Возникновение полевой концепции

Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как реаль­ной среде, являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось становление континуальной, полевой фи­зики. Одновременно с возникновением волновой теории света фор­мировалась совершенно новая парадигма физического исследова­ния — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадле­жит великому английскому физику М. Фарадею.

Даже в плеяде величайших физиков последних трех столетий М. Фарадей особенно выделяется. Его взгляды на проблемы физичес­кой науки, на материю, движение, на метод исследования в области физики и ее задачи были необычными. То, что научные взгляды Фарадея сильно отличались от воззрений его современников, не слу­чайно. Это определялось своеобразием его пути в науку. Выходец из предместья Лондона, из семьи кузнеца, он не получил систематичес­кого образования, был гениальным самоучкой, самостоятельно под­нялся до вершин физического знания. Те пути в науке, которые он выбирал, не были скованы традициями и предрассудками.

Получив лишь начальное образование, в 13 лет он был отдан в обучение к книготорговцу и переплетчику. Работая в книжной лавке, Фарадей пристрастился к чтению. Он познакомился с сочинениями видных ученых и философов XVIII — начала XIX в., а особенный интерес проявил к химии. Это пробудило у Фарадея стремление за­няться наукой, которое укрепилось после посещения публичных лек­ций Г. Дэви. В 1812 г. по просьбе Фарадея Дэви взял его к себе пере­писчиком. Затем Фарадей получил место лаборанта, а в 1815 г. — ассистента. С 1816 г. Фарадей занимается самостоятельными научны­ми исследованиями. Первоначально его интересует химия, однако, узнав об открытии датского физика Х.К. Эрстеда, он сосредоточился на исследовании электрических и магнитных явлений.

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Эрстед обнаружил, что электри­ческий ток создает вокруг себя магнитное поле. Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма кажется Фарадею совершенно очевидной, и уже в 1821 г. он ставит перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество». Но только в 1831 г. М. Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу разработки электродвигателя и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.

Фарадей придерживался оригинальных взглядов на природу мате­рии. Он полагал, что материя активна и немыслима без движения, и возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пустого пространства между ними. Если пустота — проводник, то все тела должны быть проводниками, а если пустота — непроводник, то все тела должны быть изоляторами. Но ни того, ни другого не наблюдается. Фарадей создает новую теорию структуры вещества: исходным материальным образованием являются не атомы, а поле; атомы — лишь сгустки силовых линий поля.

Материя, по Фарадею, занимает все пространство. Ее основными характеристиками являются силы притяжения и отталкивания. Под силой Фарадей подразумевает характеристику активности тела или материи вообще, т.е. его понятие силы скорее ближе к понятию движения, чем собственно силы *. Атомы, по Фарадею, являются лишь центрами этих сил притяжения и отталкивания **. Они проницаемы и простираются на бесконечно большое пространство. Таким образом, в концепции Фарадея среда между зарядами выступает не просто передатчиком взаимодействия одного заряда с другим, а явля­ется носителем сил; заряды же он низводит до ранга вторичных образований, продуктов такого реального силового поля.

* Не случайно Фарадей наряду со словом «force» употреблял часто и слово «power», что значит еще и способность, мощность, энергия.

** См.: Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. М.; Л., 1951. Т. II. С. 400.

Общие взгляды Фарадея на материю нашли конкретное выраже­ние в его понимании электромагнитных явлений, основанном на представлении о поле. В основе его теории электричества и магне­тизма лежит представление об электрических и магнитных силовых линиях. Фарадей тем не менее не конкретизировал, что представля­ют собой эти силовые линии. Он писал: «Те, кто в какой-нибудь мере придерживаются гипотезы эфира, могут рассматривать эти линии как потоки, или как распространяющиеся колебания, или как стаци­онарные волнообразные движения, или как состояние напряжения». В любом случае, силовые линии для него — это не просто математи­ческий прием, а физическое понятие, имеющее реальный аналог в природе. Силовые линии есть характеристики поля — некоторого особого вида материи, носителя и передатчика энергии. Возникнове­ние полевой концепции стало началом становления континуальной физики.

Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он еще при жизни приобрел огромный авторитет и славу. Однако к его теоретическим взглядам современники в лучшем случае остава­лись безразличными. Первым обратил на них серьезное внимание Дж.К. Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и по­строил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике по­нятие «эфир» и сформулированное в теории электрических и магнит­ных явлений понятие «электромагнитное поле» сначала сближают­ся, а затем, уже в начале XX в., с созданием специальной теории относительности, полностью отождествляются.

Таким образом, понятие поля оказалось очень полезным. Будучи вначале лишь вспомогательной моделью, это понятие становится в физике XIX в. все более и более конструктивной абстракцией. Она позволяла понять многие факты, уже известные в области электри­ческих и магнитных явлений, и предсказывать новые явления. Со временем становилось все более очевидным, что этой абстракции соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие поля за­воевало центральное место в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий.