Атомы, физика и этика

Самая первая перестройка фундамента физики произошла после двух веков царствования порядка, открытого Ньютоном. Главную роль в той перестройке сыграл Джеймс Максвелл, и эту роль трудно переоценить именно потому, что он ввел первое новое фундаментальное понятие после Ньютона. Чтобы представить себе смелость Максвелла, надо знать, какой ореол окружал имя Ньютона на его родине.

В центре Лондона — в Вестминстерском аббатстве — стоит надгробный памятник с надписью:

Здесь покоится Исаак Ньютон, который силой разума почти божественной, своими математическими методами исследовал движения и формы планет, пути комет, приливы океанов, различия световых лучей и свойства возникающих при этом цветов, о чем ранее никто не подозревал. Старательно, мудро и достоверно толкуя природу, древности и Священное Писание, он своей философией доказывал величие Божественного могущества и блага, а своей жизнью выражал евангельскую простоту. Возрадуйтесь, смертные, что существовало столь великое украшение рода человеческого!

Гораздо короче надпись на статуе Ньютона в Колледже Св. Троицы, в Кембридже, где он учился и работал:

Умом он превзошел весь род людской.

Это за 17 веков до Ньютона сказал римский поэт-философ Лукреций Кар о греческом философе Эпикуре, жившем еще тремя веками раньше.

Какое отношение такие древности имеют к новой физике? Они говорят о свободе мысли в Британии, а значит, и о свободе научной мысли. Ведь Эпикур знаменит своим атеистическим мировоззрением, и то, что в Кембриджском университете процитировали хвалебное слово одного атеиста о другом, говорит об интеллектуальном просторе для студентов, одним из которых — двумя веками позже Ньютона — стал 19-летний Джеймс Максвелл. Простор для свободы мысли в Великой Британии можно ощутить еще яснее, вспомнив, что сам выпускник Колледжа Св. Троицы, удостоенный статуи, отверг общепринятый догмат Троицы, а его коллега и друг Хэли (Галлей) был назначен королевским астрономом, несмотря на свой атеизм.

Что думал о Троице Максвелл, неизвестно, но ему, как и Ньютону, интереснее всего в жизни были две великие книги, о которых говорил Галилей, — Книга Природы и Библия. Родители Максвелла принадлежали к разным ветвям протестантизма, в детстве он бывал в обеих церквах, а совершеннолетним в Кембридже — без отрыва от учебы и науки — заново продумывал свое мировоззрение. Об этом 21-летний Джеймс писал своему другу:

Мой великий план — ничего не оставлять без исследования. Ничто не будет святой территорией с Неизменным Титулом, будь то положительным или отрицательным. <…> Христианство — то есть религия Библии — это единственная форма веры, открывающая все для исследования. Только здесь все свободно. Можешь летать до краев мира и не найдешь иного Бога, кроме Автора Спасения. Можешь обыскать всю Библию и не найдешь текст, который остановит тебя в твоих исследованиях.

Среди бумаг Максвелла нашли молитву:

Боже Всемогущий, создавший человека по образу Твоему и сделавший его душой живой, чтобы мог он стремиться к Тебе и властвовать над Твоими творениями, научи нас исследовать дела рук Твоих, чтобы мы могли осваивать землю нам на пользу и укреплять наш разум на службу Тебе…

Как Максвелл, с подобным отношением к науке, принимал слова атеиста об атеисте на статуе Ньютона? Максвелл знал, что Эпикур связывал этику с физикой, а в понимании «природы вещей» исходил из идеи атомов — одной из самых загадочных по происхождению в истории науки. Идею эту высказал Демокрит за сотню лет до Эпикура и за два тысячелетия до первых ее экспериментальных подтверждений. Согласно Демокриту, все «вещи» состоят из мельчайших частиц — атомов (по-гречески «неделимые»), а их движение, соединение и разъединение дают все наблюдаемые явления. И не только тело человека, но и душа его состоит из особых атомов. Так что жизнь и смерть — лишь разные состояния атомных образований. Поэтому, учил Эпикур, смерти бояться не следует: когда я есть, ее нет, а когда она есть, нет меня.

Греческие атомисты не сумели доказать атомизм всего сущего, но Лукреций в своей научно-философской поэме «О природе вещей» привел наглядные доводы в пользу атомной гипотезы, показав заодно, что познание освобождает от страхов. Поэма Лукреция — это гимн разуму и познанию, что вполне соответствовало устремлениям Ньютона и Максвелла.

К тому же они знали, что античные атомисты жили в мире многобожия: в поэме Лукреция слово «бог» употребляется лишь во множественном числе. Античный атеизм отрицал именно многобожие, и можно понять почему: олимпийским богам нечего делать в мире атомов, закономерно движущихся в пустоте. Само понятие закономерности несовместимо с прихотями олимпийцев. Аполлон велит атому лететь направо, Артемида — налево, так кого слушать? Библейское же представление о едином Боге-законодателе в античный мир еще не проникло.

Атомная гипотеза привлекала и Галилея и Ньютона, хоть и не привела их к осязаемым достижениям. Но к середине двадцатого века достижений было уже столько, что физик Ричард Фейнман подытожил:

Если бы некий катаклизм уничтожил все научные знания и к грядущим поколениям дошло бы только одно утверждение, то какое, составленное из наименьшего количества слов, содержало бы наибольшую информацию? Думаю, атомная гипотеза: все вещи состоят из атомов — маленьких частиц, которые беспрерывно движутся, притягивая друг друга на некоем расстоянии и отталкивая при большом сжатии. В одной этой фразе огромное количество информации о мире, стоит лишь приложить немного воображения и подумать.

Первые физические доводы в пользу атомов появились в семнадцатом веке, когда возникла идея о том, что давление газа на стенку сосуда — это результат ударов атомов, составляющих газ и движущихся беспорядочно во всех направлениях. Такое движение атомов рождает также ощущение тепла: чем быстрее атомы движутся, тем горячее. Из этой идеи, однако, не удалось извлечь измеримых следствий, и верх взяла идея попроще: тепло — это невидимая жидкость, перетекающая от горячего тела к холодному при их контакте.

На помощь атомной физике пришли химики, которые в начале девятнадцатого века заметили, что вещества вступают в химические реакции в целочисленных пропорциях типа 1:1, 1:2, 1:3, 2:3 и тому подобные. Это дало основание предположить, что суть химических реакций — соединение атомов, которые почему-то соединяются лишь с определенным числом других атомов. Такие соединения атомов — минимальные количества химических веществ — назвали молекулами. В простейшем случае молекулой может быть и один атом. Но это все пока — молекулярная химия.

А молекулярная физика создавалась на глазах Максвелла и при активном его участии. В картине атомно-молекулярного движения особенно озадачивала беспорядочность. Ведь наука занимается как раз упорядоченностью мироустройства?! Максвелл сумел обнаружить упорядоченность в беспорядке, когда он максимален, и нашел подходящий математический язык, чтобы описать эту упорядоченность, — теорию вероятностей, или, как говорили раньше, исчисление вероятностей. До Максвелла это исчисление применяли лишь к азартным играм и к скучной статистике. Хотя понятие вероятности, быть может, самое нужное в жизни, которая, как известно, — игра.

