперничеством знаменитых ученых. Гельмгольц особенно уважал этих женщин за то, что они никогда не позволяли себе засыпать на лекциях, «хотя к тому было большое искушение».

И поэтому Гельмгольц нисколько не удивился, когда к нему после лекции подошла молодая симпатичная пара — просто одетый темноволосый человек и с ним болезненного вида женщина. Гельмгольц сразу узнал Максвелла, с которым познакомился несколько лет назад, кажется, на встрече Британской ассоциации в Абердине.

Максвеллы поздравили Гельмгольца с успехом его лекции, он их — с запозданием — с вступлением в брак, поговорили на какие-то околонаучные темы, а потом Максвеллы пригласили его на субботу в гости... Идя домой, они обменивались впечатлениями об этом сорокалетнем усаче-красавце, пышущем здоровьем и энергией.

— Какая внутренняя сила! — сказал Максвелл восхищенно...

...Суббота была сумрачной. С утра зарядил дождь. Максвеллы суетились вокруг стола, уставленного всевозможными яствами и шампанским. Вместе с ними хлопотал и профессор Поль, приятель Максвелла и его же «подопытный кролик» при экспериментах по цвету — Поль был ярко выраженным дальтоником.

Смотря на унылый пейзаж за окном, Максвеллы решили уже, что визит не состоится, но вот лихо подкатил кеб и вышел из него и постучал в дверь великий физик Герман Гельмгольц.

Было весело. Летела в потолок пробка от шампанского, пузырилось вино, разрумянилась Кетрин, профессор Поль послушно называл цвета, которые демонстрировали ему Максвелл и Гельмгольц в цветовом ящике. Гельмгольц любовался прекрасными приборами Максвелла. Крутился вокруг неутомимый и хорошо выдрессированный терьер Тоби. Разговор, естественно, коснулся физических материй.

Максвелл восхищался законом сохранения энергии.

— Вы знаете, — говорил он, — мне кажется, важность этого закона даже не столько в точном установлении факта, сколько в плодотворности методов, основанных на этом принципе.

Гельмгольц молчаливо соглашался с ним.

Разгоряченный Максвелл решился наконец задать Гельмгольцу главный, так давно занимавший его вопрос:

— Почему с того времени, как вы разъяснили с точки зрения сохранения энергии электромагнитную индукцию, вы ни разу не увлеклись электричеством?

Гельмгольц подумал — видимо, вопрос был не из простых. Наконец ответил:

— Мне кажется, — сказал он, — что вся электродинамика сейчас — это непроходимая пустыня... Разрозненные факты, основанные на неточных наблюдениях... Следствия каких-то сомнительных теорий... Сейчас в этом еще невозможно разобраться...

И Максвелл ужасно пожалел в тот день, что не мог показать Гельмгольцу свою следующую, уже написанную, но еще не вышедшую из печати статью «Динамическая теория электромагнитного поля».

Именно — поля, а не пустыни.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

После серии статей «О физических линиях» у Максвелла был уже, по сути дела, весь материал для построения новой теории электромагнетизма. Теперь уже для теории электромагнитного поля.

Эта теория была сначала опробована Максвеллом в Королевском обществе. И те из членов общества, кто читал раньше четыре его статьи «О физических силовых линиях», поразились.

Максвеллову теорию нельзя был узнать. Рухнули громоздкие построения неуклюжих механических моделей. Исчезли строительные леса, с помощью которых создавалась теория электромагнетизма.

Взгляду присутствовавших на заседании общества наконец-то во всей своей обнаженности предстало сложнейшее, тончайшей работы здание Максвелловой теории электромагнитного поля. Начисто исчезли шестеренки, вихри, «паразитные колесики». Философия Максвелла одержала еще одну победу: он продемонстрировал миру, что его мышление никак не находится под гнетом визуальных представлений, моделей, инженерного воображения.

Его ум мог отрываться от земли.

Строительные леса сослужили свою службу, и Максвелл отбросил их без сожаления. Как-то он сказал:

— На благо людей с различным складом ума научная правда должна представляться в различных формах и должна считаться равно научной, будет ли она представлена в ясной форме и живых красках физической иллюстрации или в простоте и бледности символического выражения.

Уравнения поля были для Максвелла ничуть не менее реальны и ощутимы, чем результаты лабораторных опытов.

Теперь и электромагнитная индукция Фарадея, и ток смещения Максвелла выводились не с помощью механической модели, а с помощью математических операций. И тоже не вполне безупречных. Иной раз в них было больше гениальной физической интуиции, чем математической красоты и последовательности. Да и выводы новой теории не были зачастую еще подкреплены опытом.

В статье «Динамическая теория» Максвелл впервые использовал термин «электромагнитное поле».

Максвелл прибавил к веществу — виду материи, известному тысячелетия, еще один ее вид, ранее неизвестный, — электромагнитное поле.

В этой статье было еще одно прозрение.

Что произойдет, например, при разряде лейденской банки? Проскочит с сухим треском искра.

Искра — электрический ток колебательного характера — на это указывали Томсон и Гельмгольц.

Ток создает вокруг себя магнитное поле — это открыли и доказали Эрстед и Ампер.

Поле угасает вместе с умирающей искрой.

Поле изменяется.

Изменение магнитного поля приводит к появлению электрического поля — это Фарадей. Электрическое поле будет меняться с угасанием искры.

Изменение электрического поля вызывает в окружающей среде возникновение тока смещения Максвелла, который также вызывает магнитное поле.

Всплеск магнитного поля вызывает всплеск электрического поля.

Всплеск электрической волны рождает всплеск волны магнитной.

Холодная пустота оживилась электромагнитной рябью.

Впервые из-под пера тридцатитрехлетнего пророка появились в 1864 году электромагнитные волны.

