Максвелл фарадей: Сектант электротехнической революции

Сектант электротехнической революции

Если верить концепции технико-экономических волн Карлоты Перес, Фарадей родился через двадцать лет после начала первой, промышленной, технологической революции (механизация производства), уже зрелым человеком встретил вторую, связанную с паром и железными дорогами, и умер незадолго до третьей (электричество, сталь, тяжелая промышленность). Этот тот чистый случай роли личности в истории, когда мы наверняка можем сказать, что, если бы Фарадея не было, третья технологическая революция случилась бы с заметным опозданием, так как его работы по электромагнетизму, заложившие основы современной электротехники, были определяющими и уникальными. Пожалуй, ни в одном другом революционном технологическом сдвиге цивилизации нет столь четкой персонификации.

 Электродвигатель, трансформатор, генератор — все эти революционные изобретения сделал человек без особого образования, плохо знавший математику и практически не использовавший в своих трудах формул

Не менее любопытно и еще одно обстоятельство: электродвигатель, трансформатор, генератор — все эти революционные изобретения сделал человек без особого образования, плохо знавший математику и практически не использовавший в своих трудах формул. Уже значительно позже Джеймс Максвелл оформил (по его собственной скромной оценке) натурфилософские мутноватые рассуждения Фарадея в элегантную систему уравнений, однако машины третьей технологической революции к этому моменту были созданы и работали.

 В отличие от Галилея, утверждавшего, что книга природы написана языком математики, плохо знавший математику Фарадей утверждал, что на самом деле она «написана перстом Господа»

Наконец, третья удивительная вещь, связанная с творчеством Фарадея: придумывая машины третьей технологической революции, он параллельно создал современную физику. Мощь физической интуиции необразованного Фарадея даже не столько восхищает, сколько пугает. Как мог этот подмастерье переплетчика, делавший скромную карьеру лаборанта, создать одну из самых продуктивных концепций современной физики — концепцию поля? Этим же вопросом безуспешно задавались Максвелл и Эйнштейн. Некоторые историки науки считают, что необразованность Фарадея, его незашоренность, в частности ньютоновским дальнодействием, позволили ему сразу считать, что действие передается не через пустоту, а с помощью некоего «силового посредника».

Отчасти эту точку зрения разделял и сам Максвелл, замечая в своем знаменитом «Трактате»: «Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие всё пространство силовые линии там, где математики видели центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде, а они довольствовались тем, что нашли его в силе действия на расстоянии, которая прикладывается к электрическим жидкостям».

Роберт Сандеман был шотландским нонконформистским богословом. Его последователи , сандеманианцы, настаивая на буквальном прочтении Библии, утверждали целостность и взаимосвязанность всех вещей, отрицая пустое пространство

Wikipedia

Некоторые же идут еще дальше и связывают происхождение фарадеевой концепции силового поля с его принадлежностью секте сандеманианцев, которые, настаивая на буквальном прочтении Библии, утверждали целостность и взаимосвязанность всех вещей, отрицая пустое пространство. Хотя подобные размышления могут завести нас достаточно далеко, следует признать, что и семья Фарадея, и он сам всегда оставались членами этой секты, отколовшейся в восемнадцатом веке от пресвитерианской церкви Шотландии ввиду недостаточной ригоричности последней. В отличие от Галилея, утверждавшего, что книга природы написана языком математики, плохо знавший математику Фарадей утверждал, что на самом деле она «написана перстом Господа».

Продуктивный медовый месяц

Собственно научная карьера Фарадея началась после того, как известный химик и физик Гэмфрид Дэви взял его из переплетной мастерской на должность личного помощника в Королевском институте — ключевом научном учреждении империи. Дэви благоволит молодому самоучке и предлагает ему сопровождать его в длительном путешествии по европейским научным центрам в качестве камердинера. Возможно, иной амбициозный юноша счел бы такое предложение унизительным, но для члена сандеманианской секты, проповедовавшей скромность, граничащую с самоуничижением, оно показалось вполне адекватным, и полтора года Фарадей имел возможность лично общаться с научными звездами Европы.

 

 Как мог подмастерье переплетчика, делавший скромную карьеру лаборанта создать одну из самых продуктивных концепций современной физики — концепцию поля? Этим же вопросом безуспешно задавались Максвелл и Эйнштейн

Он знакомится с Ампером, уже предложившем свою гипотезу кольцевых токов, но из-за незнания математики не оценивает ее; общается с Вольтой и изучает принцип работы вольтова столба. По возвращении в Англию и повышения по службе (он начинает отвечать за работу лабораторного оборудования всего Королевского института) Фарадей приступает к собственным исследованиям, правда, начинает он с химии, и полученных здесь результатов уже хватило бы на звание выдающегося ученого. Ему удается открыть нержавеющую сталь (но металлургов открытие не заинтересовывает — третья технологическая революция еще впереди), выделить из китового масла вещество, которое мы сегодня называем бензолом, сделать пионерские работы по сжижению различных газов, заложив основы криогенной техники.

Фарадей с женой Сарой, которой всегда было чем заняться по хозяйству

Wikipedia

Толчком к началу занятий над главной темой — электромагнетизмом — послужили, как ни странно, личные обстоятельства. Фарадей влюбляется в Сару Барнард, дочь уважаемого члена секты, сандеманианского пастора. Он делает ей предложение, но сразу оговаривает, что брак должен будет стать не более чем незаметным фоном для его научной работы. Сара, будучи истинной сандеманианкой, проглатывает обиду и дает согласие, но после свадьбы, когда счастливый Фарадей спрашивает, как она хотела бы провести медовый месяц, молодая жена невозмутимо отвечает, что была бы счастлива, если бы муж подготовил к его окончанию обзор последних исследований по какой-нибудь научной теме, а ей есть чем заняться по хозяйству. Обескураженный Фарадей решает подготовить обзор последних открытий в области электричества и магнетизма, и это оказывается поистине судьбоносным для науки решением.

#image-kit_2126

Больше всего Фарадея заинтересовали описания опытов датчанина Ганса Эрстеда, показавшего, что стрелка компаса отклоняется, если рядом с ней помещен проводник с протекающим по нему током. Размышляя над этим, Фарадей сконструировал первый в истории простенький электродвигатель: намагниченный стержень, помещенный в колбу с ртутью, вращался вокруг проводника, по которому пропускался ток, — электричество делало механическую работу! Далее Фарадей задумался о следующем: если в опыте Эрстеда электрический ток производит магнитное действие, то не должна ли природа продемонстрировать симметрию и нельзя ли придумать эксперимент, в котором уже магнит вызывает электрический ток? Эта теоретически ничем не подкрепленная на тот момент идея симметрии между электрическими и магнитными явлениями настолько овладела Фарадеем, что на какое-то время он практически поселился в лаборатории, в которую верная жена приносила ему поесть. 