В любой порядочной игре не известен следующий ход соперника или судьбы. Но если, как советовал Фейнман, «приложить немного воображения и подумать», то в некоторых случаях можно оценить вероятности разных событий. К примеру, если в коробку с черными шарами в количестве Ч бросить Б белых шаров и хорошо перемешать, то вероятность вытащить из коробки наугад белый шар равна Б/(Ч+Б).

Если же вместо коробки с шарами взять емкость с газом, то движущиеся молекулы сами себя перемешивают, и поэтому можно спросить, какова вероятность того, что наугад выбранная молекула имеет такую-то скорость. Ответ Максвелла, или максвелловское распределение молекул газа по скоростям, — это первый физический закон, основанный на понятии вероятности.

Можно сомневаться, назвать ли этот результат новым законом природы, если Максвелл его получил, опираясь на законы механики Ньютона, «просто» применив их к молекулам. Однако то было совершенно новое применение и совершенно новый тип закона. Прежде законы механики определяли движение объекта, исходя из знания его начального положения, то есть описывали историю этого объекта. При огромном числе молекул газа такой — исторический — подход теряет смысл. И возникает новый — статистический, определяющий свойства данного газа: его давление на стенки сосуда, вязкость (или внутреннее трение), скорости распространения в этом газе тепла, запаха и так далее.

Некоторые из газовых законов были открыты экспериментально еще во времена Ньютона, начиная с закона Бойля (и Мариотта), согласно которому давление газа обратно пропорционально его объему. Молекулярная гипотеза позволила объяснить все эти законы и связать внешне столь разные явления, как диффузия, теплопроводность и вязкость.

Особенно драматичным стало объяснение вязкости. Из теории следовало, что вязкость газа не зависит от его плотности, что казалось странным, если не сказать абсурдным. Максвелл взялся за измерения, готовый опровергнуть собственный теоретический вывод. Он построил экспериментальную установку и обнаружил, что вязкость воздуха действительно постоянна в диапазоне 60-кратных плотностей. Это был триумф атомной гипотезы и, заодно, Максвелла.

Измерение наблюдаемых свойств газов позволило вычислить характеристики молекул — размеры, скорости и массы НЕНАБЛЮДАЕМЫХ, невообразимо малых молекул. Представить себе размер атома можно, мысленно увеличив яблоко до размера Земли, — тогда атомы яблока станут размером с яблоко, то есть яблоко так относится к Земле, как атом к яблоку.

Во времена Максвелла физики понятия не имели, что собой представляет атом и как именно атомы соединяются в молекулы. Незнание это, однако, не помешало понять молекулярную физику газов, поскольку основная жизнь молекулы газа проходит в свободном полете, и лишь малая ее часть тратится на столкновения. Поэтому свойства газа и определяются самыми простыми свойствами его молекул — массой и размером. Другое дело — жидкость и твердое тело, где молекулы расположены вплотную друг к другу.

К счастью физиков, они могли исследовать газы — не столь простые объекты, как маятники Галилея, но за два с лишним века экспериментаторы научились делать гораздо более тонкие и точные опыты. Искусство физика состоит в том, чтобы найти простой объект для изучения новых явлений, придумать простые опыты и… открыть законы этих явлений.

Главная награда за хорошо придуманные, сделанные и обдуманные опыты — открытие новой упорядоченности мироздания и расширение горизонта познания. Об этом в лекции «Теория молекул» Максвелл рассказал в 1874 году на собрании Британского общества содействия развитию науки.

 

Вглубь микромира и во всю ширь Вселенной

В лекции Максвелл рассказал о развитии идеи, начиная с античной гипотезы о неделимых атомах. Гипотеза эта противоречила житейскому опыту: любую, сколь угодно малую, каплю воды можно разделить на две. Видные философы, включая Аристотеля, атомизм отвергали. Однако философия и житейский опыт не сумели убить эту идею.

Два тысячелетия спустя появились реальные основания сравнить всякое вещество не с водой, а с песком, который, при взгляде издалека, кажется сплошным. Кучку песка можно делить и делить пополам, пока не возникнет сомнение, является ли результат деления все еще кучкой или уже штучками — песчинками. Физики, не пытаясь взять в руки отдельную штучную молекулу, старались из молекулярной гипотезы получить экспериментально наблюдаемые — измеримые — следствия.

О стараниях этих Максвелл рассказал в своей лекции и с помощью бутылки с аммиаком продемонстрировал несколько молекулярных явлений, начиная с того, что открыл бутылку и дал аудитории понюхать. Первый ряд ощутил запах очень скоро, а до последнего ряда запах дошел лишь через некоторое время. Расстояние, деленное на время, дало скорость диффузии аммиака в воздухе. И вот эту скорость физикам надо было получить из свойств молекул или, наоборот, исходя из измеренной скорости диффузии определить основные параметры молекул. Максвелл упомянул около двадцати физиков из разных стран, усилиями которых создавалась новая область науки. Она нацеливалась на явления самые обычные и наглядные, но — до появления молекулярной физики — непонятные: испарение и кипение, распространение тепла и запаха, трение и скольжение… Еще до Максвелла физики сделали несколько остроумных оценок и прикидок, но именно он заложил основу общей теории — статистической физики, которую, как он подчеркнул, значительно развил Людвиг Больцман.

Подытоживая полученные результаты, Максвелл разделил их по степени обоснованности на три класса. Самыми надежными назвал массы молекул, выраженные в массах легчайшей молекулы водорода, и средние скорости движения молекул. Менее надежны были относительные размеры молекул газов и среднее расстояние свободного пробега — среднее расстояние, проходимое между столкновениями. А наиболее предположительны — абсолютные размеры и массы молекул. Вот какую таблицу новых молекулярных данных Максвелл показал аудитории.

Можно представить себе, какое впечатление на публику произвели первые новости из физики микроскопических объектов. Точнее сказать, «наноскопических», поскольку ни в какой микроскоп не увидишь атомный размер — нанодюйм. Сто миллионов атомов в ряд образуют цепочку длиной в один сантиметр, а один грамм — это миллион-миллиардов-миллиардов атомов. Верить в реальность атомных величин помогало то, что рассчитанные на их основе теоретические свойства газов хорошо соответствовали — с точностью до процентов — измеренным. Соответствующую таблицу Максвелл также привел в своей лекции, показав, что физики, даже витая в теоретических облаках, твердо стоят на земле и что открылся реальный путь к исследованию мельчайших деталей мироздания.

Относительные массы молекул водорода, кислорода, окиси и двуокиси углерода — 1:16:14:22 — своими целыми числами намекали на какую-то новую упорядоченность, на некую структуру самих атомов и на общность этой структуры, однако для теории в этом направлении других оснований пока не было. Но Максвелл не поставил точку на достигнутом. Он был уверен, что атомы имеют структуру, исследовать которую лишь предстоит:

Атом — не жесткий объект. Он способен к внутренним движениям, а когда эти движения возбуждены, испускает излучение с длинами волн, соответствующими периодам его колебаний. При помощи спектроскопа длину волны света можно определить с точностью до сотой доли процента. Так убедились, что не только атомы любого образца водорода в наших лабораториях имеют один и тот же набор периодов колебаний, но что свет с тем же самым набором испускается Солнцем и звездами.

Стало быть, исследование самых малых физических объектов открыло возможность для исследования объектов самых больших и самых далеких. Путь к этому начал еще Ньютон. Пропустив солнечный свет через стеклянную призму, он получил спектр — полоску всех цветов радуги, а затем, пропустив эту радугу через перевернутую призму, вновь получил ясный солнечный свет. Это открытие, видимо, произвело сильнейшее впечатление на автора надгробной надписи в Вестминстерском аббатстве, раз он добавил «о чем ранее никто не подозревал».

Никто также не подозревал, что в ярком солнечном спектре имеются темные линии, пока их не разглядел в 1814 году германский физик Фраунгофер. Он разглядел и обозначил около шестисот линий, совершенно не понимая, что они такое.

Понимание пришло сорок лет спустя при исследовании цвета пламени, в которое помещали различные вещества. Исследовали с помощью спектроскопа, основа которого — стеклянная призма. Оказалось, что каждое вещество дает свой особый спектр — набор линий разной яркости. Каждая линия соответствует свету определенной длины волны. Собрав спектральные «отпечатки пальцев» разных веществ, исследователи получили новый и точный способ определять вещество по его спектру. И тогда заново вгляделись в линии Фраунгофера. То, что те линии — темные, а в спектрах пламени — яркие, объяснили тем, что первые — спектр поглощения света, а вторые — спектр испускания. Жаркий свет Солнца, проходя через вещество его прохладной атмосферы, поглощается особенно охотно на тех длинах волн, на которых это вещество излучало бы, если его как следует разогреть.

Таким образом установили, что атмосфера Солнца содержит водород, кислород, натрий, железо и другие хорошо известные земные элементы.

Почти таким же образом обнаружили на Солнце новое вещество. Обнаружили в протуберанцах, извергаемых из солнечных недр за границы солнечной атмосферы. Наблюдать спектр раскаленного протуберанца — спектр испускания — легче всего во время полного солнечного затмения, когда Луна, закрывая Солнце, оставляет открытыми лишь самые выдающиеся протуберанцы. Так в 1868 году обнаружили линию, какой не было ни в одном из собранных спектров, и предположили, что линия эта принадлежит веществу, на Земле пока не открытому. Неизвестное вещество назвали гелием — от греческого слова «солнце», и стали его искать на Земле. Нашли лишь через 27 лет.

 

Что было в самом начале?

В конце своей лекции 1874 года Максвелл обратил внимание на новое свойство природы, собственно и сделавшее возможными достижения молекулярной физики и астрофизики:

Молекулярная физика учит, что опыты никогда не могут дать чего-либо большего, чем статистическое знание, и что ни один закон, выведенный этим путем, не может претендовать на абсолютную точность. Но когда в размышлениях мы переходим от наших опытов к самим молекулам, мы покидаем мир случайности и переменчивости и вступаем в область, где все определенно и неизменно. Молекулы соответствуют своему прототипу с точностью, какую не найти в наблюдаемых свойствах тел, ими образуемых. Во-первых, масса каждой отдельной молекулы и все другие ее свойства абсолютно неизменяемы. Во-вторых, свойства всех молекул одного типа абсолютно тождественны.

Откуда бы ни добыть кислород и водород — из воздуха, из минералов разных геологических эпох или из метеоритов, — один литр кислорода соединится ровно с двумя литрами водорода, образовав ровно два литра водяного пара. Атомы водорода на Земле, на Сириусе или на Солнце абсолютно одинаковы. Этот фундаментальный научный факт подвел мысль Максвелла к краю науки:

Никакая теория эволюции не может объяснить такое сходство атомов, ибо эволюция подразумевает постоянные изменения, а атом не способен ни расти, ни распадаться, ни рождаться, ни уничтожаться. Следовательно, мы не можем приписать существование атомов и тождество их свойств какой-либо причине, которые мы называем естественными. С другой стороны, полное тождество каждого атома с любым атомом того же рода дает им, как метко выразился сэр Джон Гершель [выдающийся астроном и физик], характерный признак изделий, изготовленных по образцу, и исключает идею их вечного существования самих по себе.

Так мы подошли, строго научным путем, очень близко к тому месту, где Наука должна остановиться. Не потому, что Науке запрещено изучать внутренний механизм атома, который она не может разобрать на части, или исследовать устройство, которое она не может собрать. Прослеживая историю вещества, Наука останавливается, убедившись в том, что, с одной стороны, атомы были сделаны, а с другой, что они не были сделаны в каком-либо процессе, какие мы называем естественными.

Наука останавливается, но Максвелл не остановился и завершил лекцию так:

С тех пор, как атомы были сотворены, они сохраняют свое совершенство в числе, мере и весе. Неизменность их характеристик говорит нам, что стремления к точности в измерениях, к правдивости в суждениях и к справедливости в действиях мы относим к благороднейшим качествам потому, что они — существенные составляющие образа Того, кто вначале сотворил не только небо и землю, но и материалы, из которых они состоят.

Начало фразы — неявная цитата из Ньютона, который, в свою очередь, вольно процитировал библейскую Книгу Премудрости Соломона: «Ты, Господь, все расположил мерою, числом и весом». Ньютон в своей студенческой записной книжке перефразировал: «Бог все сотворил числом, весом и мерою». Библию Максвелл знал слишком хорошо, чтобы допустить случайную фразу в этом единственном проявлении его религиозного мировосприятия в его собственных публикациях.

Не пожалел ли он о своей откровенности, получив после лекции приглашение вступить в общество, защищающее «великие истины Библии против того, что ложно называют возражениями науки»? Приглашение он отклонил и, судя по черновику его ответа, отклонил потому, что в благом намерении увидел ограничение свободы научных исследований:

Я думаю, что результаты, к которым приходит каждый человек в своих попытках гармонизировать свою науку со своим Христианством, имеют значение лишь для самого этого человека и не должны получать от общества оценочный штамп. Потому что суть науки, особенно ее ветвей, простирающихся в области неведомого, состоит в том, чтобы постоянно —

На этом черновик обрывается, но можно думать, что Максвелл далее написал нечто вроде: «…чтобы постоянно задавать новые вопросы и сомневаться в привычных ответах».

Одна из задач науки — выяснение границ применимости ее теорий. Подобную границу Максвелл выявил, когда понял, что в молекулярной физике напрямую не работает Ньютонова механика, нацеленная на движение отдельного тела. На смену пришла статистическая механика, имеющая дело с огромным числом движущихся частиц. Так что, и выявляя границу применимости самой науки — в вопросе происхождения элементарных частиц вещества, Максвелл занимался своим делом.

Сам вопрос могла ему подсказать эволюционная теория Дарвина, тогда уже 15 лет горячо обсуждаемая. Теория эта объяснила массу биологических фактов, но один вопрос остался без ответа. «Никчемное дело — рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно рассуждать о происхождении материи», — писал Дарвин в 1871 году.

В лекции 1874 года Максвелл размышлял как раз о происхождении вещества. Он напомнил, что и в астрофизике некоторые важные факты объяснятся эволюцией. Например, Солнечная система сформировалась в ходе ее эволюции, расположение и размеры планет не следуют прямо из каких-то фундаментальных физических законов.

Размышляя же о свойствах атомов, Максвелл не мог себе представить их результатом какой-либо эволюции и не допускал также их вечного существования. Лишь первое выглядит логически обоснованным. А во втором легко заподозрить библейскую предвзятость. Во всяком случае, «признак сделанности по образцу» вовсе не убеждал атеиста девятнадцатого века. Тогда постулат о вечности Вселенной выглядел логичной и прогрессивной заменой библейского сотворения мира, тем более что теория Дарвина триумфально заменила картину библейского творения разных форм жизни.

Прогресс физики и астрофизики двадцатого века привел к рождению космологии, а в ней, в свою очередь, к идее рождения Вселенной, и тем самым отправил в архив постулат о ее вечности. Основанием для этого, однако, стало расширение Вселенной, о котором понятия не имели во времена Максвелла. Так что же, он лишь случайно угадал будущее? Ответить на этот вопрос можно будет, когда (и если) выяснится происхождение вещества в процессе рождения Вселенной. Пока же стоит заметить, что Максвелл, высказывая свое представление, ссылался не на авторитет Библии, а на фундаментальный факт атомной физики — тождественность атомов. Максвелл, как и Галилей, верил, что Библия осмысляет лишь дела человеческие, включая и свободу познания, но не диктует содержание Книги Природы.

Распространено мнение, что представление об эволюции жизни несовместимо с библейским мировосприятием. Однако сам Дарвин считал, что «человек может быть страстным теистом и вместе с тем эволюционистом». Один такой человек — А. Уоллес — высказал идею естественного отбора независимо от Дарвина и повлиял на развитие его теории. Другой — ботаник Э. Грей — помогал Дарвину и пропагандировал его теорию в Америке, третий — генетик Ф. Добжанский — уже в двадцатом веке соединил теорию Дарвина с генетикой, изложив свое понимание в статье «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Ситуацию охарактеризовал в конце двадцатого века видный биолог С. Гулд: «Либо половина моих коллег невероятно глупы, либо наука дарвинизма вполне совместима с обычными религиозными верованиями — и столь же совместима с атеизмом».

Джеймс Клерк Максвелл

О себе Дарвин сообщил в конце жизни, что никогда не был атеистом, а свой итоговый взгляд назвал агностицизмом. Агностиком он был библейским не только потому, что в своей религиозной юности основательно изучил Библию и использовал библейские образы в своих трудах. Теория естественного отбора объяснила разнообразие живых организмов, исходя из некой начальной формы жизни, о происхождении которой Дарвин ничего не знал, но описал его библейским оборотом: «В начале жизнь была вдунута в одну или несколько форм». В письме другу он пояснил, что имел в виду лишь то, что жизнь «появилась в результате совершенно неизвестного процесса».

В сущности, то же самое говорил Максвелл о возникновении атомов.

За полтора века, прошедшие со времен Дарвина и Максвелла, биология и физика гораздо глубже узнали, чего они не знают о происхождении жизни и о происхождении вещества. Биологи открыли микроскопический механизм эволюции жизни и углубились в его изучение. Физики раскрыли внутреннюю структуру атома, научились разбирать его на части — элементарные частицы, и поняли, что тождественность атомов следует из неразличимости элементарных частиц.

Проблемы происхождения вещества Вселенной и возникновения жизни до сих пор не удается даже толком поставить, но само обнаружение этих проблем — важная ступень научного познания, на которую первыми ступили Дарвин и Максвелл.

Наверняка найдутся читатели, думающие, что, несмотря на все сказанное, даже единственное проявление библейской религиозности Максвелла в его научных текстах — слишком много и что, будь он атеистом, быть может, достиг бы большего. На этот случай в истории науки есть поучительный пример для размышлений.

 

«Великий фундаментальный закон прогресса»?

Во времена Максвелла наряду с голосом защитников «великих истин Библии» уже звучали голоса отвергателей всякой религии. Маркс уже определил религию как «опиум народа» и был не первым ее разоблачителем. На роль антипода религии выдвигалась обычно наука или «научная философия».

За создание такой философии первым взялся французский философ Огюст Конт. В 1830-х годах он опубликовал многотомный «Курс позитивной философии», который начал со своего открытия:

Изучение развития человеческого познания приводит к открытию великого фундаментального закона прогресса: каждая ветвь нашего знания последовательно проходит через три различные теоретические состояния: Религиозное, или основанное на вымысле; Метафизическое, или абстрактное; и Научное, или позитивное. Отсюда возникают три философии, каждая из которых исключает другие. На последней — позитивной — стадии разум, оставляя тщетные поиски абсолютных понятий, поиски происхождения и цели вселенной и поиски причин явлений, изучает законы явлений, т. е. неизменяемые отношения их последовательности и сходства. <…> Прогресс индивидуального разума — не только иллюстрация, но и косвенное свидетельство прогресса общего разума. Отправная точка личности и народа одна и та же, фазы разума человека соответствуют эпохам разума народа. Каждый из нас знает, оглядываясь на свою собственную историю, что он был теологом в детстве, метафизиком в юности и естествоиспытателем в зрелости.

Ясно, что сам философ считал себя прошедшим все три фазы. Но не счел нужным пояснить, как он обобщил свой личный опыт — или мнение о своем опыте — на все человечество и почему каждого взрослого записал в естествоиспытатели. Для историка науки исследовательский талант — не менее особый, чем талант художника или музыканта. Признать естествоиспытателем самого О. Конта трудно из-за отсутствия хотя бы малого его вклада в естествознание.

Историки знают, что в его «великий закон прогресса» не укладываются Галилей, Кеплер и Ньютон, которые не видели противоречия между своими религиозными взглядами и своими научными исследованиями. Можно предположить, что французский философ, изучая их достижения по учебникам, попросту не знал о религиозности великого итальянца, великого немца и великого англичанина. Труднее думать, что философ не знал о взглядах своих соотечественников Декарта и Паскаля, сделавших важные вклады в новую физику и вместе с тем недвусмысленно выразивших свою религиозность.

Похоже, философ не изучал биографий физиков и не знал, что дар естествоиспытателя проявляется обычно уже в детстве — и безо всякой теологии. Когда О. Конт излагал свою позитивистскую философию, в не столь уж далекой Шотландии один такой естествоиспытатель вступил на путь познания в свои неполные три года. Вот что его мама писала своей сестре:

У него масса дел с дверями, замками, ключами и т. п., а с языка не сходит: «Покажи мне, как это делается». Он исследует скрытые маршруты проволок к колокольчикам [для вызова слуг в разные комнаты], путь, которым вода течет из пруда через забор, мимо кузницы, к морю, где плавают корабли. Колокольчики наши не заржавеют: он караулит на кухне, а Мэгги бегает по дому и звонит во все по очереди, или звонит он сам и посылает Бесси наблюдать и кричать ему о результате.