Эти волны были незнакомы миру.

Они были пока еще только на бумаге.

Они были предсказаны Максвеллом.

Но еще не в том виде, как мы их понимаем сейчас. Максвелл говорил в статье 1864 года только о магнитных волнах.

Да, велика власть авторитетов, их подспудное влияние, тяжесть заслуг, и даже самые великие умы склонны иной раз поддаться им.

Фарадей был для Максвелла и учителем, и советчиком, и образцом ученого. И власть его мыслей, утверждений, догадок, почти всегда гениальных, была непреходящей. И это однажды сыграло в какой-то степени отрицательную роль.

Фарадей, говоря в письме Максвеллу о возможности распространения магнитных воздействий, именно это и имел в виду — то есть распространение магнитных воздействий в виде поперечных волн.

Когда Максвелл вывел в «Динамической теории электромагнитного поля» свои уравнения, одно из них свидетельствовало, казалось, именно о том, о чем говорил Фарадей: магнитные воздействия действительно распространялись в виде поперечных волн.

И не заметил тогда еще, по-видимому, Максвелл, что из его уравнений следует больше: наряду с магнитным воздействием во все стороны распространяется электрическое возмущение.

«Волна состоит только из магнитного возмущения», — писал Максвелл, не замечая одного из выводов, даваемых его формулами.

Электромагнитная волна в полном смысле этого слова, включающая одновременно и электрическое и магнитное возмущения, появилась у Максвелла позже, уже в Гленлейре, в 1868 году, в статье «О методе прямого сравнения электростатической силы с электромагнитной с замечанием по поводу электромагнитной теории света».

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА

В «Динамической теории электромагнитного поля» приобрела четкие очертания и доказательность намеченная еще раньше электромагнитная теория света.

Как передаются электрические и магнитные влияния на расстояние? Какова скорость распространения этого влияния?

Карл Фридрих Гаусс интересовался этим, стремился найти механизм передачи воздействий, но не нашел его. А вот его последователь Риман приблизился к решению, предположив, что эфир обладает свойством сопротивления изменениям его ориентации.

Максвелл не знал, что еще в 1858 году, в год, когда он, ненадолго отвлекшись от науки, устраивал свои семейные дела, тридцатидвухлетний Бернгард Риман, обреченный в Геттингене на нищету и болезни, направил в Геттингенское научное общество статью, явно содержащую волновое уравнение — путь к электромагнитным волнам.

Но в Геттингене царствовал Вильгельм Вебер, и статья Римана подверглась жестокой критике со стороны Клаузиуса, отметившего, что работа в корне противоречит теории Вебера. Риман взял статью обратно... Опубликована она была уже после смерти сорокалетнего Римана, в 1867 году.

Не нашел решения и Томсон, хотя у него было многое — и признание реальности силовых линий, и признание вихревого характера магнетизма, и интуитивное — из его электротепловых аналогий — предчувствие, что скорость распространения электрических воздействий конечна.

Не нашел доказательств и Фарадей...

Сразу после открытия им закона электромагнитной индукции в 1831 году, в год рождения сына у четы Клерков Максвеллов, Фарадей решил, что скорость распространения магнитных сил конечна.

Фарадей шел и дальше. Недаром в цитированном его письме к Максвеллу мелькает мысль о том, что надо было бы измерить время распространения электромагнитных воздействий, которое может быть «столь же мало, сколь время распространения света».

Недаром Фарадей отвез еще в 1832 году запечатанный конверт в Лондонское королевское общество... На конверте было написано:

«Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в архивах Королевского общества».

В 1938 году, через сто шесть лет, конверт этот был вскрыт в присутствии многих английских ученых. Слова, которые написаны были на пожелтевшем листке, потрясли всех: выяснилось, что Фарадей ясно представлял себе, что индуктивные явления распространяются в пространстве с некоторой скоростью, причем в виде волн.

«Я пришел к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, которое, очевидно, окажется весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности... По аналогии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции». Фарадей писал, что хотел «закрепить открытие за собой определенной датой и таким образом иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату — датой моего открытия. В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов».

Он возвратился к этой мысли на гораздо более высоком и правильном уровне в 1846 году, в статье «Мысли о лучевых вибрациях».

Родство света и магнетизма показал еще Фарадей. У Фарадея, как и у молодого Максвелла, была подаренная Николем призма — «николь».

Но Фарадей использовал подарок лучше.

При определенном положении «николь» не пропускает поляризованный луч. Фарадей устанавливал «николь» на темноту, а затем включал близко расположенный электромагнит. На экране появлялся свет. Значит, магнетизм может воздействовать на свет. Значит, оптические и электромагнитные явления не безразличны друг другу? Нет ли в них глубокого родства?

Но все это были догадки. А нужны были доказательства.

Уже в «Физических линиях» было Максвеллом представлено важнейшее доказательство, но косвенное.

Доказательством было равенство скоростей света и электромагнитной волны. Доказательством были одинаковые свойства сред, в которых распространяются световые и электромагнитные волны. Нужно было бы теперь доказать полную идентичность световых и электромагнитных волн.

И здесь-то, в формулировании электромагнитной теории света, Максвелл еще раз проявляет свою величайшую скромность. Он отмечает, что «концепция проникновения поперечных магнитных возмущений... ясно поддерживалась профессором Фарадеем в его «Мыслях о лучевых вибрациях». Электромагнитная теория света, как она была им предложена, по сути своей такова же, что я начал развивать в своей статье».

Здесь речь уже шла не о колебаниях, подобных колебаниям водной поверхности, — продольных колебаниях, а о поперечных колебаниях, свойственных твердым телам.

Глубокие, правильные мысли, но недоказанные.

Фарадей, с его трезвым умом реалиста, почти наверное знал, что скорость волны конечна, и уже собирал дряхлеющими руками шестеренки и колесики установки, которая, по мысли его, должна была бы доказать это; но фатальное ослабление его умственных способностей в старости стало одним из препятствий великому начинанию.

Уравнения статьи Максвелла ясно показывали, что поперечные колебания, и только поперечные, будут распространяться вдоль поля и что число, выражающее скорость распространения, должно быть тем же самым, что и то, которое выражает число электростатических единиц электричества в одной электромагнитной единице.

Особенность теории электромагнетизма, вызванной к жизни моделью, — это принятие Максвеллом вслед за Фарадеем и Томсоном того факта, что магнитная энергия есть кинетическая энергия среды, заполняющей все пространство, в то время как электрическая энергия — это энергия натяжения той же самой среды38.

Теперь уже для Максвелла неизбежны следующие выводы:

1. Оптические свойства среды связаны с ее электромагнитными свойствами.

2. Свет представляет собой не что иное, как электромагнитные волны.

Максвеллу удалось наконец объединить две разрозненные ранее области физики — световые и электрические явления.

РЕШЕНИЕ ПЕРЕЕХАТЬ В ГЛЕНЛЕЙР

Мысль о том, чтобы поменять Лондон на Гленлейр, навсегда поселиться в родном имении, приходила исподволь. Лондон постепенно утрачивал для Максвеллов свою былую привлекательность.

Для него прежде всего потому, что надо было работать над собственными теориями, а это не удавалось. Как ни старался он уходить от политики, от светской суеты, от университетских обязанностей, они то и дело сваливались на него, выводили из строя, мешали научной работе. Рассеянная лондонская жизнь мешала сосредоточиться, написать главные книги жизни.

Надежды Максвелла на близкое общение с его кумиром — Фарадеем тоже не оправдались. Фарадей не мог уже даже ответить на письмо Максвелла, содержащее важнейший вывод о равенстве скоростей света, полученных оптическим и электрическим методами. Он уединенно жил в пожалованном королевой особняке в Хэмптон-Корте, и уже перестал, как делал это всю жизнь, посещать еженедельные заседания в Королевском институте, и вообще перестал участвовать в жизни научного мира. Он никого не допускал к себе, кроме верного ученика и последователя Джона Тиндаля, который сообщал ему все последние научные новости.

Время от времени истощенный ум Фарадея взбадривался, и он снова начинал работать, смешивая уже иной раз реальные факты с фантазией, переоценивая свои открытия. Такие вспышки стоили дорого — они лишь ускоряли его быстрое умственное угасание...

С годами он отказывался от всего, что могло бы помешать ему работать, от писем, от лекций, от встреч с друзьями.

Последняя лекция — на рождество 1860 года.

Сложил с себя обязанности профессора — октябрь 1861 года.

Последняя работа в лаборатории — 12 марта 1862 года.

Сложил с себя обязанности главы христианской общины в 1864 году.

Сложил с себя обязанности, связанные с электрическим освещением маяков, в 1865 году.

Последний раз интересовался электричеством — его восхитила громадная электрическая машина Хольтца — в 1865 году.

Силы его непрерывно слабели...

Он умер спокойно и без сожаления.

Его похоронили на Хайгетском кладбище в Лондоне уже тогда, когда Максвеллы уехали из этого города...

У Кетрин были свои причины оставить Лондон. Не удалась у них, столь вожделенная для Кетрин, светская жизнь. Практика «визитов», которую в первые лондонские годы попыталась претворить в жизнь Кетрин, с треском провалилась — не таковы были друзья Максвелла, да и не таков был он сам, чтобы терять время на светские условности, — наука требовала последних крох свободного времени...

Да к тому же и с начальством Кингс-колледжа у Максвелла стали складываться отнюдь не безоблачные отношения. Причина была все та же: неспособность Джеймса Клерка Максвелла сохранять порядок и тишину на своих лекциях. Ни начальство, ни студенты не оценили его стремления перевести обучение физике из класса в лабораторию, превратить обучение в творческий процесс.

Курс электричества и магнетизма, читавшийся Максвеллом в Кингс-колледже, был самого высокого уровня и поэтому был весьма сложен. Те, кто видел Клерка Максвелла у доски в те лондонские годы, утверждают, что создавалось впечатление, что на него одного слишком много студентов в одной аудитории... Опять вспомнились абердинские неудачи: они с неизбежностью повторялись, и опять стоял у доски одинокий и молчаливый Максвелл, стоял перед развеселившимися неизвестно по какой причине студентами...

Поговаривали даже, что начальство Кингс-колледжа попросту предложило Максвеллу сложить с себя профессорские обязанности ввиду его полной неспособности держать класс в тишине, повиновении и внимании...

Словом, для переезда в Гленлейр были все основания.

Начало гленлейрского периода омрачено еще одной болезнью. Как, казалось, хорошо начался гленлейрский осенний сезон! Джеймс и Кетрин Мери скакали по вечерним холмам, вдыхая сладкие запахи полевых цветов; врывались под темную и сырую крышу леса...

Но Джеймс скакал на незнакомой лошади, она плохо слушалась его: из-за этого понесла она там, где не ожидал Максвелл, и он головой ударился о нависшую ветвь.

Ранение это вызвало длительную и тяжелую болезнь — рожистое воспаление головы. Врач запретил умственную работу. Самое большое напряжение, которое Максвелл мог тогда выдержать, — это слушать, как Кетрин читает по вечерам английских классиков, и вопрос о Кингс-колледже отпал сам собой.

После выздоровления Максвелл начал создавать для себя и Кетрин новый стиль жизни, соответствующий их новому положению — лэйрда и жены лэйрда.

