Используя высокоразвитые математические методы, Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую форму. При этом он уточнил и расширил ее, превратив в завершенную теорию электродинамики.
Своими знаменитыми дифференциальными уравнениями Максвелл с высочайшей гениальностью охватил множество электромагнитных явлений. Его формулы ценятся математиками и физиками за их простоту и вызывают восхищение своей красотой. Известный австрийский физик Людвиг Больцман, говоря о них, повторил слова Фауста: «Начертан этот знак не Бога ли рукой?»
Создание Максвеллом уравнений электромагнетизма, открывших век электричества, может рассматриваться как важнейшее теоретическое достижение в истории физики за период, отделяющий теорию гравитации Ньютона от теории относительности Эйнштейна. При этом с точки зрения познания существенно, что электромагнитное силовое поле выступило на равных правах с материальной точкой – как новая форма проявления реальности.
Чисто математическим путем Максвелл пришел к выводу, что в пустом пространстве образуются электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью, соответствующей скорости света в вакууме. Он обосновал с помощью математических методов предположение Фарадея о том, что свет и электричество одинаковы по своей природе. Генрих Герц метко сравнил теорию Максвелла с мостом, который смелой дугой переброшен через широкую пропасть между оптическими и электромагнитными явлениями.
Электромагнитная теория света, сокрушившая преграду между электростатикой и электродинамикой, имела и несомненную эвристическую ценность. Она способствовала открытию новых природных явлений; к ним относятся, например, расщепление спектральных линий в излучении, испускаемом атомами под воздействием магнитных и электрических полей. Эти физические эффекты наблюдались и исследовались голландцем Зееманом и немцем Штарком, в честь которых они названы. Фарадей уже за много десятилетий до этого догадывался о такой взаимозависимости, но средства, которыми он располагал, обрекли его исследования на неудачу.
Среди физиков электромагнитная теория Фарадея – Максвелла не сразу завоевала признание. Отдельные выдающиеся исследователи, подобно Гельмгольцу и Больцману, признавали ее значение и выступали в ее защиту, но даже такой проницательный мыслитель-физик, как Густав Кирхгоф, до конца своей жизни – он умер в 1887 году – твердо придерживался старых представлений об электрической жидкости и в своих лекциях затрагивал теорию Максвелла лишь мимоходом.
Традиционные механистические представления об электричестве глубоко укоренились в сознании физиков, и до опытов Герца не существовало экспериментального доказательства правильности новой математической теории электричества.
Тем более примечательно, что Фридрих Энгельс, который с начала 70-х годов занимался как философ вопросами естествознания, тотчас признал гносеологическое значение теории Максвелла: и это в то время, когда ученые-специалисты еще спорили о ее физической правомерности.
В его набросках к «Диалектике природы» говорится, что благодаря представлению Максвелла о процессах излучения возникает новое положение в физической картине мира. «Таким образом, существуют темные световые лучи, – писал Энгельс, ссылаясь на Максвелла, – и пресловутая противоположность света и тьмы исчезает из естествознания в смысле абсолютной противоположности».
Идея дальнодействия как представление о силах, действующих непосредственно и с бесконечно большой скоростью в пространстве, также была общим достоянием физиков.
Гравитационная теория Ньютона была блестящим подтверждением мысли о дальнодействии. Расчеты планетных орбит стали ее величайшим и очевиднейшим триумфом. Позднее представление о физическом дальнодействии было подкреплено классическими трудами по небесной механике Лапласа и гауссовской теорией потенциалов.
По образцу ньютоновских законов гравитации французский физик Кулон построил закон электростатического притяжения, благодаря чему учение об электричестве стало наукой. Если здесь и добавлялись заряды противоположного знака, то основным все же оставался закон того же типа, что и закон притяжения масс. Казалось последовательным и естественным объяснять явления движущихся электрических зарядов посредством сил дальнодействия по примеру закона тяготения.
Одним из величайших достижений Максвелла было устранение из области электромагнетизма таинственных, непосредственно действующих на расстоянии сил в математически обязательной форме, после того как Фарадей опытным путем пришел к их отрицанию. Тем самым он создал предпосылки проникновения в электродинамику принципа близкодействия.
Лишь спустя более чем полстолетия этот теоретический подвиг получил равноценное воплощение в гравитационном учении Эйнштейна, которое помогло проложить путь принципу близкодействия в область тяготения и изгнало миф о силах дальнодействия из его последнего убежища.
Как это ни странно, Максвелл, будучи экспериментатором высокого класса и располагая отличным оборудованием, не попытался экспериментальным путем установить существование теоретически предсказанных им электрических волн и практически обосновать идею о единстве электромагнетизма и света. По-видимому, он также не предложил для этого никакой программы исследования. Очевидно, собственные математические доказательства были для него столь убедительны, что экспериментальное подтверждение своих выводов он считал излишним.
Лишь через десять лет после смерти Максвелла Генрих Герц экспериментальным путем получил электрические волны и доказал их качественное единство со световыми. Это доказательство одновременно с колоссальным упрощением картины природы после исключения из нее представлений об электрических силах дальнодействия создало основу для окончательной победы выдвинутого Фарадеем и Максвеллом учения об электромагнетизме и свете.
«Демон Максвелла»
В науке, как и в художественной литературе, встречаются фантастические персонажи. Пожалуй, больше всего их было вымышлено в процессе обсуждения второго начала термодинамики. Самым популярным из них стал демон Максвелла, которого придумал Джеймс Кларк Максвелл, автор знаменитой системы уравнений Максвелла, полностью описывающей электромагнитные поля. Второе начало (или закон) термодинамики имеет множество формулировок, физический смысл которых, однако же, идентичен: изолированная система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Так, газ, состоящий из молекул, движущихся с различными скоростями, не может самопроизвольно разделиться на две части, в одной из которых соберутся молекулы, движущиеся, в среднем, быстрее среднестатистической скорости, а в другой — медленнее.
Многие физические процессы относятся к категории обратимых. Воду, например, можно заморозить, а полученный лед снова растопить, и мы получим воду в прежнем объеме и состоянии; железо можно намагнитить, а затем размагнитить и т. п. При этом энтропия (степень упорядоченности) системы в начальной и конечной точке процесса остается неизменной. Есть и необратимые в термодинамическом понимании процессы — горение, химические реакции и т. п. То есть, согласно второму началу термодинамики, любой процесс в итоге приводит либо к сохранению, либо к снижению степени упорядоченности системы. Такая дисгармоничная ситуация сильно озадачила физиков второй половины XIX столетия, и тогда Максвелл предложил парадоксальное решение, позволяющее, казалось бы, обойти второе начало термодинамики и обратить неуклонный рост хаоса в замкнутой системе. Он предложил следующий «мысленный эксперимент»: представим себе герметичный контейнер, разделенный надвое газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца размером с атом газа. В начале опыта в верхней части контейнера содержится газ, а в нижней — полный вакуум.
Теперь представим, что к дверце приставлен некий микроскопический вахтер, зорко следящий за молекулами. Быстрым молекулам он дверцу открывает и пропускает их за перегородку, в нижнюю половину контейнера, а медленные оставляет в верхней половине. Понятно, что если такой мини-вахтер будет дежурить у дверцы достаточно долго, газ разделится на две половины: в верхней части останется холодный газ, состоящий из медленных молекул, а в нижней скопится горячий газ из быстрых молекул. Тем самым система упорядочится по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики будет нарушено. Мало того, разницу температур можно будет использовать для получения работы (принцип Карно). Если такого вахтера оставить на дежурстве навечно (или организовать сменное дежурство), мы получим вечный двигатель.
Этот забавный вахтер, которому остроумные коллеги ученого дали прозвище «демон Максвелла», до сих пор живет в научном фольклоре и волнует умы ученых. Действительно, вечный двигатель человечеству бы не повредил, но вот беда: судя по всему, чтобы демон Максвелла заработал, ему самому потребуется энергопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просеивая молекулы, демон и дверца не могут не вступать с ними во взаимодействие, в результате чего они сами будут неуклонно получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию, в результате чего суммарная энтропия системы всё равно уменьшаться не будет. То есть таким объяснением теоретическая угроза второму началу термодинамики была отведена, но не безоговорочно.
Первый по-настоящему убедительный контраргумент был сформулирован вскоре после зарождения квантовой механики. Для сортировки подлетающих молекул демону нужно измерять их скорость, а сделать это с достаточной точностью он не может в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Кроме того, в силу этого же принципа он не может точно определить и местонахождение молекулы в пространстве, и часть молекул, перед которыми он распахивает микроскопическую дверцу, с этой дверцей разминутся. Иными словами, демон Максвелла на поверку оказывается макроскопическим слоном в посудной лавке микромира, который живет по собственным законам. Приведите демона в соответствие с законами квантовой механики, и он окажется не в состоянии сортировать молекулы газа и просто перестанет представлять какую-либо угрозу второму началу термодинамики.
Другой веский аргумент против возможности существования демона-вахтера появился уже в компьютерную эру. Предположим, что демон Максвелла — это компьютерная автоматизированная система управления открыванием дверцы. Система производит побитовую обработку входящей информации о скорости и координатах приближающихся молекул. Пропустив или отклонив молекулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации — а это равносильно повышению энтропии на величину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона. Сам компьютер, к тому же, также греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автоматизированной пропускной системы, энтропия не убывает, и второй закон термодинамики выполняется.