Этому мальчику предстояло стать великим физиком и глубоко религиозным человеком, вопреки «великому фундаментальному закону прогресса». Но философ О. Конт об этом уже не узнает. Не узнает о великих научных достижениях повзрослевшего мальчика — Джеймса Максвелла, который верил в Бога и в то, что мир познаваем. Не узнает философ и о том, что всего через несколько лет после его смерти рухнет его смелый философский прогноз о границах познания: «Мы никогда не сможем ничего узнать о химическом или минералогическом составе планет», «людям никогда не охватить своими понятиями весь звездный мир», «при любом прогрессе наших знаний мы навсегда останемся на неизмеримом расстоянии от понимания вселенной».

Почему философ О. Конт так уверен? Потому что он не просто философ, а создатель «окончательной» философии — позитивно научной. В его «Курсе позитивной философии» наибольшую часть составляет описание всех наук, начиная с точных: математики, астрономии, физики, химии. Он уверенно рассуждает о научных материях, о заслугах и недоработках людей науки, вводит собственные термины, как, например, «барология», «термология», «электрология». При этом обходится без формул. Изучив все науки, он понял, что именно движет научным познанием:

В науке имеется гармония между нашими потребностями и нашими знаниями. Нам нужно знать лишь то, что действует на нас так или иначе, и воздействие на нас становится, в свою очередь, нашим средством познания…

Для нас чрезвычайно важно знать законы Солнечной системы, и в этом мы достигли высокой точности; а если знание звездной вселенной запретно для нас, то ясно, что оно нам и не даст ничего, кроме удовлетворения нашей любознательности.

Важны, стало быть, лишь потребности реальные, практические, материальные, а не простая любознательность.

Максвелл думал иначе:

Не потому, что мы химики или физики, нас притягивает к сути всего материально сущего, а потому, что все мы принадлежим к роду человеческому, наделенному стремлением все глубже и глубже проникать в природу вещей.

О том же сказал Андрей Сахаров: «Из любопытства выросла фундаментальная наука». И первой ее целью назвал ее саму: «Наука как самоцель, отражение великого стремления человеческого разума к познанию. Это одна из тех областей человеческой деятельности, которая оправдывает само существование человека на земле». И лишь второй целью назвал практическое значение науки.

Быть может, с философской точки зрения, все это и неверно, но физики, пожалуй, лучше знают, что движет ими в исследовательской работе. Стоит напомнить: Максвелл и Сахаров не были чистыми теоретиками. Первой научной проблемой, за которую взялся Максвелл, было восприятие цвета, и результатом его исследований стала первая в истории цветная фотография. Научно-техническая карьера Сахарова началась с изобретения прибора по магнитному контролю качества, а первую славу ему принесло изобретение термоядерной бомбы и термоядерного реактора.

Философ О. Конт ничего не открыл и не изобрел в науке и технике, а, строя свою научную и последнюю философию, считал, что с наукой в общем-то уже все ясно и пора подводить философский итог всем наукам. Серьезных нерешенных проблем он не видел, а мелкими вопросами философу заниматься не к лицу. Не упомянул он, в частности, линии Фраунгофера, открытые за 20 лет до основания «позитивной философии». А ведь странные темные линии в солнечном спектре говорили нечто о Солнце, пусть пока и непонятное. Можно было думать, что, расшифровав эти линии, физики узнают нечто о составе этого небесного тела. И тогда философский прогноз непознаваемости не был бы так смешон для нынешних читателей.

По мнению философа, наука работает просто. «Со времен Бэкона, — напомнил он, — все здравые умы повторяли, что не может быть никакого реального знания кроме как на основе наблюдаемых фактов». А добывает реальное знание наука, «изучая законы явлений, т. е. неизменяемые отношения их последовательности и сходства, для чего использует рассуждения и наблюдения, надлежаще соединенные. Объяснение фактов — это просто установление связи между отдельными явлениями и некоторыми общими фактами, число которых постоянно уменьшается по мере прогресса науки».

Вот и все. И никаких чудес. Вспоминаются слова Эйнштейна о позитивистах, «гордых тем, что не только избавили этот мир от богов, но и разоблачили все чудеса».

Фрэнсис Бэкон, конечно, был прав, подчеркивая наблюдательную основу естествознания. И дважды прав в ту эпоху, когда царила аристотелевская «словесная» наука. Но свести науку к наблюдениям — подобно тому, чтобы свести балет к упражнению мышц. Кроме наблюдений, в фундаментальной физике необходим талантливый человек, который, размышляя над опытами, иногда — чудесным образом — изобретает понятия, прямо не наблюдаемые, но позволяющие связать опытные факты.

Так Галилей «изобрел» пустоту, а Ньютон — всемирное тяготение. Так была «изобретена» молекула, хоть и с древнеатомной подсказкой.

Следующее чудо совершил Максвелл, изобретя электромагнитное поле.

Электричество, магнетизм и электромагнетизм

Слово «электромагнитный» возникло в 1820 году, за 10 лет до рождения Максвелла, когда датский физик Эрстед обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями. Делая опыт с электрическим током, он заметил, что магнитная стрелка, случайно оказавшаяся рядом, слегка поворачивается при включении и выключении тока. То, что новое явление открыл именно Эрстед, — случайность, но само открытие было долгожданным. Впрочем, не так уж и долго — около трех десятилетий. А сами электрические и магнитные явления были известны уже более двух тысячелетий, и ничто не указывало на их связь. Они совершенно непохожи. Электричество возникало при натирании, например, янтаря мехом, а магнитным свойством обладали некоторые «камни».

За три десятилетия до открытия Эрстеда в изучении электричества и магнетизма произошло важное событие — появились количественные законы. Французский физик Кулон измерил силу, действующую между двумя электрическими зарядами, и силу, действующую между двумя магнитными зарядами-полюсами. Оказалось, что два эти закона одинаково определяют притяжение и отталкивание соответствующих зарядов, что намекало и на какую-то общность двух разных явлений. Намек оправдался в 1820 году, когда Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнит. Следовало найти закон, как это действие зависит от силы тока и от расположения магнита.

Следующий шаг сделал французский физик Ампер. Он обнаружил, что магнит действует на ток, а ток, идущий по проволочной спирали, действует как постоянный магнит. Отсюда он сделал вывод, что никакого магнетизма, в сущности, нет, что каждый магнит — это множество внутренних круговых токов, скажем, молекулярного масштаба. Приняв эту новейшую идею, знакомый уже нам философ О. Конт назвал электрологией всю область электрических и магнитных явлений.