Демонстрация первого электродвигателя Фарадея (1821 год) Слева: намагниченная проволка, погруженная одним концом в ртуть, вращается вокруг проводника с током, расположенного по оси симметрии сосуда Справа: проводник с током, один конец которого погружен во ртуть, вращается вокруг намагниченной проволки, расположенной по оси симметрии сосуда

Quarterly Journal of Science, Literature and the Arts, 1821, volume XII

После серии безуспешных опытов был придуман следующий эксперимент: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки, причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой.

Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. (Сегодняшний читатель без труда узнает в этой схеме трансформатор.) И вот, когда ток замыкался или прекращался и, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке под влиянием магнетизма возбуждался «наведенный», или индуктивный, электрический ток. Так Фарадей впервые превратил магнетизм в электричество. Еще в одном эксперименте Фарадей быстро вводил магнит в катушку провода и фиксировал в ней появление электрического тока — круг замкнулся, механическая энергия руки двигала магнит, и в результате получался электрический ток. Открытый им закон, известный сегодня как закон электромагнитной индукции Фарадея, был сформулирован в одной фразе и без единого математического символа: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется».

Один из классических экспериментов Фарадея по электромагнитной индукции (1831 год Батарея (справа) вызывает электрический ток в малой катушке (А). Когда мы вдвигаем А в большую катушку (В) или выдвигаем ее из нее, переменное магнитное поле индуцирует в В электрический ток, фиксируемый гальванометром (слева)

Wikipedia

Вскоре Фарадей придумал и первый генератор постоянного тока, поместив проводящий вращающийся диск между полюсами магнита (магнитное поле параллельно оси вращения диска). Между центром диска и его краем возникала разность потенциалов. Разместив токосъемники в центре и на краю диска и включив их в цепь, Фарадей получал постоянный ток, который не прекращался, пока было желание или возможность вращать диск. Первый генератор переменного тока (динамо-машина) был сконструирован по описаниям Фарадея несколько позже французским механиком Ипполитом Пикси.

 Вошел в анналы ответ Фарадея министру финансов Гладстону, спросившему великого ученого: «Для чего вообще может понадобится это электричество?» Ответ Фарадея был министерски доходчив: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом»

Примерно к этому времени относится и вошедший в анналы ответ Фарадея министру финансов Гладстону, спросившему великого ученого: «Для чего вообще может понадобится это электричество?» Ответ Фарадея был министерски доходчив: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом». Кстати, первый налог на производство электричества в Англии был введен уже в 1880 году — всего через тринадцать лет после смерти первооткрывателя электромагнитной индукции.

Визит к королеве

Совпадение это или нет, но практически сразу после открытия первого производства динамо-машин в Бирмингеме сандеманианцы присвоили Фарадею статус почетного прихожанина. Родная секта, довольно равнодушно наблюдавшая его научные успехи, возможно, решила отметить начало их реальной службы на пользу человечества. Фарадея, впрочем, уже влекли новые темы.

 Совпадение это или нет, но практически сразу после открытия первого производства динамо-машин в Бирмингеме сандеманианцы присвоили Фарадею статус почетного прихожанина

После своих выдающихся работ в области электромагнетизма Фарадей занялся электрохимией, открыл законы электролиза и, что не менее любопытно, вместе со своим другом классическим филологом Уильямом Уэвеллом разработал терминологию для этой области науки. Ион, катод, анод, электрод, электролиз — все это результат их совместного лингвистического творчества. Успел оставить свой след Фарадей и в таких отраслях как диа- и парамагнетизм, химия катализа, ему удалось предсказать влияние электромагнитного поля на световое излучение, конечную скорость распространения электромагнитного поля. Он предвосхитил исследовательскую программу Эйнштейна, считая, что в итоге все фундаментальные взаимодействия природы, включая гравитацию, имеют единую основу.

Фарадей объединил линзы Френеля (А и В) с часовым механизмом (М и Р), в результате мигающий свет, видимый моряками, служил для отличия маяка от звезд или береговых огней

Wikipedia

Но занимался Фарадей и совсем прикладными задачами — выступал технологическим экспертом в судах, консультировал правительство по научным вопросам, совершенствовал маяки, разрабатывал защиту днищ кораблей от коррозии, правда, наотрез отказался от участия в разработке химического оружия (токсичных газов) для Крымской войны — не позволили религиозные убеждения. Власть на закате жизни относилась к нему с большим уважением, королева Виктория выделила ему покои во дворце и искала его общества (именно отсутствие на одной из сандеманианских служб по причине визита к королеве стоило Фарадею звания старейшины общины — сандеманианцы не сочли это уважительной причиной). Но Фарадей считал, что власть пока не до конца оценила роль и значение ученых и изобретателей в современной истории и был уверен, что, если она не позволит исследовательскому классу участвовать в принятии важных решений, она может поплатиться за это в ближайшую эпоху. Комиссия Британского общества естествоиспытателей обратилась однажды к Фарадею с запросом, какие, по его мнению, средства могло бы употребить правительство для улучшения в Англии положения представителей науки. В ответ Фарадей написал, что, по его мнению, «правительству ради своей выгоды следовало бы ценить людей, служащих стране и приносящих ей честь» и что «во множестве случаев, требующих научных знаний, правительству следовало бы пользоваться учеными; но к сожалению, это не практикуется в таких размерах, в каких могло бы делаться с пользою для всех; очевидно, правительство, еще не научившееся уважать ученых как особый класс людей, не может найти верных путей и средств вступать с ними в сношения и сильно проигрывает от этого».

Alibi sepulti на памятной табличке Фарадея в Вестминстерском аббатстве означает «похоронен в другом месте» 

Когда Фарадей умер, королева Виктория намеревалась организовать пышные похороны и погребение великого ученого рядом с Исааком Ньютоном и другими великими деятелями в Вестминстерском аббатстве. Однако он успел по-другому распорядиться своими похоронами, оставив следующую записку: «Скромные похороны, на которых должны присутствовать только мои родственники, самый простой надгробный памятник в самом обычном месте земли». Как истинного сандеманианца Фарадея похоронили на сандеманианском участке кладбища Хайгейт в Лондоне, а рядом с могилой Исаака Ньютона в Вестминстерском аббатстве повесили скромную табличку.

Майкл Фарадей и рождение физики поля

Юлий Львович Менцин
«Квант» №1, 2012

22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791–1867) — английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т. п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле — это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях»¹ Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла.

Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея — грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет². Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея — одна из величайших книг в истории физики — написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам.

Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл

Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) — обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий.

Несколько позже, в 1851–1852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824–1907).³ Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в 1864–1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности.

Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.)

Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла — о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были.

Поле сил и сила Ньютона

Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био–Савара–Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами.

Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям.

Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений — прежде всего, явлений электромагнетизма — на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились всё более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804–1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции.

В середине XIX века физики всё более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, — писал Максвелл, — что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее».

Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т. п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т.  е. опять-таки силы, распределенной в пространстве.

С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом.

В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям.

Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало?

Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей.

Великий Экспериментатор

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл — третий ребенок в семье — не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения.

В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778–1829). Этот момент стал в жизни Фарадея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года.

История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую — через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле).

В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы.

Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет.

Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию.

Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции.

Затянувшееся открытие

Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий — вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй — к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента.

Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года.

Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них».

Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля.

Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия — это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т. д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений — не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве.

Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции

В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797–1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции.

Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает.

В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, — пишет Фарадей, — устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током».

Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали.

Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т. д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно.

Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее — скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым.

Проблема физической реальности силовых линий

Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, — писал Фарадей, — можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует».

Силовая линия, таким образом, определялась Фарадеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий.

Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad (рис. 1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d. Свободный контакт сделан и в точке c, так что участок bc может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках a и b (тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc при полном повороте вокруг оси ad пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd и в положении ab’c’d , когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фарадея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит).

Вращая в своей установке (рис. 2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга.

Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл.

Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т. е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами.

Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма — это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу… Может быть, это — состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это — род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий».

Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история — история о Великом Теоретике.

---

¹ Имеется в виду книга Р. Фейнмана, Р. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике» (М.: Мир, 1967) (Прим. ред.)
² В русском переводе первый том этой книги вышел в 1947 году, второй — в 1951, а третий — в 1959 году в серии «Классики науки» (М.: Издательство АН СССР). (Прим. ред.)
³ В 1892 году Уильям Томсон был удостоен дворянского титула «лорд Кельвин» за фундаментальные работы в различных областях физики, в частности по прокладке трансатлантического кабеля, связавшего Англию и США.

Майкл Фарадей: путь в науку. К 225-летию со дня рождения великого английского ученого

22 сентября исполнилось 225 лет со дня рождения великого английского ученого Майкла Фарадея (22 сентября 1791 — 25 августа 1867), два открытия которого лежат в основе электроэнергетики: в 1821 он создал прообраз электродвигателя, а в 1831 г. открыл явление электромагнитной индукции, которое лежит в основе работы электрических генераторов. Усвоив взгляды Фарадея на природу электромагнитных явлений и использовав результаты его опытов, Дж.К.Максвелл создал свою теорию электромагнетизма. Фарадей получил также ряд других выдающихся научных результатов, в частности открыл и исследовал явления парамагнетизма, диамагнетизма, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, открыл законы электролиза.

Майкл Фарадей учился только в начальной школе, где овладел навыками чтения, письма и счета. Все остальные знания и навыки, необходимые для исследовательской работы в области физики и химии, он получил самостоятельно, используя все возможности, которые перед ним открывались.

Следует сказать, что этих возможностей сначала было очень мало. Майкл Фарадей родился в Лондоне, в семье кузнеца Джеймса Фарадея, который тяжело работал, чтобы заработать на хлеб. Детство и юность Майкла пришлись на период Великой Французской революции и последующих европейских войн, в которых участвовала и Англия. Войны негативно влияли на британскую экономику, от чего страдали в первую очередь малоимущие слои населения, к которым принадлежала и семья Фарадея.

В возрасте 13 лет Майкла отдали учеником в переплетную мастерскую при книжном магазине, которая принадлежала эмигранту-французу Рибо. Первый год Фарадей проходил испытательный срок, работая разносчиком газет, а дальше, согласно контракту, заключенному его отцом с Рибо, должен был учиться семь лет без оплаты — за еду и жилье. Сначала Фарадею было очень трудно, но он старался, и уже на четвертом году обучения фактически овладел ремеслом переплетчика.

Безусловно, такая работа способствовала самообразованию любознательного мальчика, который с детства пристрастился к чтению. В те времена типографии выпускали книги без переплетов (и не разрезанные), а покупатели книг сами заботились о переплете. Итак, через руки Фарадея проходили новейшие книги, в том числе научные.

Мабуть, решающее значение для дальнейшей судьбы Майкла имело то, что в 1805 году в его руки попала книга выдающегося популяризатора науки XIX столетия Джейн Марсе (Jane Marcet, 1769-1858) «Беседы о химии». Эта первая в мире научно-популярная книга имела огромный успех. За 50 лет в Англии вышло 16 изданий этой книги, во Франции — три, в США — 23, причем общий тираж составил 160 тыс. экземпляров. Такой успех был неслучайным. Книга написана очень доступно, в форме диалога преподавательницы с двумя ученицами, из которых одна — серьезная и все понимает сразу, а вторая — легкомысленная, поэтому ей материал объясняется подробнее и в более доступной форме.

Книга состояла из двух томов, содержащих 10 и 14 разделов. В первой главе давалось определение химии как науки о простых тела (то есть, химические элементы) и их взаимодействии, приводилась классификация простых тел, к которым в начале XIX века относили свет, тепло и электричество. Во втором разделе подавались описания приборов для исследования химических явлений. В третьем и четвертом разделах говорилось о свете, тепле и теплоемкости тел. Пятый раздел был посвящен химическим источникам тока (гальваническим элементам и батареям). В 6-10 разделах говорилось о свойствах и методах получения простых веществ: кислорода, азота, водорода, серы, фосфора, углерода и металлов. Второй том начинался с раздела, в котором описывались условия, необходимые для взаимодействия между простыми веществами. Далее были разделы, где речь шла о свойствах щелочей, оксидов металлов, кислот, органических веществ.

Особенно ценным в этом учебнике было то, что он содержал описания опытов, иллюстрированные рисунками автора. В описаниях приводились мельчайшие подробности опытов, обосновывалась необходимость тщательной их подготовки, а также содержались оговорки о возможной опасности. Благодаря этому книга стала очень популярной как пособие по проведению лекционных опытов в учебных заведениях. Кстати, после книги о химии Джейн Марсе выдала еще 31 научно-популярную книгу, в которых писала о физике, минералогии, политической экономике, ботанике, филологии, географии, истории и др. Многие ее книги есть в электронной библиотеке Internet Archive (https://archive.org/), где с ними может ознакомиться любой желающий.

В 1858 г. в письме к швейцарскому физику Огюсту Деляриву Фарадей так описывал свои впечатления от книги Марсе: «Я чувствовал тогда, что нашел опору своим химическим знаниям, и крепко ухватился за нее. Отсюда и причина моего глубокого уважения к госпоже Марсе. Во первых, она принесла мне лично большую радость и сделала настоящее благодеяние, а во-вторых, она сумела открыть молодому, невежественному, пытливому уму явления и законы необъятного мира естественно-научных знаний. Вы можете представить мой восторг, когда я лично познакомился с госпожой Марсе. Как часто я вспоминал прошлое и сравнивал его с настоящим, так часто я думал о своей первой учительнице и всегда считал долгом посылать ей свои работы как выражение благодарности. И эти чувства меня никогда не покинут «.

В том же письме Фарадей писал: «Не думайте, пожалуйста, что я был глубоким мыслителем или отличался ранним развитием. Я был подвижным мальчиком с богатым воображением. Верил настолько же в» Тысячу и одну ночь «, насколько в» Энциклопедию «. Но для меня были важны факты, и это меня спасло. Факту я мог доверять, тогда как каждому утверждению я мог всегда противопоставить другое утверждение. Поэтому я проверил книгу госпожи Марсе, выполняя те простые опыты, на проведение которых были деньги, после чего убедился, что книга соответствует фактам, насколько я их понимал «.