Он перестроил и расширил, как завещал отец, дом в Гленлейре. Попросил своего кузена Вильяма Кея, теперь уже инженера, спроектировать мост через Урр, задуманный отцом. Построил его. Отрастил окладистую черную бороду. Завел в саду павлинов.

В те времена сада в имении еще не было — его заменял лес на берегу ручья. Прямо на столбиках парадного входа сидели павлины, как живые статуи. Миссис Клерк Максвелл, когда могла встать с постели, с увлечением кормила их.

Поселившись, как им казалось, здесь навсегда, Максвеллы решили нанять садовника и разбить сад. Но между садовником и садом, с одной стороны, и павлинами — с другой, возник конфликт: павлины выклевывали все, что было посеяно. Тогда Максвелл решил создать для павлинов, как он выражался, «центры притяжения» недалеко от дома, где птиц кормили маисом и прочими вкусными вещами. Поэтому павлины двигались «по силовым линиям» от сараев, где они высиживали яйца, до «центров притяжения», оставляя сад в покое.

Любимым развлечением по-прежнему, как и в старые времена, были прогулки верхом.

Вечером супруги читали друг другу, чаще всего Джеймс своим глуховатым голосом. Любимы были Чосер, Мильтон, но больше всего Шекспир.

Многие биографы удивлялись: чем вызвано столь явное небрежение Максвелла по отношению к новой литературе? Ведь совсем недавно умерли Шелли, Китс, Ламб и Скотт, современниками были Диккенс, Теннисон, Теккерей, Маколей, Джордж Элиот, Мередит. Максвелл не очень любил их и читал редко, если вообще читал...

Чем старше он становился, тем решительнее переносил свои симпатии в области литературы и философии в сторону признанных классиков, туда, где улеглись страсти, где ясны были уже с высоты XIX века и достижения, и просчеты, и вершины, и впадины, и рифы. Может быть, он экономил мысли и эмоции для своих научных трудов, используя только бесспорное, не желая терять время на то, что потом будет затоплено холодными водами Леты?

Но предпочтение обычаям ушедших веков шло и дальше — его взгляды на проблему «хозяин и слуга» можно было признать вполне средневековыми. Свято соблюдал Максвелл и многими уже оставленный обычай ежедневной молитвы, проводимой всеми домашними под руководством хозяина.

Может быть, просто не хотел задумываться над этими проблемами, считая их неважными, не стоящими затрат умственной энергии? Брал их так, как они были раньше, оставляя энергию для науки, для главного?

Главным для него была сейчас работа над основными трудами жизни — «Теорией теплоты» и «Трактатом об электричестве и магнетизме». Им посвящалось все время. Переписка с другими учеными Англии в гленлейрский период так возросла, что почтовое ведомство поставило для него за мостом через Урр специальный почтовый ящик на подставке. Прогуливая собак, Максвелл ходил к этому ящику в любую погоду и всегда возвращался с громадными кипами писем, книг, рукописей.

Весной они с Кетрин обычно ездили в Лондон. Одиночество прерывалось и его частыми визитами в Кембридж, где он участвовал в трайпосах в 1866, 1867, 1869, 1870 годах — теперь уже в качестве экзаменатора.

Вопросы, предлагавшиеся им на трайпосе, были в корне отличны от тех, которые когда-то получал и он сам, и его сокурсники. Они относились уже не к абстрактной математике, а к совершенно новой области, еще не имевшей названия. Той, которую мы называем сейчас «математической физикой».

Его влияние в Кембридже было столь сильным, что многие стали поговаривать уже о полной реформе трайпоса, о введении в него «прикладных» вопросов... И действительно, в то время как в других университетах оканчивающие оттачивали свои способности на курсах теплоты и электричества, «спорщики» Кембриджа по-прежнему ломали головы над математическими головоломками, иной раз не имеющими ни научного, ни прикладного значения. Вопросы Максвелла на трайпосе 1866 года влили свежую кровь в эту уже умирающую систему университетского образования в Кембридже. Кембридж стал медленно поворачиваться навстречу требованиям века...

И еще один раз было нарушено гленлейрское одиночество. Не бывавший нигде за границей Максвелл решил провести весну 1867 года вместе с Кетрин в Италии — врач рекомендовал Кетрин временно сменить климат.

Путешествие началось неудачно. В Марселе был карантин, и супруги Клерки Максвеллы вынуждены были несколько дней провести в порту с такими же товарищами по несчастью. Максвелл вызвался быть общественным водоносом.

В Италии Максвеллу очень понравилось. Его восхищал собор святого Петра. Он смотрел на его величественный купол и думал о том, как смог Микеланджело сделать массивный купол Брунеллески невесомым и воздушным. Он думал о Микеланджело и Брунеллески и, может быть, и о себе и Фарадее.

Ему неожиданно понравился «папский оркестр», ему нравились итальянская музыка и итальянский язык, который он с легкостью выучил. И что забавней всего — выучил вместе с Льюисом Кемпбеллом и его женой, которых он встретил во Флоренции! Не встречаясь уже давно в Англии, они случайно встретились в Италии.

Максвелл изучал итальянский для того, чтобы побеседовать всласть с профессором Оттавиано Фабрицио Моссотти, у которого были, на взгляд Максвелла, ценные мысли по поляризации диэлектриков.

Но оказалось, что Моссотти уже четыре года как умер, и Максвелл перенес свое внимание на профессора Карло Маттеучи, когда-то показавшего интерференцию тепловых лучей, в каком-то смысле предшественника его любимого учителя Джеймса Форбса.

Максвелла порадовало то, что Маттеучи разделяет его уважение к Ому. Ведь многие не упускали случая вспомнить «болезненную фантазию Ома, единственной целью которой является стремление принизить достоинство природы». И это говорилось об электрогидравлических аналогиях! О тех самых аналогиях, с помощью которых Максвелл вышел на правильную дорогу электромагнитного поля!