Придумать название области проще, чем открыть законы, управляющие ею. Закон взаимодействия двух токов удалось сформулировать, но был он гораздо сложнее закона Кулона и никак с ним не связан. Получалось, что неподвижные заряды взаимодействуют по одному закону, а начиная двигаться — по другому.

Еще одна странность была в том, что закон Кулона в точности повторял закон всемирного тяготения с тем лишь отличием, что тяготение — всегда притяжение, а в электричестве и магнетизме бывает еще и отталкивание. Взаимодействие токов напоминало гравитацию своим действием на расстоянии. Иначе и быть не могло: все находились под впечатлением великих успехов Ньютона.

Сам-то Ньютон, размышляя над движением планет, принял дальнодействие отнюдь не с легким сердцем. Не зря с этой идеей конкурировала очень наглядная вихревая гипотеза — идея близкодействия. Видя на ровной поверхности реки крутящуюся щепку, резонно думать, что в данном месте водоворот, который и движет щепку. Аналогично, видя вращение планет, предполагали, что в пространстве вокруг Солнца вихри чего-то невидимого несут с собой все планеты. На роль источника такого небесного вихря претендовало Солнце, вращение которого обнаружил еще Галилей. А саму невидимую материю называли «эфир» — аристотелевское слово для небесного материала. Оставалось выяснить законы эфирного движения. Главным автором вихревой идеи был Рене Декарт — великий французский математик, физик и философ.

Несколько десятилетий Британию и континент разделяло, помимо пролива Ла-Манш, еще и различие в представлениях о причинах планетного движения. Наука Британии приняла не наглядный, но точный закон всемирного тяготения, а наука континентальной Европы надеялась найти наглядное вихревое объяснение. Бесплодность этих надежд и плодотворность не-наглядного закона сделали свое дело, отправив невидимые вихри в архив истории.

Полтора века спустя, ко времени Максвелла, континентальные физики, став бо́льшими ньютонианцами, чем сам Ньютон, искали законы электричества и магнетизма лишь в Ньютоновых рамках. Они готовы были как угодно усложнять законы, лишь бы не выйти за эти проверенные рамки.

Самой впечатляющей проверкой стало открытие планеты Нептун в 1846 году — открытие почти чисто теоретическое, как говорилось, на кончике пера. «Почти», потому что путь к открытию начался с малых нестыковок наблюдений и теории. Планета Уран двигалась не совсем так, как ей полагалось. Тогда астрономы предположили, что причина нестыковок — неизвестная планета, своим притяжением сбивающая Уран с «пути истинного». За дело взялись астрономы-теоретики и, пользуясь лишь законами Ньютона, вычислили, куда надо направить телескоп, чтобы увидеть новую планету. Астрономы-наблюдатели направили и увидели!

Этот триумф ньютонианства еще более упрочил идею дальнодействия. Конечно, электричество — не гравитация, но и в «электрологии» закон Кулона и закон Ампера были законами дальнодействия.

Лишь среди соотечественников Ньютона нашлись такие, для кого наблюдаемые явления были важнее унаследованных идей. Ключевым стало новое электромагнитное явление, открытое в год рождения Максвелла. Открытие сделал Майкл Фарадей.

 

От силовых линий Фарадея до поля Максвелла

Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного британского физика и химика Г. Дэви. Начав работать его ассистентом в лаборатории Британского королевского института, через 12 лет — в 1825 году — Фарадей стал ее директором. Самоучку продвинули успехи его экспериментальных исследований.

Электромагнитные открытия 1820 года сразу привлекли внимание Фарадея, и уже в следующем году он написал исторический обзор электромагнетизма, повторив все важнейшие опыты. А попутно придумал, как сделать, чтобы провод с током вращался вокруг магнита.

Его главное открытие не было случайным: с 1824 года он пытался получить электрический ток в проводе при помощи магнита или тока в другом проводе. В 1831 году (год рождения Максвелла) 40-летний экспериментатор обнаружил, что движение магнита порождает ток в проводнике. Он не просто в своих опытах обнаружил новое явление, но и открыл закон этого явления — закон электромагнитной индукции.

Помог ему недостаток знаний математики и тогдашней теории электричества и магнетизма, держащей себя в рамках дальнодействия. Для формулировки закона Фарадей придумал свой собственный язык, где главным стало понятие «силовых линий». Эти линии он видел своими глазами. И каждый может увидеть, если насыплет железные опилки на лист картона, а снизу поднесет магнит. Линии, вдоль которых опилки выстраиваются и которые Фарадей назвал силовыми, показывают направление магнитной силы, а густота линий — величину этой силы. После трехмесячных исследований он пришел к выводу, что в замкнутом проводнике ток пропорционален изменению числа силовых линий, проходящих через контур проводника в единицу времени.

Опыт Фарадея немедленно повторили физики разных стран и убедились, что он действительно открыл новое явление. Но его самодельный язык не приняли и стали искать «более научный». По словам Максвелла, полвека спустя, «теоретики, забраковав фарадеевский язык, так и не придумали никакой иной, чтобы описать явление, не вводя гипотезы о вещах несуществующих, как, например, токи, которые вытекают из ничего, затем текут по проводу и утекают опять в ничто».

В таком состоянии была наука об электромагнетизме, когда за нее взялся 24-летний Максвелл. В самодельных понятиях Фарадея он увидел больше, чем в изощренных математических построениях континентальных теоретиков:

Введенные Фарадеем понятия «силовое поле», «силовые линии», «индукция» выражают его подход к науке: тщательное наблюдение избранных явлений, исследование полученных представлений и, наконец, изобретение понятий, приспособленных для обсуждения этих явлений. Огромная роль Фарадея в науке об электромагнетизме может вызвать сомнение, поскольку эта наука приняла математическую форму еще до Фарадея, который вовсе не был математиком. В его описаниях не найти дифференциальных и интегральных уравнений, которые многим кажутся сутью точной науки. В трудах Пуассона и Ампера, вышедших до Фарадея, или Вебера и Неймана — после него, каждая страница пестрит формулами, ни одну из которых Фарадей не понял бы.

Максвелл, однако, прекрасно понимал, что все эти формулы лишь развивали методы Ньютона и вовсе не исчерпывали возможности математического языка, на котором написана Книга Природы:

То, как Фарадей с помощью своей идеи силовых линий описал явление электромагнитной индукции, доказывает, что он был мощным теоретиком, у которого можно черпать плодотворные методы.

Первая работа Максвелла по электромагнетизму «О силовых линиях Фарадея» начинается так: «Нынешнее состояние науки об электричестве кажется особенно неблагоприятным для теории». Действительно, законы некоторых электрических и магнитных явлений, выведенные из экспериментов, были выражены математически, но не связаны между собой, хотя в поведении зарядов, токов и магнитов взаимосвязь проявлялась.

Чтобы овладеть этой наукой, — пишет Максвелл, — надо узнать такой объем сложнейшей математики, что простое удержание его в памяти существенно мешает продвижению. Первым делом поэтому надо упростить результаты предыдущих исследований и свести их к форме, которую можно охватить.