Следует заметить, что произведенную в годы юности привычку опираться исключительно на факты и проверять сообщения других собственными опытами Фарадей сохранил на всю жизнь, благодаря чему сделал много открытий.

Но заниматься опытами юному ученику-переплетчику было очень сложно. Он работал без оплаты и имел лишь случайные заработки за труд в сверхурочное время и выходные дни. Таким образом, на свои опыты Фарадей мог тратить буквально копейки. Электрическую машину сделал из бутылки. Купив за несколько пенсов цинковую пластинку и использовав вместо медных пластин пенсовые монеты, изготовил гальваническую батарею. Хотя батарея была очень примитивной, но с ее помощью он разложил несколько веществ, был очень удивлен, и впоследствии сумел приобрести материалы, чтобы сделать настоящую гальваническую батарею.

В детстве у Фарадея появилась еще одна хорошая привычка. В возрасте 9 лет он начал записывать интересные сведения в тетради, которык затем соединил в рукописную книгу под названием «Философский сборник различных статей, заметок, событий, приключений и так далее, относящихся к искусству и наукам и собранных из газет, обзоров, журналов и других произведений с целью содействия удовлетворению, самообучению, а также подтверждению и опровержению теорий, распространенных в научном мире. Составил М. Фарадей от 1800 до 1809 года «.

Самообразованию Фарадея очень помогло то обстоятельство, что в начале XIX в. английские ученые стали читать платные публичные лекции по различным наукам. В 1810 г. Фарадей узнал из объявления, что мистер Тэйтум прочитает в собственном доме курс лекций по естествознанию и входная плата — один шиллинг. Хозяин позволил Фарадею посещать лекции, а деньги дал старший брат Роберт, который уже работал кузнецом. С февраля 1810 г до сентября 1811 г. Фарадей прослушал тринадцать лекций, которые тщательно законспектировал.

На этих лекциях Фарадей познакомился и подружился с некоторыми слушателями, которые решили создать кружок по самообразованию и самосовершенствованию. На собраниях этого кружка Фарадей рассказывал о проведенных им опытах или о прочитанных книгах, причем члены кружка обсуждали не только суть изложенного, но и форму изложения. Товарищи тщательно отмечали все ошибки, и Фарадей пытался в дальнейшем их избегать. Впоследствии для совершенствования устной речи он брал уроки ораторского искусства.

С некоторыми из участников этого кружка Фарадей сохранил близкие отношения и переписывался до конца жизни. Более всего писал он Б.Ебботу (B.Abbott), Р.Филлипсу (R.Phillips). Последний впоследствии стал членом Лондонского Королевского общества. Первые письма к друзьям Фарадей писал, стремясь научиться письменно излагать свои мысли и выработать хороший стиль изложения.

Самообразованию Фарадея поспособствовал квартирант хозяина — французский эмигрант художник Маскер. Майкл убирал его комнату и чистил обувь. За это Маскер учил молодого переплетчика чертить и рисовать.

В 1813 г. член Королевского института Уильям Дэнс (Dance) заказал переплеты для журналов по химии. Увлекшись их чтением, Фарадей просрочил выполнение заказа, что вызвало нарекания заказчика. Но когда Дэнс узнал о причине задержки и увидел, насколько серьезно этот переплетчик изучает химические журналы, он расчувствовался и предложил ему взять в подарок одну из книг по собственному выбору. Фарадей выбрал книгу одного из основателей электрохимии Хэмфри Дэви. Тогда Дэнс передал ему приглашение на четыре публичные лекции Гемфри Дэви, что и определило всю дальнейшую судьбу Фарадея.

В те времена Хэмфри Дэви был наиболее известным английским химиком. Он одним из первых выполнил электролиз воды и определил ее как соединение водорода и кислорода. Путем электролиза некоторых щелочей, которые тогда считались простыми веществами, он открыл в 1807-1808 гг. несколько металлов — калий, натрий, барий, кальций, магний, стронций. В 1808-1809 гг. он открыл и описал электрическую дугу. Одним из первых он получил бор, а также доказал, что хлор является простым веществом, а не оксидом. Дэви также определил роль минеральных веществ для жизнедеятельности растений и был одним из основателей агрохимии. 8 апреля 1812 г. за научные достижения он получил титул рыцаря британской короны, а через два дня женился на богатой молодой вдове аристократке Джейн Ейприс. Дэви также славился публичными лекциями по химии и агрохимии, которые собирали сотни слушателей.

Фарадей вспоминал: «Когда я был подмастерьем, мне повезло прослушать четыре последних лекции сэра Хэмфри Дэви … Я сделал краткие записи этих лекций, а затем хорошо их переписал и проиллюстрировал такими рисунками, которые сумел сделать. Желание заниматься научной работой, хотя бы примитивной, побудило меня, новичка, незнакомого со светскими правилами, написать письмо сэру Джозефу Бэнксу — президенту Лондонского Королевского общества. Закономерно было потом узнать, что мою просьбу оставили без ответа «.

Между тем, 7 октября 1812 г. закончился срок обучения Фарадея. На второй же день он стал работать в переплетной мастерской другого французского эмигранта Деляроша. Новый хозяин, в отличие от Рибо, был человеком крутым и высокомерным, работать у него вскоре стало совсем невыносимо. Это побудило Фарадея действовать решительно — он написал Дэви о желании заняться научной работой, добавив в подтверждение серьезности своих намерений записи его четырех лекций. Ответ пришел незамедлительно — доброжелательный, но отрицательный. В институте не было вакансии. Но вскоре, во время одного из опытов в лаборатории взорвалась колба, ее осколки ранили Дэви глаза, и некоторое время он не мог ни читать, ни писать. Вспомнив о переплетчике, интересующегося наукой, Дэви решил взять его к себе, до выздоровления, секретарем, чтобы заодно и поближе с ним познакомиться.

Через несколько дней глаза Дэви зажили, и он расстался с Фарадеем. Но за это время тот произвел хорошее впечатление на Дэви своими знаниями и старанием. Когда через несколько недель в лаборатории Дэви освободилось место лаборанта, он предложил его Фарадею.

В протоколе Королевского института от 1 марта 1813 г. есть запись: «Сэр Хамфри Дэви имеет честь информировать директоров, что нашел человека, которого желательно назначить на должность … Его имя — Майкл Фарадей … Его данные кажутся хорошими, его характер активный и бодрый, а образ действий умный «.

Кроме работы, Фарадей получил квартиру из двух комнат в здании института. В его обязанности входило следить за порядком в лаборатории, подавать Дэви все необходимые ему во время опытов предметы, приносить в аудиторию для публичных чтений все необходимые вещества и приборы, а затем относить их обратно.

Благодаря покровительству Дэви Фарадей, кроме выполнения своих обязанностей, получил возможность начать научные исследования. В частности, с разрешения Дэви продолжил незавершенные тем из-за опасности опыты с хлористым азотом — очень взрывчатым веществом. Фарадей довел опыты до конца, хотя во время их проведения произошли четыре мощных взрыва, при одном из которых ему серьезно ранило пальцы одной руки, а лицо осталось невредимым благодаря тому, что он работал в стеклянной маске.