Путь из Италии лежал через Германию, Францию, Голландию. Не сохранилось никаких сведений об этом путешествии. А как хотелось бы знать: встречался ли Максвелл с геттингенцами? Как ему понравились европейские физические лаборатории? Может быть, он с затаенной завистью двигался вдоль заставленных приборами лабораторных столов французов и немцев? А может быть, он и вовсе не посетил эти лаборатории или из скромности, или из убежденности в превосходстве английской науки?

Не знаем мы, как это было, — нет документов. Путешествие Максвелла в Европу не привлекло ничьего внимания. А Льюис отметил только, что во время путешествия Максвелл совершенствовался в языках. Теперь он хорошо знал уже, кроме английского, греческий, латинский, итальянский, французский и немецкий.

— Никак не совладаю с голландским, — жаловался Максвелл. Языки давались ему очень легко, но вот голландский...

Ну да бог с ним, с голландским. Сколько дел ожидает дома, в Гленлейре! А главное — недописанные книги: «Теория теплоты» и «Трактат об электричестве и магнетизме». Максвелл давно уже по ним соскучился.

...Продумывая книгу «Теория теплоты», Максвелл неизбежно должен был решить для себя: что происходит при столкновении молекул? Как именно они сталкиваются?

Когда-то Максвелл написал на память своему знакомому, специалисту-механику Эдуарду Вильсону шуточную песню.

Она должна была исполняться на мотив популярной английской песни «Gin a body met a body»39 и была ее шуточным парафразом:

А теперь оказалось, что «это приключение» — столкновение твердых шариков — было совсем ему не безразлично. Дело в том, что в виде шариков обычно представляли молекулы, и то, как они сталкиваются, приобретало важное значение, особенно в связи с введением статистических методов.

То, как Максвелл подошел к этой проблеме в статье «По поводу динамической теории газов» (1866 год), еще раз продемонстрировало физикам его гениальность.

Описание закона взаимодействия молекул при использовании статистических методов оказалось делом чрезвычайно сложным. Даже самый простой случай — случай двух упругих шарообразных сталкивающихся молекул — приводил к невообразимым математическим трудностям.

И все-таки Максвелл решил задачу. Его решение выглядело обескураживающе дерзким: Максвелл решил приспособить молекулы к решению, а не наоборот.

Он взял молекулы со свойствами, легче ложащимися в рамки математических выкладок. Это, оказывается, было вполне допустимо, поскольку свойства газа, его трение и вязкость должны быть в большой мере независимы от того частного закона, который управляет столкновением двух молекул, — лишь бы соблюдался закон сохранения энергии!

Можно даже заменить достаточно быстрое дискретное явление — удар двух молекул друг о друга неким непрерывным, хотя и достаточно коротким процессом, например отталкиванием их друг от друга за счет сил, сильно зависящих от расстояния. При такой замене молекулы, достаточно отдаленные друг от друга, двигаются независимо; подлетая друг к другу, они испытывают резкое усиление сил отталкивания, тем большее, чем ближе друг к другу они находятся.

Остается лишь подобрать достаточно высокую степень, в которую нужно возвести расстояние, чтобы взаимодействие как можно больше зависело бы от расстояния и вместе с тем не представляло бы излишних трудностей для решения. Выбор степени уже не играл большой роли, поскольку основное условие — сохранение энергии и импульса — было соблюдено. Оказалось, что пятая степень расстояния — самая удобная: при ней можно было очень удобно определять минимальное расстояние сближения молекул при ударе, а относительная скорость молекулы перед ударом вообще сокращалась. Громадное облегчение для решения!

Больцман был потрясен остроумием максвелловского подхода. Он сравнивал работу Максвелла с величественной музыкальной драмой:

Эту красивую цитату, однако, нельзя понимать слишком буквально. В статье «По поводу динамической теории газов» Максвелл отнюдь не говорил: «Возьмем n = 5».

Максвелл был более осторожен. Его слова звучали скромнее: «Будет показано, что из экспериментов по вязкости газов у нас есть основания принять, что n = 5».

Гениальность Максвелла отнюдь не сводилась к остроумию. Ее основой была раскованность его ума, колоссальный багаж знаний и удивительная физическая интуиция. Людвиг Больцман понимал это, может быть, лучше, чем кто-нибудь другой, поскольку сам был великим физиком. Именно ему суждено было завершить и развить Максвелловы статистические идеи, распространив их на контингент более общих случаев, и ввести в повседневный обиход физиков «статистику Максвелла — Больцмана», описывающую распределение скоростей молекул в разных условиях.

В Гленлейре была наконец завершена «Теория теплоты». В общем это был обычный курс теплоты, хотя и оплодотворенный статистическими идеями Максвелла. Но было в нем и необычное, сенсационное, интригующее — неприятие второго начала термодинамики в том виде, как его трактовали Вильям Томсон и Клаузиус. По Томсону и Клаузиусу, во всех тепловых процессах температурные уровни должны выравниваться, вся энергия в конце концов должна «обесцениться» и перейти в низшую, неупорядоченную форму — тепловую. И это в конечном счете должно привести к «тепловой смерти вселенной». В противодействие такой точке зрения Максвеллом был высказан в «Теории теплоты» парадокс. Максвелл предложил представить себе воображаемое миниатюрное существо, «...способности которого настолько изощрены, что оно может следить за каждой молекулой на ее пути и в состоянии делать то, что в настоящее время для нас невозможно... Предположим, что имеется сосуд, разделенный на две части А и Б перегородкой с небольшим отверстием, и что существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие так, чтобы дать возможность только более быстрым молекулам перейти из А в Б и только более медленным перейти из Б в А. Это существо, таким образом, без затраты работы повысит температуру в Б и понизит в А, вопреки второму началу термодинамики.