Максвелл, очевидно, верил в выполнимость этой задачи, но одной лишь веры для успеха мало. Почему путеводную идею Максвелл усмотрел в подходе Фарадея, логически не объяснить: подобный выбор пути обычно делает интуиция. Можно лишь указать факторы, которые помогали Максвеллу.

Прежде всего он слишком хорошо понимал Ньютонову физику и область ее применимости, чтобы надеяться на ее всемогущество. Ему были понятны слова Ньютона, который казался себе «ребенком, нашедшим пару камешков покрасивее на берегу океана нераскрытых истин». Перед Максвеллом была одна из таких нераскрытых истин — электромагнетизм.

Фарадеевское понятие силовой линии не только позволило описать явление электромагнитной индукции — оно указывало на новый характер взаимодействия. Силовые линии, увиденные Фарадеем с помощью железных опилок, не зависели от размера опилок. Мысленно уменьшая этот размер до нуля, получим свойство в данной точке пространства в данный момент времени. Но свойство чего? Исчезающие опилки напоминают улыбку Чеширского кота, который — по воле Льюиса Кэрролла — таял в воздухе, оставляя лишь свою улыбку.

Десять лет спустя Максвелл, как и нынешние физики, сказал бы: «Свойство электромагнитного поля». Десять лет ему понадобились, чтобы выработать точный — научный — смысл этого понятия, использованного в заглавии его работы 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля».

О «магнитном поле» говорил еще Фарадей, но у него «поле» — слово обыденного, ненаучного, языка, синоним понятий «область», «сфера» (чего-либо). Выражение Фарадея означало просто «область пространства, где действуют магнитные силы». Так в русском языке говорят о «поле зрения» и «поле действия». В английском — «поле» применяется еще шире, скажем, «область физики» переводится с участием слова «field» — «поле».

Максвелл также начинал с обыденного смысла этого слова. Он искал закон взаимосвязи электрических и магнитных свойств в каждой точке «поля действия электромагнетизма» — искал закон, переходящий в частных случаях в известные законы Кулона, Ампера, Фарадея. Максвелл не знал, что не хватает еще одного закона, который ему предстоит открыть.

Свойств в каждой точке четыре: электрическая и магнитная силы, заряд и ток. Столько же должно было быть и взаимосвязей, или, на математическом языке, уравнений. Тот, кто видел четыре лаконичных уравнения Максвелла в нынешних учебниках:

очень удивится, заглянув в статьи Максвелла 1855, 1861 и 1865 годов, в которых тот прошел путь к своим уравнениям. В каждой статье более полусотни страниц. И удивительное различие материала. В первой статье механизм поведения силовых линий представлен движением невесомой и несжимаемой жидкости. Во второй — появляются в огромном количестве некие «молекулярные вихри» и две «эфирные среды», в которых происходят электромагнитные и световые явления. В третьей статье уже никаких вихрей, два эфира совпадают, а свет назван электромагнитным явлением.

Непоследовательность? Максвелл объяснил свой метод исследования в самом начале поиска — в статье 1855 года. Выбрав отправной точкой идеи Фарадея, Максвелл сравнил два метода — «чисто математическое формулирование или физическая гипотеза»: в первом случае теряется физическая природа явления, во втором явление рассматривается через узкий окуляр избранной гипотезы. И Максвелл избрал третий путь — «офизичить» математическое описание с помощью подходящих физических аналогий, делая математический язык более наглядным, но не привязывая себя к этим аналогиям намертво и сохраняя свободу в поиске адекватного описания. Речь шла об иллюстрациях, помогающих воображению без претензий на раскрытие сути явления. Такой метод позволял переходить с одного уровня описания на другой без необходимости объяснять все причины перехода. Ведь кроме объективно-уважительных причин действуют субъективно-интуитивные, которые и самому исследователю не всегда понятны.

По словам Эйнштейна, понятия так же нельзя вывести из опыта чисто логически, как «невозможно построить дом без использования лесов, которые сами вовсе не являются частями здания».

Такими лесами у Максвелла были потоки несжимаемой жидкости, силовые линии, молекулярные вихри, две эфирные среды. Построив здание теории электромагнитного поля, или электродинамики, леса он удалил. Почти все. Осталась единая эфирная среда, еще несколько десятилетий помогая воображению физиков, хоть в уравнениях Максвелла никакие ее свойства не участвовали.

Эфир можно сравнить с ненаблюдаемым Чеширским котом, у которого кроме видимой улыбки есть еще и слышимый голос. Наблюдатель может искать взаимосвязь между шириной улыбки и характером звуков — от нежного «муррр» до недовольного шипения. Такая взаимосвязь не нуждалась бы в наличии самого кота, хотя в поиске закономерности пушистый образ мог бы и пригодиться.

Подобные сравнения строгий читатель сочтет неуместными, поскольку речь идет об одном из величайших достижений в истории физики.

Не до шуток, вероятно, и тому читателю, кто настороженно ждет, не связано ли это достижение с чем-нибудь библейским. Спешу успокоить: никаких свидетельств такого рода Максвелл не оставил. И предлагаю читателям самим решить, можно ли подобным свидетельством посчитать отношение к уравнениям Максвелла его младшего современника и сподвижника в статистической физике Больцмана, который свои чувства по поводу уравнений Максвелла выражал строками «Фауста»:

Атеист Больцман, похоже, мог поблагодарить Всевышнего за помощь Максвеллу в изобретении понятия поля и в открытии с помощью этого понятия системы законов электромагнетизма.

Не менее сильные чувства испытывали фундаментальные физики следующего поколения.

Макс Планк причислил успех Максвелла к «величайшим триумфам человеческого стремления к познанию», к «наиболее удивительным свершениям человеческого духа» и к проявлениям того, «что между законами природы и законами духа имеются какие-то очень тесные связи».

Эйнштейн подытожил проще, но не менее сильно: «Одна научная эпоха закончилась и другая началась».

В эпоху Максвелла и при его прямом участии произошло объединение физики, до того состоявшей из весьма автономных частей: механика, теплота и оптика. Статистическое объяснение теплоты объединило ее с механикой, а оптика оказалась проявлением электромагнитных сил. Но подлинно эпохальную роль Максвелл сыграл в том, что фундамент физики был впервые капитально перестроен. Величественное здание, заложенное Галилеем и возведенное Ньютоном, вместило новую физику молекулярно-тепловых явлений, но оказалось тесным, чтобы вместить — без перестройки — физику электромагнетизма.

 

Глобальное электромагнитное объединение

Из достижений Максвелла физиков более всего поразило раскрытие электромагнитной природы света — древнейшего, важнейшего и общедоступного физического явления, ничем не напоминавшего электричество и магнетизм.

Первый намек увидел Фарадей, обнаружив в 1845 году, что магнитное поле влияет на свет. К тому времени уже было известно, что свет — это волны, то есть распространение колебаний, и что колебания эти поперечны: происходят поперек направления распространения. Считалось, что колеблется «светоносный эфир» — незаметная среда, похожая, однако, на твердые тела, в которых лишь и бывают поперечные колебания, а в газах и жидкостях возможны лишь продольные, как, например, звук. Из естественного света можно выделить часть, в которой колебания происходят лишь в одном направлении, — поляризованный свет. Наблюдая распространение такого света в магнитном поле, Фарадей обнаружил, что направление поляризации поворачивается, и заподозрил влияние магнитного поле на светоносный эфир.