В то же время Фарадей воспользовался возможностью слушать лекции и доклады, которые произносились в Королевском институте, благодаря чему постоянно пополнял свои знания. Он также анализировал свои впечатления от прослушанных лекций и пытался объяснить себе, почему эти лекции иногда нравились, а иногда нет. Это помогло ему выработать надлежащие приемы чтения лекций, и он впоследствии славился как замечательный лектор. Кстати, в Интернете есть очень интересная статья: Сигер Р. «Михаил Фарадей и искусство чтения лекций» (Успехи физических наук. 1970. Т.100. Вып.1. с.147-162).

p>Через несколько месяцев после того, как Фарадей начал работать в Королевском институте, Хэмфри Дэви с женой отправился в путешествие по странам Европы. Он взял с собой портативную химическую лабораторию и предложил Фарадею стать его помощником и секретарем на время путешествия. А когда за несколько дней до поездки отказался ехать слуга Дэви, тот предложил Фарадею временно — пока не найдет другого — выполнять и обязанности слуги.

Во время путешествия Фарадей вел дневник, в который заносил все впечатления и мысли. Дневник этот дает представление о том, как много узнал Фарадей за это путешествие. Ведь до этого он 22 года прожил в Лондоне, и если выезжал, то не далее 12 миль. А вместе с Хэмфри Дэви Фарадей побывал во Франции, Италии, Швейцарии и других странах.

В Париже Дэви встречался и обсуждал научные проблемы с Ж.-Л.Гей-Люссаком, А. фон Гумбольдтом, К.Л.Бертоле и другими известными учеными. И не только обсуждал, но и проводил определенные исследования. В частности, выполнив анализ золы морских водорослей, которая содержала йод, Дэви сделал вывод, что йод — это химический элемент, похожий на хлор. С этим выводом Гей-Люссак категорически не согласился, но через два года, после многочисленных опытов, признал правоту Дэви.

В Генуе Фарадей помогал Дэви проводить опыты с электрическим скатом, целью которых было выяснить, не вызывает ли электрический разряд ската разложение воды.

Во Флоренции Дэви со своим помощником провел сжигания алмаза в атмосфере кислорода и окончательно доказал единую природу алмаза и графита. При этом Дэви воспользовался уникальной по величине линзой, принадлежавшей великому герцогу Тосканскому. С ее помощью Дэви вместе с Фарадеем направили лучи солнца на алмаз, который лежал в платиновой чашке под стеклянным колпаком, заполненным кислородом. Во Флоренции Фарадей и Дэви также осмотрели телескоп, изготовленный самим Галилеем.

В дневнике Фарадея есть запись: «Пятница, 17 июня 1814 г., Милан. Видел Вольта, который пришел к сэру Г. Дэви: он бодрый старик, на груди — красная лента, очень легкий в разговоре».

В Женеве Дэви и Фарадей познакомились с врачом и физиком Шарлем Деляривом и его сыном Огюстом, которому было в то время всего 13 лет. Через шесть лет, летом 1820 г., Огюст Делярив покажет Франсуа Араго опыт Эрстеда по влиянию электрического тока на магнитную стрелку. В сентябре Араго покажет этот опыт на заседании Парижской Академии наук, после чего академики А.-М.Ампер, Гей-Люссак, Ж.Био, Ф.Савар и другие начнут исследования электрических и магнитных явлений.

Трудно переоценить роль этой поездки для становления Фарадея как исследователя. Дэви был великим ученым, и помощь ему в проведении опытов была замечательной школой для экспериментатора, а просто присутствие при разговорах великих ученых внимательному и любознательному юноше могла заменить кучу учебников и ввести его в круг новейших научных проблем.

Вернувшись в 1815 году в Лондон, Фарадей снова начал работать в химической лаборатории Королевского института. Он принимал деятельное участие в подготовке лекций по химии и физике, а также в проведении различного рода анализов и других работ, которые выполнялись в химической лаборатории. Ему повысили плату. В 1816 году в журнале «Quarterly Journal of Science», который издавался Королевским институтом, вышла первая печатная работа Фарадея. Это произошло с легкой руки Дэви: он поручил Фарадею выполнить химический анализ тосканской извести, образец которой получил из Италии, а когда Фарадей дал Дэви результаты, тот отдал их для публикации в журнал.

С 1816 по 1820 г. Фарадей выполнял различные исследования по химии и физике и публиковал их результаты в журнале Королевского института. Он завоевал среди коллег такой авторитет, что в 1819 году ему поручили редактировать этот журнал. В 1820 году он напечатал работу «О двух новых соединениях хлора и углерода и о новом соединении йода, углерода и водорода».

В. Миколаєнко

МАКСВЕЛЛ • Большая российская энциклопедия

МА́КСВЕЛЛ (Maxwell) Джеймс Клерк (13.6.1831, Эдин­бург – 5.11.1879, Кем­бридж), англ. фи­зик, соз­да­тель клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки, один из ос­но­ва­те­лей ста­ти­сти­че­ской фи­зи­ки. Чл. Эдин­бург­ско­го (1855) и Лон­дон­ско­го (1861) ко­ро­лев­ских об­ществ. Сын шотл. дво­ря­ни­на из знат­но­го ро­да Клер­ков. Учил­ся в Эдин­бург­ском (1847–50) и Кем­бридж­ском (1850–1854) ун-тах. Проф. Ма­ри­шал-кол­лед­жа в Абер­ди­не (1856–1860), Лон­дон­ско­го ун-та (1860–65), с 1871 – Кем­бридж­ско­го ун-та, где ос­но­вал пер­вую в Ве­ли­ко­бри­та­нии фи­зич. ла­бо­ра­то­рию – Ка­вен­диш­скую ла­бо­ра­то­рию, ди­рек­то­ром ко­то­рой был с 1871.

Ра­бо­ты М. по­свя­ще­ны про­бле­мам элек­тро­маг­не­тиз­ма, ки­не­тич. тео­рии га­зов, оп­ти­ке, ме­ха­ни­ке, тео­рии уп­ру­го­сти и др. Свою пер­вую ра­бо­ту «О чер­че­нии ова­лов и об ова­лах со мно­ги­ми фо­ку­са­ми» М. вы­пол­нил в 1846 (опубл. в 1851), ко­гда ему ещё не бы­ло 15 лет. В 1852–72 М. за­ни­мал­ся ис­сле­до­ва­ния­ми фи­зио­ло­гии и фи­зи­ки цвет­но­го зре­ния, впер­вые про­де­мон­ст­ри­ро­вал (1861) цвет­ное изо­бра­же­ние при од­но­вре­мен­ном про­е­ци­ро­ва­нии на эк­ран зе­лё­но­го, крас­но­го и си­не­го изо­бра­же­ний, до­ка­зав этим спра­вед­ли­вость трёх­ком­по­нент­ной тео­рии цвет­но­го зре­ния и на­ме­тив пу­ти соз­да­ния цвет­ной фо­то­гра­фии. Он соз­дал один из пер­вых при­бо­ров для ко­ли­чест­вен­но­го из­ме­ре­ния цве­та, по­лу­чив­ший назв. дис­ка Мак­свел­ла. В 1857–59 М. тео­ре­ти­чески ис­сле­до­вал ус­той­чи­вость ко­лец Са­тур­на и по­ка­зал, что они мо­гут быть ус­той­чи­вы, ес­ли со­сто­ят из не свя­зан­ных ме­ж­ду со­бой твёр­дых час­тиц.

