Алексей Тяпкин - Пуанкаре

В первых своих работах по электромагнетизму Максвелл основное внимание отводил именно механическим моделям. Подчеркивая непривлекательность одного из предложенных им объяснений, Пуанкаре писал: «Можно было подумать, что читаешь описание завода с целой системой зубчатых колес, рычагами, передающими движение и сгибающимися от усилия, центробежными регуляторами и передаточными ремнями». Однако позднее Максвелл меняет свою точку зрения. В работе «О динамической теории электромагнитного поля» он выражает желание «просто направить внимание читателя на механические явления, которые помогут ему в понимании электрических явлений. Все подобные фразы в настоящей статье должны пониматься как иллюстративные, а не объяснительные». Но электромагнитную энергию Максвелл по-прежнему трактует как механическую энергию. Не отказавшись от идеи механического истолкования электрических явлений, он убеждается тем не менее в принципиальной невозможности предпочесть одну какую-либо конкретную механическую модель. Эту мысль Максвелл образно поясняет на примере церковного перезвона: если заданы только движения канатов, то по звону колоколов нельзя однозначно определить механические связи между канатами и колоколами.

В своем курсе Пуанкаре рассматривает вопрос гораздо шире: каково соотношение между механикой и электродинамикой вообще? Уже около двух десятилетий проблема эта занимает умы крупнейших ученых. Решение ее могло быть получено еще в семидесятые годы, так как для этого не требовалось каких-либо новых экспериментальных данных или новых теоретических обобщений. Необходим был лишь трезвый и глубокий анализ двух теоретических схем описания физических явлений, принятых в механике и в электродинамике. И тот факт, что правильное освещение было дано лишь в работах Пуанкаре, красноречиво свидетельствует о том, какое редкое сочетание представляли его склонность к обобщению и его умение проникать в самую суть исследуемой проблемы.

Анализируя вопрос о правомерности сведения законов электродинамики к механической модели, Пуанкаре получает совершенно неожиданный ответ: вопрос этот снимается не в силу того, что он не имеет решения, а ввиду бесчисленного множества всевозможных решений. К этому выводу он приходит, приняв во внимание аналогию между уравнениями электродинамики и уравнениями Лагранжа, дающими наиболее общее описание объектов классической механики. Чтобы совместить эти уравнения по форме, достаточно было наложить на кинетическую и потенциальную энергии некоторые общие ограничения, которым удовлетворяет великое множество конкретных механических моделей. Пуанкаре подчеркивает, что утверждение о неоднозначности механической интерпретации уравнений электродинамики содержится в самом трактате Максвелла. «Максвелл не дает механического обоснования электричества и магнетизма, — пишет он во введении к книге „Электричество и оптика“, — он ограничивается тем, что доказывает возможность такого объяснения… Но основная идея книги затемнена, и притом настолько, что в большинстве популярных изложений она оказывается единственным пунктом, оставшимся без рассмотрения». Видимо, поэтому разрешение вопроса о неоднозначности механической интерпретации многие связывали только с именем Пуанкаре, который одним из первых увидел в теории Максвелла столь же самостоятельную и фундаментальную физическую теорию, как и механика Ньютона.

Признание двойственной природы физической реальности было самым глубоким и в то же время самым общим преобразованием ученой мысли со времени Ньютона. Механическое мировоззрение потеряло свою монополию. Принципы построения каждой из этих физических теорий, по мнению Пуанкаре, должны быть совместимы друг с другом. В противном случае теория, объясняющая одну область физических явлений, неминуемо войдет в противоречие с фактами, соответствующими другой области явлений. Так и произошло на самом деле. Нарушение соответствия между механикой и электродинамикой стало причиной глубокого кризиса физики.

Глава 9

ПРОБЛЕМА ЭФИРА

Вездесущий заполнитель вселенной

Величайшая из всех неудачных гипотез обрела права гражданства в науке благодаря авторитету человека, категорически заявившего: «Гипотез не измышляю». Считая абсурдным предположение о том, что одно тело может взаимодействовать с другим на расстоянии, через пустоту, без участия какого-либо материального посредника, Ньютон мысленно заполнил все мировое пространство некой универсальной средой — эфиром, пронизывающим, по его мнению, даже сплошные тела. Идея к тому времени уже не новая.

Этот единый материальный носитель, обусловливая все известные тогда явления физического мира — и электричество, и магнетизм, и тяготение, — воплощал в глазах ученых их общность. Великий преобразователь естествознания в борьбе со взглядами сторонников дальнодействия вынужден был прибегнуть к эфиру по методологическим соображениям. Таким образом, Ньютон все-таки «изобрел» гипотезу, но в отличие от других приверженцев эфира он не подменял своими умозрительными догадками и предположениями необходимость экспериментального постижения законов и свойств этой вездесущей среды. Прекрасно понимая, как далеко отстоит современная ему наука от познания конкретных свойств гипотетического заполнителя вселенной, автор знаменитых «Начал» констатировал: «…нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира могли бы быть точно определены и показаны».

В течение последующих полутора столетий эфир так и оставался вне досягаемости физического эксперимента, а следовательно, за пределами подлинно научного знания. Это не мешало, однако, теоретикам использовать его в самых разнообразных своих построениях. Развивая представление об эфире как об идеально упругой среде, являющейся проводником световых колебаний, французский физик Френель в первой четверти XIX века смог объяснить явления дифракции и интерференции световых волн. Но и эта теория светоносного эфира не доказывала и не могла доказать ни его существования, ни его механической природы. Между тем представления об эфире настолько органично входили в теоретическую картину описываемых волновых явлений, что было совсем нелегко отделить их от экспериментально обоснованных положений теории Френеля.

Так, например, исходя из наивного представления о том, что эфир частично увлекается перемещающейся в пространстве Землей, Френель приходит к выводу о невозможности обнаружить на опыте движение относительно этой мировой среды и получает правильную формулу сложения скоростей.[30] Его теоретическое предсказание получило блестящее подтверждение при измерении скорости света в движущейся воде. Этот сложнейший опыт был поставлен в 1851 году замечательным французским физиком Физо, который к тому времени уже прославился своим точнейшим измерением скорости света в земных условиях. Но истинный смысл полученной Френелем формулы стал ясен только после создания теории относительности.