Страница 47 из 51
Герц исходил из того, что теория, охватывающая электрические и магнитные явления, происходящие в движущихся телах, не должна противоречить механике Ньютона. Это значит, что ее следует строить так, чтобы она удовлетворяла принципу относительности. (Речь идет о принципе относительности Галилея, единственном принципе относительности, известном в то время.)
С другой стороны, теория, справедливая для тел, движущихся произвольно, и ее уравнения должны, при уменьшении скорости движения до нуля, переходить в теорию и уравнения Максвелла.
Герц избрал самый простой путь. Он временно отказался от рассмотрения оптических явлений. Вероятно, он интуитивно чувствовал, что при околосветовых скоростях возникают осложнения. Может быть, он проводил прикидочные оценки. Он не писал об этом.
Для того, чтобы уравнения Максвелла сохраняли свой вид и в движущихся телах, Герц предположил, что эфир, находящийся внутри тела, полностью увлекается им. Иными словами, эфир, находящийся внутри материального тела, перемещается вместе с ним.
Если не сделать этого предположения, то возникает неприемлемая, с точки зрения Герца, ситуация: невозможно одновременно удовлетворить принципу относительности Галилея и осуществить переход к уравнениям Максвелла для покоящихся тел.
Уравнения, написанные Герцем с учетом полного увлечения эфира, удовлетворяют не только принципу относительности Галилея, но сохраняют свой вид при любом ускорении и вращении тела.
Казалось, что поставленная цель достигнута. Но Герц обнаружил, что при попытках применения полученных им уравнений к оптическим явлениям в движущихся телах, получались результаты, противоречащие опыту.
Аналогичная проблема возникала и раньше в механической теории эфира. Френель считал эфир неподвижным, а все материальные тела движущимися сквозь эфир или неподвижными. Но после того, как был проведен опыт Физо, позволивший обнаружить изменение скорости света в движущейся жидкости, Френель был вынужден ввести гипотезу о частичном увлечении эфира движущимся веществом.
Трудности возникали и при толковании опытов, имевших целью обнаружить влияние движения Земли на оптические явления. Все опыты давали отрицательные результаты. Это побудило Стокса предположить, что светоносный эфир полностью увлекается Землей и участвует в ее движении.
Таким образом, гипотеза Герца по отношению к эфиру Фарадея-Максвелла аналогична взглядам Стокса на свойства механического эфира, взглядам, не выдержавшим проверку опытами.
Возникали и другие трудности. Если рассмотреть два тела, движущиеся одно относительно другого, то, следуя Герцу, придется считать, что так же должны двигаться и части эфира, находящиеся внутри них. Но тогда нужно придумать еще одну гипотезу о том, как эти части эфира взаимодействуют с эфиром, находящимся внутри неподвижных тел или в пустоте, где есть эфир, но нет никаких тел.
Может быть, эфир ведет себя подобно воде, заключенной в порах губки? При движении губки в воде эта часть воды движется вместе с ней. Но далее нужно решить, как ведет себя вода по мере удаления от губки.
Возможны два варианта. Вода (эфир) ведет себя как вязкая жидкость, как подобие киселя или меда. Тогда скорость ее движения плавно уменьшается при удалении в толщу неподвижной воды. Но если вода (эфир) обладает нулевой вязкостью, то скорость падает скачком. Вода (эфир) остается неподвижной уже на внешней поверхности губки.
Попытка поставить этот вопрос представляет шаг назад по сравнению с теорией Максвелла. Ведь возникает вопрос о механических свойствах эфира, которому теория Максвелла сохраняет только одно свойство — передавать электрические и магнитные взаимодействия, допускать распространение электромагнитных волн…
Но это лишь одна из трудностей. Ведь к тому времени уже было твердо установлено, что внутри различных прозрачных веществ свет распространяется с различными скоростями, но все они меньше скорости света в пустоте. Сразу возникает вопрос о том, как прозрачные вещества взаимодействуют с эфиром, неподвижным внутри них? Почему существуют непрозрачные вещества? Почему заключенный в них эфир не способен переносить свет? Возникают новые вопросы. Ответ на них требует новых гипотез.