Наи­бо­лее зна­чи­мы ра­бо­ты М. в об­лас­ти мо­ле­ку­ляр­ной фи­зи­ки и элек­тро­ди­на­ми­ки. В ки­не­тич. тео­рии га­зов М. ус­та­но­вил (1859) ста­ти­стич. за­кон рас­пре­де­ле­ния мо­ле­кул га­за по ско­ро­стям (Мак­свел­ла рас­пре­де­ле­ние), ос­но­ван­ный на учё­те пря­мых и об­рат­ных столк­но­вений. В 1866 М. раз­вил об­щую тео­рию про­цес­сов пе­ре­но­са, при­ме­нив её к про­цес­сам диф­фу­зии, те­п­ло­про­вод­но­сти и внутр. тре­ния, ввёл по­ня­тие вре­ме­ни ре­лак­са­ции. М. по­ка­зал ста­ти­стич. при­ро­ду вто­ро­го на­ча­ла тер­мо­ди­на­ми­ки (1867), ввёл тер­мин «ста­ти­сти­че­ская фи­зи­ка» (1878). Что­бы про­ил­лю­ст­ри­ро­вать ка­жу­щий­ся па­ра­докс вто­ро­го на­ча­ла тер­мо­ди­на­ми­ки о не­воз­мож­но­сти пе­ре­да­чи те­п­ло­ты от те­ла с мень­шей тем­пе­ра­ту­рой те­лу с боль­шей тем­пе­ра­ту­рой без со­вер­ше­ния ра­бо­ты, М. при­ду­мал ги­по­те­тич. ра­зум­ное су­ще­ст­во мик­ро­ско­пич. раз­ме­ра (т. н. де­мон Мак­свел­ла).

Са­мое боль­шое на­уч. дос­ти­же­ние М. – соз­дан­ная им тео­рия элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, ко­то­рую он сфор­му­ли­ро­вал в ви­де сис­те­мы диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­не­ний (Мак­свел­ла урав­не­ния), вы­ра­жа­ющих осн. за­ко­но­мер­но­сти элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний. В этой тео­рии М. обоб­щил все из­вест­ные к то­му вре­ме­ни фак­ты мак­ро­ско­пич. элек­тро­ди­на­ми­ки, впер­вые ввёл (1861) но­вое по­ня­тие – ток сме­ще­ния, по­ро­ж­даю­щий маг­нит­ное по­ле, по­доб­но то­ку про­во­ди­мо­сти. Ана­лиз урав­не­ний по­зво­лил пред­ска­зать су­ще­ст­во­ва­ние в сво­бод­ном про­стран­ст­ве элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (элек­тро­маг­нит­ных волн) и его рас­про­стра­не­ние в про­стран­ст­ве со ско­ро­стью све­та. На ос­но­ве это­го М. при­шёл к вы­во­ду об элек­тро­маг­нит­ной при­ро­де све­та (1865) и по­ка­зал, что ско­рость лю­бых элек­тро­маг­нит­ных волн рав­на ско­ро­сти све­та. Из его тео­рии сле­до­ва­ло, что элек­тро­маг­нит­ные вол­ны про­из­во­дят дав­ле­ние; он тео­ре­ти­че­ски вы­чис­лил дав­ле­ние све­та (1873). Ус­та­но­вил со­от­но­ше­ние ме­ж­ду ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью e и по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния n: ε = n². Пред­ска­зал Эйн­штей­на – де Хаа­за эф­фект и скин-эф­фект. Тео­рия элек­тро­маг­не­тиз­ма М. по­лу­чи­ла экс­пе­рим. под­твер­ж­де­ние и ста­ла об­ще­при­знан­ной клас­сич. ос­но­вой совр. фи­зи­ки. М. был по­пу­ля­ри­за­то­ром фи­зич. зна­ний. Впер­вые опуб­ли­ко­вал (1879) ру­ко­пи­си ра­бот Г. Ка­вен­ди­ша.

На­гра­ж­дён ме­да­лью Б. Рум­фор­да Лон­дон­ско­го ко­ро­лев­ско­го об-ва (1860). В честь М. на­зва­на еди­ни­ца маг­нит­но­го по­то­ка в сис­те­ме единиц СГС (мак­свелл).

Майкл Фарадей – ученый, открывший электромагнитную индукцию

22.09.2020

Майкл Фарадей (Michael Faraday). Родился 22 сентября 1791 года в Лондоне. Английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук.

Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий — первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны.
Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др. Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.
В первой половине XIX века он заслужил славу «короля экспериментаторов». Всю жизнь он вёл аккуратные лабораторные дневники своих опытов (изданы в 1931 году). Последний эксперимент по электромагнетизму помечен в соответствующем дневнике номером 16041, всего Фарадей провёл за свою жизнь около 30000 экспериментов. 
С 1820 года Фарадея чрезвычайно увлекла проблема исследования связей между электричеством и магнетизмом. К этому моменту уже существовала и стараниями К. Гаусса и Дж. Грина была в основном разработана наука электростатика. В 1800 году А. Вольта открыл мощный источник постоянного тока («вольтов столб»), и начала стремительно развиваться новая наука — электродинамика. Сразу же были сделаны два выдающихся открытия: электролиз (1800 год) и электрическая дуга (1802 год). Но главные события начались в 1820 году, когда Эрстед обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм, построили в том же году Био, Савар и позже Лаплас. А. Ампер, начиная с 1822 года, опубликовал свою теорию электромагнетизма, по которой первичным явлением является дальнодействующее взаимодействие проводников с током. Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники. Среди прочего, Ампер открыл электромагнит (соленоид). После серии опытов Фарадей опубликовал в 1821 году трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где показал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. По существу эта конструкция представляла собой ещё несовершенный, но вполне практичный электродвигатель, впервые в мире осуществивший непрерывное превращение электрической энергии в механическую.
Признанием научных заслуг Фарадея стало избрание его членом-корреспондентом Парижской Академии наук (1823). Фарадей был рекомендован на должность директора физической и химической лабораторий. 
После первых успехов в фарадеевских исследованиях электромагнетизма наступила десятилетняя пауза и до 1831 года он почти не публиковал работы на эту тему: опыты не давали желаемого результата, новые обязанности отвлекали, возможно, повлиял также неприятный скандал 1821 года. В 1830 году Фарадей получил профессорскую кафедру сначала в Королевской военной академии (Вулидж), а с 1833 года — и в Королевском институте (по химии). Читал он лекции не только в Королевском институте, но и в нескольких других научных организациях и кружках. Современники чрезвычайно высоко оценивали преподавательские качества Фарадея, умевшего сочетать наглядность и доступность с глубиной рассмотрения предмета. Его научно-популярный шедевр для детей «История свечи» (популярные лекции, 1861 год) издаётся до сих пор. В 1822 году в лабораторном дневнике Фарадея появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Рассуждения Фарадея были следующими: если в опыте Эрстеда электрический ток обладает магнитной силой, а, по убеждению Фарадея, все силы взаимопревращаемы, то и движение магнита должно возбуждать электрический ток. Путь к электрогенератору оказался нелёгким — первые опыты были неудачны. Главной причиной неудач было незнание того факта, что электрический ток порождается только переменным магнитным полем, причём достаточно сильным (иначе ток будет слишком слаб для регистрации). Для усиления эффекта следовало магнит (или проводник) быстро двигать, а проводник свернуть в катушку. Только десять лет спустя, в 1831 году, Фарадей нашёл, наконец, решение проблемы, обнаружив электромагнитную индукцию. С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831-1840), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству» (всего он опубликовал в «Philosophical Transactions» 30 выпусков, выходивших с 1831 по 1835 год). Уже в 1832 году Фарадей за открытие индукции был награждён медалью Копли. Сообщение об опытах Фарадея немедленно вызвало сенсацию в научном мире Европы, массовые газеты и журналы также уделяли им немало внимания. Множество научных организаций избрали Фарадея своим почётным членом (всего он получил 97 дипломов). 
Если открытие электродвигателя показало, как можно использовать электричество, то опыты по индукции указывали, как создать мощный его источник (электрогенератор). С этого момента трудности на пути широкого внедрения электроэнергии стали чисто техническими. Физики и инженеры активно занялись исследованием индукционных токов и конструированием всё более совершенных электротехнических устройств; первые промышленные модели появились ещё при жизни Фарадея (генератор переменного тока Ипполита Пикси, 1832), а в 1872 году Фридрих фон Хефнер-Альтенек представил высокоэффективный генератор, впоследствии улучшенный Эдисоном. В 1832 году Фарадей исследовал ещё одну важную в те годы проблему. На тот момент были известны несколько источников электричества: трение, вольтов столб, некоторые животные (например, электрический скат), фарадеевская индукция, термоэлемент (открыт в 1821 году, см. эффект Зеебека).
Майкл Фарадей умер 25 августа 1867 года за письменным столом, немного не дожив до 76-летия. 
При подготовке статьи были использованы материалы с сайтов: ru.wikipedia.org, biographe.ru и stuki-druki.com. 
Пресс-центр АО «ЮРЭСК»

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея — Максвелла — Ленца) — З — Русский алфавит — Словарь-справочник электрика

Закон электромагнитной индукции, закон Фарадея — Максвелла — Ленца — закон, устанавливающий взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями. Эдс электромагнитной индукции, в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Пусть в однородном магнитном поле B помещен прямолинейный отрезок проводника. При передвижении его перпендикулярно к силовым линиям заряды под действием магнитной силы начнут передвигаться вдоль проводника перпендикулярно к направлению движения и вектору поля B. Направление тока легко установить по правилу правой руки. Ток будет течь до тех пор, пока на концах проводника не образуются заряды противоположного знака, которые создадут электрическое поле E, направленное против силы, действующей на заряд. Электрические и магнитные силы уравновесят друг друга, и движение зарядов прекратится. В этот момент E=-q[VB]/q=-[VB]. В рассматриваемом случае заряды накапливаются на концах проводника. Если поместить в магнитное поле замкнутый контур и двигать его так, чтобы плоскость рамки была перпендикулярна к линиям однородного магнитного поля B, то ток пойдет по стороне ab (от a к b) и по dc (от d к c). Две другие стороны можно не рассматривать, так как сила, действующая на заряды, расположенные в проводнике, перпендикулярна к проводу и движение зарядов прекращается. Если токи в сторонах ab и dc текут навстречу друг другу, что приводит к накоплению заряда, замкнутый ток по рамке не пойдет. Величина эдс вдоль рамки равна нулю ΣE_lΔl=E_abl_ab+E_bcl_bc+E_cdl_cd+E_dal_da=(E+0-E+0)Δl=0. При движении рамки в том же направлении сторона dc выйдет из области, занимаемой магнитным полем, и поток последнего через плоскость рамки начнет уменьшаться. В этом случае сила, действовавшая на заряды, принадлежащие стороне dc, исчезнет и заряды, движущиеся от a к b, ничто уравновешивать не будет. По рамке пойдет замкнутый ток. То же самое будет наблюдаться при движении, например, соленоида относительно неподвижно лежащей рамки. Величина эдс в этом случае равна ΣEΔl=E_abl_ab+0+0+0=E_abl_ab=VBΔl. Таким образом, наведенная в проводе эдс электромагнитной индукции пропорциональна величине магнитной индукции поля, в котором движется проводник, длине провода и скорости его движения в направлении, перпендикулярном к магнитным силовым линиям.

Если обозначить скорость V=Δx/Δt где Δx — смещение рамки за время Δt, то ΣEΔl=-BΔxΔl/Δt. Знак минус в правой части равенства объясняется законом Ленца. Так как произведение ΔxΔl равно изменению площади ΔS, пронизываемой магнитным потоком, а ΔSB=ΔΦ — изменение самого магнитного потока за время t, то получим ΣEΔl=-ΔΦ/Δt. Таким образом, при изменении магнитного потока через контур начинает идти ток (индукционный или наведенный), который обязан своим возникновением электрическому полю. Величина эдс поля зависит от скорости изменения магнитного потока.

Майкл Фарадей. Этюды об ученых :: Класс!ная физика

«Нет стремления более естественного, чем стремление к знанию.» — М.Монтень

ФАРАДЕЙ, Майкл (1791 — 1867)

— выдающийся английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Открыл (1831) явление электромагнитной индукции. Установил (1833-1834) законы электролиза, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).

Большое значение в жизни Фарадея сыграло предпринятое им в молодости путешествие. В 1813 году англичанин сэр Гэмфри Дэви вместе со своим подающим надежды лаборантом и помощником англичанином Майклом Фарадеем отправляется путешествовать. В Париже Фарадею предстоит знакомство с Ампером, Гей-Люссаком, Гумбольдтом. На глазах Фарадея Дэви делает в Париже одно из своих блестящих открытий – он признает в неизвестном веществе, переданном ему Ампером, новый химический элемент – йод. В Генуе – опыты с электрическим скатом, Фарадей помогает Дэви выяснить, не вызывает ли электрический разряд ската разложения воды. Во Флоренции – сжигание алмаза в атмосфере кислорода и окончательное доказательство единой природы алмаза и графита. Здесь же с помощью громадной линзы Дэви вместе с Фарадеем направляют лучи солнца на алмаз, лежащий в платиновой чашечке под стеклянным колпаком, заполненным кислородом. Фарадей вспоминает: «Сегодня мы выполнили великий эксперимент, заставив гореть алмаз… Когда алмаз убрали из фокуса линзы, он продолжал быстро сгорать. Сверкающий алмаз светился багровым светом, переходящим в пурпурный, и, помещенный в темноту, горел еще около четырех минут».
В академии Чименто Фарадей и Дэви с восхищением осматривают уникальные экспонаты – бумажный телескоп самого Галилея и магнитный камень, поднимающий 150 фунтов.
В Риме они наблюдали, но без особого доверия, за опытами Моричини, пытающегося намагнитить стальные иголки с помощью солнечных лучей и считающего, что это ему блестяще удается.
В Милане Фарадей видел Вольта, который пришел к сэру Г. Дэви: «Он бодрый старик, на груди – красная ленточка, очень легок в разговоре». Фарадей начинает бегло говорить по-французски и по-немецки. Но самое главное – во время путешествия Фарадей ощущает «реющие в воздухе» великие открытия в электротехнике. Это путешествие было великолепной школой для будущего ученого Фарадея.