Лишь когда Максвелл получил систему уравнений электромагнитного поля, он обнаружил, что одно из решений этих уравнений — распространение поперечных колебаний, притом со скоростью, всего на один процент отличающейся от скорости света. Максвеллу понадобилось еще несколько лет, чтобы прийти к выводу, что величина скорости, полученная из электромагнитных измерений, и величина, полученная в опытах со светом, — это два разных способа измерения одного и того же. И что свет — это частный случай электромагнитных колебаний, когда за одну секунду происходит миллион миллиардов колебаний.

Электромагнитное объяснение света было очень впечатляющим, но говорило об уже известном явлении. А предсказание электромагнитных волн самой разной частоты открывало совершенно новую область физических явлений и, главное, дало возможность проверить саму теорию, которую скептически встретили не только в Германии и Франции, где царила теория дальнодействия. Ее не принял и Уильям Томсон, самый знаменитый тогда в Британии физик, притом расположенный к Максвеллу. Одобрив промежуточную теорию Максвелла, основанную на молекулярных вихрях, Томсон в штыки встретил то, что Максвелл убрал эти вихревые леса, оставив свои уравнения без объяснения.

За проверку взялся германский физик Генрих Герц, имевший свои причины сомневаться в Максвелловой теории. Заставить электрический заряд делать миллион миллиардов колебаний в секунду и проверить, появится ли свет, было задачей невыполнимой, но проверить теорию можно было и колебаниями гораздо меньшей частоты.

Электромагнитные колебания в проводной цепи к тому времени уже исследовали экспериментально и поняли теоретически. Началось все с эффектного опыта германского физика Беренда Феддерсена, показавшего, что электрическая искра, или разряд, — это на самом деле очень быстрый колебательный процесс. Период колебаний определяется свойствами проводной цепи, как следовало из тогдашней электромагнитной, до-Максвелловой, теории, обходящейся без понятия поля.

Одно дело — колебания в проводной цепи, совсем другое — распространение колебаний без проводов из одной цепи в другую. Герц придумал, как создать сильные электромагнитные колебания и как обнаружить их с помощью так называемого осциллятора Герца. Это петля из проводника с маленьким разрывом, в котором проскакивает искра, с периодом колебаний в миллиард раз больше световых. В 1888 году Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, подтвердив их свойства, аналогичные свету.

Тогда, собственно, и началась эпоха Максвелла, десять лет спустя после смерти 48-летнего физика — величайшего физика всех времен и народов, если оценивать науку с чисто практической точки зрения. Сам Максвелл как фундаментальный теоретик, конечно, так на науку не смотрел. Но век спустя Ричард Фейнман на лекции по электромагнетизму сказал студентам:

Когда из будущего, скажем, через десять тысяч лет, будут смотреть на историю человечества, самым значительным событием в девятнадцатом веке несомненно сочтут открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого научного открытия Гражданская война в Америке в том же десятилетии поблекнет до периферийной незначительности.

Так Фейнман отозвался на столетний юбилей этих двух событий. История не знает, что было бы, победи в той войне рабовладельческие Южные штаты, но, если сравнивать роли разных научных открытий в мировой истории, первенство электродинамики Максвелла вполне вероятно.

Мощная роль техники в европейской истории Нового времени проявилась еще в «век пара», который начался в восемнадцатом столетии и длился около двухсот лет. Однако главный тогдашний инструмент прогресса — паровой двигатель — возник не из физических исследований. Физики подключились к его совершенствованию лишь много позже.

Зато следующий инструмент прогресса, давший имя «веку электричества», подсказан именно физикой. Из опытов с электрическими зарядами возникла идея передавать сигнал между пунктами, соединенными проводом. Открытие магнитного действия токов добавило возможностей инженерам-изобретателям, и в 1830-е годы были созданы несколько типов электромагнитного телеграфа. Тридцать лет спустя телеграфные линии связали развитые страны Европы и Америки, в 1870 году только в США было послано более 9 миллиардов телеграмм, а к началу двадцатого века телеграф связал практически весь мир.

Особо драматичным этапом стала прокладка трансатлантического кабеля в 1856–1866 годах. Научным руководителем этой работы был Томсон, удостоенный за свои достижения дворянского звания, а затем и титула лорда. Время прокладки подводного кабеля совпало с работой Максвелла по созданию теории электромагнитного поля. А Томсон все электромагнитные расчеты делал на основе предыдущих — частичных — законов электромагнетизма, то есть обошелся без теории Максвелла. Дело в том, что Томсон имел дело с проводными цепями и с полями, меняющимися медленно. Ему под силу была задача об электромагнитных колебаниях в замкнутой цепи, но не распространение колебаний в пространстве — электромагнитные волны. Это явление без теории Максвелла понять невозможно.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в опытах Герца стало событием не только в истории науки, но и в мировой истории, о чем сам Герц не подозревал. Его можно понять. Он с трудом довел чувствительность своей экспериментальной установки до еле уловимой величины. И ему, фундаментальному физику, трудно было разглядеть в своей установке новый тип телеграфа, не требующего проводов, а тем более — радиопередатчик и радиоприемник.

Для этого нужны были глаза инженера-изобретателя и предпринимателя, восприимчивые к новейшим достижениям науки. Такие нашлись спустя семь лет после опытов Герца, когда Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии изобрели радиотелеграф. Оба использовали новый приемник колебаний, более чувствительный, чем был у Герца, — стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками. Этот новый «радиоприемник», изобретенный во Франции в 1890-м, усовершенствовали в Англии в 1894 году.

Отсюда ясно, насколько стремительным и международным стало развитие науки в эпоху Максвелла, в эпоху электромагнетизма. Люди науки и техники осознавали это уже тогда, о чем говорит текст первой радиотелеграммы Попова: «ГЕНРИХ ГЕРЦ». Если бы не стремление к телеграфной краткости, Попов наверняка помянул бы и Максвелла. Ведь именно труды Максвелла, объединив электричество, магнетизм и оптику в стройное целое, предопределили глобальную связь людей в единое человечество. Электромагнитные волны сделали возможными телевидение и интернет, что увеличило потоки информации в миллионы раз. Ныне один компьютер получает и передает сведений больше, чем вся почта и телеграф во времена Попова и Маркони. И конкурентов электромагнитной связи не видно. А значит, не видно конца и эпохе электромагнетизма в мировой истории.

В истории науки эпоха Максвелла длилась всего несколько десятилетий. На смену ей пришли почти одновременно две эпохи, начатые открытиями Планка и Эйнштейна. Максвелл дал им не только исходную теорию, но и поучительный пример. Решая поставленную перед собой проблему, он ввел в физику первое после Ньютона новое фундаментальное понятие.