И действительно, это существо, казалось бы, без затраты работы создавало порядок из беспорядка: равномерно нагретый газ разделяется на две части — холодную и горячую, и неупорядоченность, энтропия системы уменьшались, вместо того чтобы увеличиваться. В ближайший же приезд в Кембридж Максвелл сообщил о парадоксе Стоксу, написал письма Томсону и Тэту. Парадокс с воображаемым существом, которому Томсон дал меткое прозвище «демон Максвелла», живо обсуждался, приветствовался, высмеивался. Но никем не был опровергнут. Многие физики того времени никак не могли быть довольны возможным существованием в природе, во всяком случае в физической науке, «демона Максвелла», непонятным образом усложнявшего, казалось бы, такую ясную, понятную и законченную картину мира.

Классический парадокс Максвелла держался довольно долго и попал во многие учебники. Русский поэт Андрей Белый, вспоминая годы своего учения у видного русского физика Николая Алексеевича Умова (Умов вместе с англичанином Пойнтингом ввел в теорию Максвелла существенное добавление в виде вектора электромагнитной энергии Умова — Пойнтинга), писал в своей поэме «Первое свидание».

Многие пытались разрешить парадокс Максвелла. Смолуховский в 1912 году показал, что случайное движение молекул должно разрушить и демона, и дверку. Но наиболее радикальное изгнание демона произошло уже после 1929 года, после появления работы венгра Сцилларда. Оказалось, за получение информации нужно платить. Чтобы измерить скорость молекул, демон как минимум должен ее увидеть, то есть осветить, затратить некоторую энергию, увеличить энтропию. За информацию приходится платить энтропией. Второе начало осталось незыблемым, но смысл его оказался более глубоким и оптимистическим.

ГАМИЛЬТОН, ТЭТ, МАКСВЕЛЛ И КВАТЕРНИОНЫ

В гленлейрской глуши завершал Максвелл и основной труд жизни — «Трактат». Содержанием этой книги, конечно, были прежде всего статьи по электромагнетизму, и та, которую он написал еще в Кембридже, и две лондонские, и одна — уже гленлейрская, в которой впервые отчетливо прозвучала мысль не просто о магнитной, но и об электромагнитной волне.

Но было здесь и нечто новое, не присутствовавшее в статьях. В «Трактате» Максвелл широко использовал кватернионы.

Изобретение кватернионов, несомненно, было одним из величайших достижений человеческого ума. Отнюдь не сразу оцененным.

Восемьсот страниц чудовищной математики, изданных президентом Ирландской Королевской академии, членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук сэром Вильямом Роуэном Гамильтоном, были абсолютно неудобоваримы.

Сложность математических построений. Пугающая новизна. Деревянный, путаный язык. Полное отсутствие логики и последовательности. Все печальные атрибуты гениального труда.

Гамильтон был замечен с детства. Он выступал на сцене как вундеркинд, соревнуясь с «мальчиком-арифмометром». Студентом Тринити-колледжа в Дублине он написал статью «Теория лучевых систем», в которой предсказал явление конической рефракции. Двадцатилетнего студента назначили профессором в колледже, который он еще не окончил...

Со времени изобретения кватернионов в 1843 году до избрания Тэта через десять лет профессором в Белфасте судьба кватернионов была скорее плачевной. Они не получили сколь-нибудь широкого распространения. Злые языки утверждали, что Гамильтон изобрел кватернионы, пробираясь в пьяном виде после веселой пирушки по одному из дублинских мостов. Фантазиями «пьяницы» Гамильтона мало кто интересовался. Но с приходом Тэта на кафедру в Белфасте положение резко переменилось. Тэт подпал под сильнейшее влияние царившего в Дублине Гамильтона. Затеял с ним энергичную переписку. Одно из писем насчитывало 88 страниц. Подхватив знамя, Тэт развил, упростил, популяризировал его теорию, пронес как главное свое научное увлечение через всю жизнь. В 1867 году Тэт выпустил свой «Элементарный трактат о кватернионах», где в кватернионной форме были выражены важнейшие теоремы, использовавшиеся Максвеллом при построении теории электромагнитного поля, — теоремы Остроградского — Гаусса, Стокса, Грина.

Максвелл, ранее кватернионами не увлекавшийся, со все возрастающим волнением и заинтересованностью прочел в Гленлейре трактат старого школьного приятеля.

Максвелл давно уже достиг той фазы умственной активности, когда «даже случайные мысли начинают бежать по научному руслу». Он сразу же понял важность нового математического метода для своей теории. Оператор Ñ, «жаждущий продифференцировать что угодно», использовавшийся Тэтом вслед за Гамильтоном, обладал удивительными свойствами.

Зная, например, потенциал, можно было легко получить соответствующую силу. И получалось это без всяких дифференцирований, интегрирований, решения уравнений. Сила равна была просто оператору, умноженному на потенциал.

Максвелл первым из физиков подметил особенности кватернионного исчисления. Понятия «источника», «резервуара», «вихря», требовавшие раньше длинных объяснений, допущений, введений, механических моделей, причинившие столько беспокойства в ранних статьях, теперь уже естественно и легко укладывались в символику кватернионов.

Хотя оператор Ñ был совсем не так прост, как его написание, упрощение формы записи математических операций было настолько радикальным, что Максвелл, не колеблясь, принял кватернионы на вооружение.

Максвелл увидел, что свойства двух операторов Гамильтона соответствуют соотношению токов и порождаемых ими магнитных полей.

Сложные математические построения Максвелла, описывающие все известные факты из электричества и магнетизма, вмешались теперь в несколько коротких уравнений.

Восхищенный методами Гамильтона, Максвелл не заметил, что некоторые операции над кватернионами разработал уже не Гамильтон, а Тэт. Ссылаясь на Гамильтона, Максвелл частенько забывал сослаться на своего старого приятеля. В последний раз это произошло в 1870 году в Ливерпуле.

На Ливерпульском конгрессе Британской ассоциации в том году Максвеллу была предложена высокая честь быть президентом секции «А» — математики и физики. Президенту полагалось произнести речь, посвященную современному состоянию представляемой им науки.

Максвелл избрал темой своей речи то, что его всегда волновало, — соотношение между математикой и физикой.

— Профессор Сильвестр, президент секции «А» на съезде в Экстере, выступил в защиту чистой математики, — говорил Максвелл. — Он повел меня на те безмятежные высоты,

Но кто поведет меня в еще более скрытую туманную область, где Мысль сочетается с Фактом, где мы видим умственную работу математика и физическое действие молекул в их истинном соотношении? Разве дорога к ним не проходит через самое логовище метафизиков, усеянное останками предыдущих исследователей и внушающее ужас каждому человеку науки?

Так начал Максвелл свою президентскую речь, и все чувствовали, что тема эта для него наболела.

— Есть люди, — продолжал Максвелл, — которые могут полностью понять любое выраженное в символической форме сложное соотношение или закон как соотношение между абстрактными величинами. Такие люди иногда равнодушны к тому, что в природе действительно существуют величины, удовлетворяющие этим соотношениям. Мысленная картина конкретной реальности скорее мешает, чем помогает их рассуждениям.

Другие получают большее удовлетворение, следя за геометрическими формами, которые они чертят на бумаге или строят в пустом пространстве перед собой.

Иные же не удовлетворятся до тех пор, пока не перенесутся в созданную ими обстановку со всеми своими физическими силами. Они узнают, с какой скоростью проносится в пространстве планета, и испытывают от этого чувство восхитительного возбуждения. Они вычисляют силы, с которыми притягиваются небесные тела, и чувствуют, как напрягаются от усилия их собственные мышцы.

Для этих людей слова «момент», «энергия», «масса» не являются просто абстрактным выражением результатов научного исследования. Эти слова имеют для них глубокое значение и волнуют их душу, как воспоминания детства.

Так говорил Максвелл, и все присутствующие понимали, что он говорит о себе...

В президентской речи Максвелл высоко отозвался о Гамильтоне, о его кватернионах, столь удачно связывающих «Мысль с Фактом». Он сказал и о своих больших надеждах на кватернионы в связи с разработкой новых физических теорий.

И тут сделал ошибку. Максвелл, превознося Гамильтона, лишь мельком упомянул о Питере. Максвелл обычно бывал очень точен в своих исторических ссылках, и то, что тут он «промазал», вызвало у Тэта приступ веселья, прикрывавшего обиду.

Обнаружив ошибку уже в Гленлейре, Максвелл послал Тэту письмо, где под вычурным юмором тлеет виноватый огонек извинения:

Действительно, Тэт многое сделал для развития кватернионного исчисления, но немало прибавил в теорию и сам Максвелл. В статье «О математической классификации физических величин», в своих письмах Тэту Максвелл предложил новые понятия и термины.

Прежде всего не было названия у самого оператора Ñ. Максвелл вопрошал у Тэта из гленлейрского одиночества:

— Как ты называешь Ñ ? Атледом?..

Питер не ответил, и Максвелл решил подождать до осени, до следующего конгресса Британской ассоциации, который должен был состояться в 1871 году в Эдинбурге. На ежегодные конгрессы собирались виднейшие ученые, и Максвелл не без основания ожидал увидеть там и Томсона и Тэта. Томсон, вероятно, тоже ожидал там его увидеть, ибо прислал письмо с заманчивым предложением. Он решил пригласить самых именитых ученых, которые будут присутствовать на конгрессе, на двухнедельную морскую прогулку вдоль английских берегов на своей яхте «Лалла Рух» «водоизмещением 126.106 грамм». Приглашения были посланы, кроме Максвелла, Тэту, Тиндалю, Гексли и Гельмгольцу. Путешествие было назначено и началось в середине августа, после окончания эдинбургского конгресса.

У Томсона недавно умерла долго болевшая жена Маргарет, он был безутешен и тщетно пытался отвлечься от горестных мыслей. Грядущая морская прогулка была одним из способов сделать это. Томсон с горечью рассказывал о печали и беспорядке, воцарившихся в его доме в Глазго...

Вильям Томсон стал рассеян и не выпускал из рук зеленых блокнотов, в которые записывал разлетающиеся мысли...

Томсон рассказывал о своем доме, скорее замке, в Нетерхолле, но дом, казалось, не радовал его... А вот о грядущем переезде в новое здание университета, где он создаст первоклассную физическую лабораторию, он говорил с нескрываемым увлечением и гордостью — ведь речь шла об одной из первых в Англии физических лабораторий.

Максвелл отметил, что Томсон так же прост, отзывчив, справедлив и добр, как и четверть века назад... Ни рыцарское звание, пожалованное ему в 1858 году в связи с прокладкой трансатлантического телеграфа, ни его неоспоримые достижения в термодинамике, электротехнике, математике, ни его морской компас, ни эхолот, ни то, что он являлся в те годы, несомненно, первым физиком и электротехником Англии, не изменили его...

С Питером дела обстояли посложнее — он был занят в Эдинбурге, казалось, исключительно гольфом... Физика не была, конечно, забыта, но, видимо, романтическая фраза юного Питера: «Шить стоит только ради науки!» — претерпела жестокую трансформацию.

— Я — дикарь. Я живу здесь только для мускулов, — говорил теперь Тэт.

