Такова очень приблизительная и упрощенная реставрация процесса установления Фарадеем явления электромагнитной индукции.
Объяснение явления электромагнитной индукции, а также рассмотрение электрических и магнитных процессов, которые происходят в веществе под влиянием заряженных тел и магнитов, привели Фарадея к выдвижению идеи близкодействия, реализовавшейся в конце концов в идее существования поля.
Проследить ход мыслей Фарадея, а тем более просто и доступно изложить его нелегко, поэтому ограничусь лишь упрощенным изложением его окончательных идей.
Почему Фарадей в отличие от всех своих предшественников встает на позиции близкодействия? До него все внимание исследователей было обращено на силы, с которыми взаимодействуют заряды и токи, а не на процессы, происходящие в разделяющей среде. Фарадей же первым тщательно изучил процессы, происходящие в веществе под влиянием зарядов, магнитов и токов. Он рассматривал электрическую индукцию в проводниках и поляризацию диэлектриков. До него диэлектрик считался пассивным агентом, удерживающим электричество в проводниках. Фарадей же обратил внимание на роль среды (он, например, обнаружил зависимость емкости конденсатора от рода диэлектрика). Почему на поверхностях проводника и диэлектрика под влиянием заряженного тела возникают заряды противоположного знака? Ученый объяснил это тем, что под влиянием заряженного тела в веществе происходит поляризация, своеобразное разделение зарядов в частицах, ближайших к наэлектризованному телу (как это действительно происходит в диэлектриках с неполярными молекулами). Поляризованные частицы подобным же образом поляризуют смежные с ними, так что в среде происходит процесс передачи электрического действия, распространяющийся постепенно от точки к точке. Подобным же образом происходит по Фарадею и процесс намагничивания. До Фарадея магнитными материалами считали лишь небольшое число веществ. Фарадей обнаружил, что все вещества могут намагничиваться и магнитное действие, подобно поляризации, постепенно передается от одной частицы среды к другой.
Итак, передача электрического и магнитного действия в веществе есть процесс не мгновенный, а длящийся некоторое время.
Вот она первоначальная концепция близкодействия!
Фарадей вводит понятие о силовых линиях. Пока речь идет об электродинамических процессах в веществе, Фарадей рассматривает силовые линии как формальные линии действия силы, а не реальные образования. Как же передается действие силы в вакууме? “Может быть, позволительно предполагать здесь, как и в других областях, гипотетический эфир?” И считая пространство заполненным особой средой – эфиром, Фарадей рассматривает силовые линии как материальные образования, подобные резиновым жгутам, находящимся в натянутом состоянии. Понятие силовых линий позволяет ему более определенно сформулировать закон электромагнитной индукции: “Количество электричества, вовлеченное в движение, прямо пропорционально количеству пересеченных линий”, т.е. ЭДС индукции возникает лишь тогда, когда проводник пересекает силовые линии.
Создается впечатление, что Фарадей представлял себе вовлечение в движение электрической жидкости в проводнике как процесс, вызванный действием реальных образований (линий) на электрическую жидкость в проводнике. Взаимодействие зарядов он рассматривал как процесс, обусловленный взаимодействием находящихся в состоянии натяжения линий, которые в случае разноименных зарядов, стремясь выпрямиться, стягивают заряды, в случае одноименных зарядов отталкиваются друг от друга как упругие жгуты, обеспечивая отталкивание самих зарядов (вспомним спектры соответствующих полей).
Представление о силовых линиях как реальных образованиях имеющихся и в вакууме, и в веществе, позволяло просто и наглядно объяснить многие явления. В частности, известный опыт Араго (вращение металлического диска за счет вращения рядом расположенного магнита) получил простое объяснение: силовые линии вращающегося магнита воздействуют на электрическую жидкость в диске и как упругие образования вызывают его вращение.
Впрочем, не следует переоценивать роль этих наглядных моделей-образов. Фарадей прекрасно понимал условность этих моделей и не считал эти представления законченными и единственно возможными. В ходе последующего развития науки Фарадеевское представление о силовых линиях как реальных образованиях в эфире было отброшено, но существо его идей получило полное признание. По Фарадею, электромагнитное взаимодействие зарядов и токов обусловлено процессами, происходящими в окружающей их среде вне зависимости от того, вакуум это или вещество. В обоих случаях есть некий посредник, окружающий заряды и токи и обеспечивающий их взаимодействие. Является ли им эфир, в котором имеются силовые линии как реальные объекты, или это какое-то другое образование, Фарадей не предрешает и не высказывает окончательных суждений, предоставляя потомкам решить этот сложный вопрос.