Это гипотезы того рода, с которыми боролся Ньютон. Гипотезы, придуманные для объяснения единичного опыта. Гипотезы, порождающие необходимость новых гипотез.
Герц отлично сознавал эту трудность. Поэтому он исключил оптические явления из сферы применимости своей теории. Он писал, что гипотеза увлечения эфира прозрачными телами — лишь временный шаг. Что в будущей теории нужно учитывать различие в движении тел и заключенного в них эфира; что гипотеза увлечения будет отброшена.
Герц не дожил девяти лет до появления этой теории. Речь о ней впереди.
Генрих Рудольф Герц скончался 1 января 1894 года на тридцать седьмом году жизни, в самом расцвете творческих сил. Можно только гадать, каких прозрений мог бы достичь этот незаурядный ум.
ВТОРОЙ ПУТЬ. ЛОРЕНЦ В ТОМ ЖЕ ТУПИКЕ
Второй путь продолжил Г. А. Лоренц. Его вклад в науку столь значителен, что с ним следует познакомиться поближе.
Он родился 15 июля 1853 года в Арнеме, главном городе голландской провинции Гельдерланд. Поздно начал говорить, что вызывало беспокойство родных, был спокойным мальчиком и не отличался крепким здоровьем. Родители напрасно беспокоились о его умственном развитии. Поступив в школу в шестилетнем возрасте, он быстро стал лучшим учеником.
Окончив школу в 1866 году, Лоренц поступил сразу в третий класс первой из открытых в Арнеме высших гражданских школ, близких по программе к классической гимназии. В классе было всего три ученика. Преподаватели оказались превосходными, о чем позже с удовольствием вспоминал Лоренц.
Он и его одноклассники постоянно думали и говорили о науках. Окончив школу, Лоренц и один из его одноклассников Г. Хага решили поступить в Лейденский университет. Шел 1870 год. Лоренц с успехом сдал экзамены и был принят. Хага не выдержал экзамена и поступил в университет в следующем году.
Это время стало для восемнадцатилетнего Лоренца решающим. Относясь с большой серьезностью к изучению физики и математики, он, в отличие от большинства студентов, интенсивно работал в библиотеке. Там он натолкнулся на статьи Максвелла. Они привлекли его ясной постановкой задачи и очень сложным математическим анализом. Задача увлекала своей глубиной, а математические трудности бросали вызов самолюбию.
Статьи Максвелла были столь сложными, что ими не интересовались не только студенты, но и профессора университета. Многие из журналов с этими статьями лежали в нераспечатанных пакетах.
Настойчивые размышления сделали Лоренца одним из немногих, постигших новаторское содержание статей Максвелла. Для того, чтобы достичь нужного уровня понимания, ему пришлось проштудировать статьи Гельмгольца — сторонника дальнодействия, Френеля — создателя волновой теории света, основанной на упругом эфире, и Фарадея, на которого ссылался Максвелл, развивая его взгляды на электрическое и магнитное поля, как на натяжения в особом — электромагнитном эфире.
В ноябре 1871 года Лоренц сдал с отличием экзамен на степень магистра. Уровень его математической подготовки был столь высоким, что оценку «отлично» по математике он получил несмотря на то, что, как выяснилось позже, профессор ван Геер спрашивал Лоренца по программе докторского экзамена.
В феврале 1872 года Лоренц уехал из Лейдена, чтобы дома самостоятельно готовиться к докторским экзаменам. Он возвратился в Арнем и получил место учителя вечерней школы. Ему пришлось не только зарабатывать на жизнь, но и помогать отцу.
Лоренц оборудовал домашнюю физическую лабораторию, где изучал, главным образом, электрические, магнитные и оптические явления. Иногда он пользовался и лабораторией школы. Товарищ Лоренца по университету Г. А. Михаэлис вспоминал, что Лоренц пытался этими опытами подтвердить теорию Максвелла; в правильности этой теории он не сомневался.