Лишь в воскресное туманное утро, когда для гольфа было слишком сыро (и неудобно, поскольку воскресенье), а в церковь идти было лень, удалось заставить Питера говорить о серьезных вещах... Окна «студии», «берлоги» Питера выходили на эдинбургские «луга», где когда-то бродили, придумывая себе задачки, студенты Джеймс и Питер.

К сожалению, придумать себе в жизни более серьезные задачки, которым можно было бы служить и посвятить жизнь, в которых можно было бы полностью проявить и выразить себя, Питер оказался не в состоянии... Он был очень известен в кругах физиков прежде всего как автор совместного с Томсоном учебника «Трактат о натуральной философии»43.

Тэту удалось захватить еще последние оставшиеся необъяснимыми, но известные многим явления. Он объяснил миру мираж. Страстный игрок в гольф, он построил вокруг полета мяча свою интересную математическую теорию. Кстати, если уж говорить о гольфе, сын Тэта, Фредди, быстро превзошел своего отца и стал известнейшим кембриджским чемпионом. Вскоре он стал так знаменит в Кембридже, что Питер уже стал там известен не иначе как «отец Фредди Тэта». Пуля бура пробила сердце Фредди, когда ему было тридцать лет и он защищал интересы Британии где-то в Южной Африке. «Отец Фредди Тэта» был еще жив тогда, но удар был силен.

Питер умер в первом году нового, XX столетия, пережив сына на год.

Тэт был, может быть, одним из первых физиков, пострадавших от своей разносторонности. Конец XIX века требовал уже глубоких шахт, а не смотровых колодцев. Лишь немногие мощные умы могли уже сочетать глубину исследований с широтой их тематики.

Он был полезен своему веку. Может быть, и меньше, чем Томсон. Но оказалось, что грядущий век может без него обойтись. С появлением новой физики учебники авторов Т + Т' (Томсона и Тэта) постепенно сошли со сцены, уступив место новым. А исследования в области кватернионов, топологии, физики полета мяча для гольфа не признаны были потомками достойными даже исторической ссылки. Так и остался Питер Гутри Тэт в памяти Кембриджа и Эдинбурга как автор сошедшего со сцены учебника и «отец Фредди Тэта».

А сейчас сидели они, Джеймс и Питер, в полутемной студии друг против друга, в неверном свете приглушенной газовой лампы, постаревшие уже немного, погрузневшие...

Из трубки Тэта медленно вытекал дым — он курил медленно, не торопясь, со вкусом: Тэт любил свою трубку и не уставал повторять:

— Да, когда мы набиваем трубку, приходят к нам самые блестящие наши мысли!

Студия была сплошь заставлена книжными полками, были в ней еще несколько кресел да столик, заваленный журналами, корректурами и рукописями, книгами, ждущими рецензии, с посвящениями от самых видных ученых.

Студия Тэта стала настоящим центром, боевым штабом во время эдинбургской встречи. Здесь увидел Максвелл изящные опыты химика Эндрюса, легко «превращавшего» газы в жидкость и наоборот. Здесь встречался Максвелл со знаменитым зоологом Гексли, сподвижником Дарвина. Здесь он снова встретился с Гельмгольцем, Кейлеем44, старым эдинбургским приятелем Вильямом Робертсоном Смитом.

Тэт, Клерк Максвелл и Робертсон Смит составляли на заседаниях конгресса неразлучную веселую троицу, без устали забавлявшуюся кватернионами и оператором Ñ.

Никак не могли назвать этот оператор, перевернутую «дельту», пока Робертсон Смит не вспомнил, что он где-то читал о древнеассирийском музыкальном инструменте типа арфы, имевшем такую же форму.

— По-моему, он назывался «набла», — сказал Робертсон Смит, и участь оператора была решена — его назвали «набла». А все, кто занимался кватернионами, стали «наблудистами».

Тут же, пока кто-то из друзей читал свой доклад с кафедры, Максвелл написал шуточную «тиндаллическую оду», посвященную Тэту — «Шеф-музыканту по игре на набла» (здесь была, конечно, и некоторая гипербола — компенсация за ливерпульский промах).

Заслуженные члены ассоциации, или, как они себя называли, «Красные львы», после заседаний обычно предавались занятию не столь обременительному для ума, а именно — совместному ужину. За ужином Максвелл и прочел свою «тиндаллическую оду» в восьми частях. В ней он, конечно, воспевал оператор «набла», утверждая, что с его помощью многие мимолетные, преходящие и трудноуловимые действия могут быть выражены в математической форме и оставлены в вечном владении человека. По мысли Максвелла, «быстрая набла» поможет покорить даже гравитацию...

Успех превзошел ожидания. «Красные львы» взяли с Максвелла клятву, что он напечатает эти стихи в «Природе». Что и было впоследствии выполнено.

Название «набла» прижилось. Максвелл был очень этим доволен.

Идя по стопам Вевелла в области создания новой научной терминологии, он совсем не был так серьезен.

— Я полон названиями! Что ты скажешь о демон-страции? О де-терминации? А как тебе нравится тронно-галерейная кислота? — спрашивал он уже солидного, бородатого, но все так же по-школьному прыскающего Питера...

Тэт имел все основания восхищаться Максвеллом, первым практически применившим в своей теории кватернионы. Уж он-то, Тэт, мог это оценить! Вот уже сколько лет Тэт, побуждаемый Томсоном, стремился изящно ввести прекрасно ему знакомые кватернионы в прекрасно ему знакомый «Трактат о натуральной философии». Но ничего из этого не получалось. Введение кватернионов выглядело искусственным, и Тэт с сожалением каждый раз от них отказывался... Он чувствовал, что для игры на «набла» нужны более искусные музыканты...

Уезжая из шумного Эдинбурга, расставаясь с друзьями, «Красными львами», Максвелл, возможно, с радостью подумал, что возвращаться придется уже не в пустынный осенний Гленлейр, а в Кембридж...