Реальность силовых линий у Фарадея во многом связана с тем, что эти линии (во всяком случае для магнитного поля) не есть прямые. Ведь в концепции ньютоновского дальнодействия силы носят центральный характер, т.е. действуют по прямым, соединяющим взаимодействующие тела. Обнаружение того, что линии действия электродинамических тел есть кривые, и наводит Фарадея на мысль, что это не просто формальные изображения линий действия сил, а реальные образования.
Итак, распространение электрических и магнитных действий происходит как процесс, осуществляющийся в среде и требующий времени; электрические и магнитные возбуждения могут существовать независимо от источника и приемника. Более того, Фарадей высказывает догадку, что это распространение действия осуществляется волнообразно. В 1832 г. в разгар исследований по электромагнитной индукции Фарадей подготовил письмо о своих взглядах на проблему электромагнитного взаимодействия, закрепляющее его приоритет. В этом письме, которое обнаружили через 100 лет, Фарадей пишет: ”На распространение магнитного воздействия требуется время... Я полагаю, что и электрическая индукция распространяется таким же образом..., что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям... и к электрической индукции”.
Итак, пусть Фарадей не сформулировал четко понятие поля, но суть всех его воззрений сводится к тому, что все взаимодействия осуществляются посредством особой материальной среды, передающей за конечное время процесс взаимодействия зарядов и токов. А это и значит, что Фарадей, по сути дела, ввел в физику идею поля, превратив заряды и токи из главных действующих лиц на арене электромагнитного взаимодействия во вспомогательные и передав главные роли среде, считая, что “материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею”. Но лучше всего об этом сказал Максвелл: “Фарадей своим мысленным взором видел линии сил, проходящие через все пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающихся на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей видел источник явлений в реальных процессах, происходящих в среде. Они же были удовлетворены тем, что нашли его в действующей на расстоянии силе, приложенной к электрическим флюидам”.
А теперь несколько слов о том, как Фарадей жил и каким он был человеком.
Фарадей родился в семье лондонского кузнеца и, как пишет его биограф, “вырос среди людей, принадлежащих к обширному классу, живущему тяжелейшим физическим трудом, в условиях, в которых он мог получить лишь немного духовной пищи“. К 13 годам он закончил свое официальное образование в школе, так как надо было работать. Трудовой путь он начинает учеником в книжной лавке, при которой была и переплетная мастерская. Будучи выходцем из среды простых рабочих людей, он до конца жизни сохранил глубокое уважение к людям труда. Работая в книжной лавке, он много читает.
Об этих годах он пишет: “Не думайте, что я был глубоким мыслителем или отличался ранним развитием. Верил столько же в “Тысячу и одну ночь”, сколько в “Энциклопедию”. Но факты были важнее всего для меня, и это меня спасло. Факту я мог довериться; но каждому утверждению я мог всегда противопоставить возражение”. Прочитав книгу “Беседы по химии”, он проверил опытами изложенное в ней, чтобы “убедиться, что книга соответствует фактам, насколько я их понимал”. Уже в эти годы у него развивается критическое мышление и глубочайшее уважение к фактам.
Интерес к знаниям побуждает его посещать публичные лекции выдающегося физика и химика Хемфри Дэви. Естественнонаучные проблемы увлекают Фарадея, и он решает связать свою судьбу с изучением природы. Он пишет Дэви письмо с просьбой предоставить ему любую работу в лаборатории и прилагает к письму отлично переплетенные собственные конспекты прослушанных лекций Дэви. “Я желаю совершенно оставить ремесло и поступить на службу науке, которая делает своих поборников столь же добрыми, насколько ремесло – злыми и себялюбивыми”.
Дэви вначале отказывает Фарадею ввиду отсутствия вакансии и предупреждает его, что “наука – особа черствая, и она в денежном отношении лишь скупо вознаграждает тех, кто посвящает себя служению ей”. А администратор института, с которым советуется Дэви на счет просьбы Фарадея, отвечает: “Пусть моет посуду. Если что-нибудь стоит, то начнет работать. Ежели откажется, то значит никуда не годится”. Помог Фарадею несчастный случай. Взрывом колбы в лаборатории были повреждены глаза Дэви, и он не мог ни читать, ни писать, а потому решает взять Фарадея секретарем. Через некоторое время Фарадей становится лаборантом Дэви. В будущем, когда Дэви спросят о самом главном его научном достижении, он ответит: “Самым важным моим открытием было открытие Фарадея”.