С 1815 по 1820 г. Фарадей занимается в исследованиями по химии. Перемена его научной деятельности произошла в 1820 г. после ознакомления ,с работой Эрстеда.
В 1821 г. Фарадей записывает в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». С решением этой задачи была связана вся его дальнейшая жизнь.

Гельмгольц как-то сказал о Фарадее: «Немного проволоки и несколько старых кусков дерева с железом дают ему возможность сделать величайшие открытия».

Избрание в Королевское научное общество Фарадея состоялось в 1824 году, через 11 лет после назначения его лаборантом.

1831 г. триумфальный эксперимент —в результате десятилетнего упорного труда Фарадеем открыто явление электромагнитой индукции.
А чуть позднее Фарадей, установив между полюсами магнита вращающийся медный диск, создает первый электрический генератор.

Пунктуальный и трудолюбивый Майкл Фарадей называл три обязательных компонента научной работы: выполнение, составление отчёта и опубликование.

Фарадей не знал глубоко математики. Это был «ум, который никогда не погрязал в формулах», по выражению Эйнштейна.
Максвелл писал: «Он был далек от того, чтобы облечь свои результаты в математические формулы, либо в те, которые одобрялись современными ему математиками, либо в те, которые могли бы дать начало новым начинаниям. Благодаря этому он получил досуг, необходимый для работы … «

Фарадей еще в 1832 году оставил в Королевском обществе для хранения запечатанный конверт с надписью «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в архивах Королевского общества». В 1938 году, через 106 лет, конверт этот был вскрыт в присутствии многих английских ученых. Слова в запечатанном конверте, потрясли всех: оказывается, что Фарадей ясно представлял себе, что электрические и магнитные поля — тоже волны.

После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу – настолько была истощена нервная система непрестанными напряженными раздумьями.

Фарадей никогда не щадил себя, занимаясь наукой, Он ставил химические опыты с вредной для здоровья ртутью. У него было никуда не годное оборудование в лаборатории. «В прошлую субботу у меня случился еще один взрыв, который опять поранил мне глаза … Из них вынули 13 осколков…» — писал Фарадей.

В последние годы силы его слабели. Он не мог выполнять прежние работы и отказывался от всего, что мешало заниматься наукой. Он отказывается от лекций: «… Настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга.» Со временем он отказался даже от писем друзьям: « … я рву свои письма, потому что пишу ерунду. Я не могу уже плавно писать и проводить линии. Смогу ли я преодолеть этот беспорядок? Не знаю.»

Другие страницы по теме «Этюды об ученых»

Штрихи к портретам ученых-физиков:

П.Н. Яблочков
А.С. Попов
Н. Коперник
Архимед
Н.Е. Жуковский
Дж.К. Максвелл
Ф. Жолио-Кюри
И. Жолио-Кюри
П. Кюри
М. Склодовская-Кюри
Г. Галилей
М. Фарадей
Э. Резерфорд
Д.И. Менделеев
А. Эйнштейн
А.Г. Столетов
М.В. Ломоносов
Э.Х. Ленц
И. Кеплер
А. Белл
К.Э. Циолковский
Б. Паскаль

Главы из книги
«Этюды об ученых» авт. Я. Голованов:

Архимед
Джордано Бруно
Леонардо да Винчи
Галилео Галилей Христиан Гюйгенс
Иоган Кеплер
Николай Коперник
Иван Кулибин
Исаак Ньютон
Блез Паскаль
Э. Торричелли
Джеймс Уатт
Майкл Фарадей
Альберт Эйнштейн
Томас Эдисон
Павел Яблочков
Борис Якоби

Как двое мужчин революционизировали физику: Forbes, Nancy, Mahon, Basil: 9781616149420: Amazon.com: Books

Введение

Это 1888 год. Представьте себе большую, скудно обставленную комнату. Здесь крепкие деревянные столы и верстаки — своего рода лаборатория, — но нет реторт, бунзеновских горелок или бутылок с ярко окрашенной жидкостью. Вместо этого в комнате есть любопытные металлические устройства со странными названиями: катушки Рюмкорфа, спирали Кнохенгауэра, мосты Уитстона. Их цель — исследовать пути загадочного невидимого явления — электричества.

В комнате один-единственный житель, молодой человек, красивый, аккуратно одетый, темноволосый, с коротко подстриженной бородой и усами. Он ловко собирает какой-то аппарат на одном из длинных деревянных столов. На одном конце он построил цепь, которая будет производить электрические искры через узкий воздушный зазор между двумя металлическими сферами, соединенными с концами проводов в цепи. Обычно воздух не проводит электричество, но, если две сферы расположены близко друг к другу и напряжение достаточно высокое, через зазор может появиться искра, хотя на самом деле это серия очень быстрых искр, которые прыгают взад и вперед, или колеблются между сферами.К каждой сфере он прикрепил металлический стержень, соединенный с прямоугольной металлической пластиной — он узнал, что это изменит частоту колебаний. Он нажимает клавишу, чтобы активировать цепь, и яркие синие искры затрещают в промежутке между сферами.

Пока все хорошо; его первичный контур работает, как и накануне, и накануне. Он обращает внимание на отдельную часть устройства, которую он называет своим детектором — простую петлю из проволоки с очень маленьким зазором между ее концами, которую он может регулировать винтом.Он держит детектор близко к искрящейся первичной цепи, и в его собственном промежутке появляются слабые искры. Это происходит, рассуждает он, когда волны энергии проходят от первичного контура к детектору.

Все это ему знакомо, но следующие шаги еще не опробованы и, как он надеется, будут решающими. Выключив на время первичный контур, он поддерживает большой цинковый лист в вертикальном положении в дальнем конце стола. Его цель — действовать как отражатель, как зеркало.Он кладет детектор на стол между первичной цепью и цинковым отражающим листом, закрывает жалюзи, ждет, пока его глаза не привыкнут к темноте, а затем включает первичный контур. Поворачиваясь спиной к искрам, мерцающим между сферами, он ищет крошечные искры между выводами своего детектора. Они кажутся слабыми, но безошибочными. Теперь о шаге, который в случае успеха приведет к желаемому результату. Он смотрит, меняется ли яркость искр, когда он медленно перемещает детектор от первичной цепи к отражающему цинковому листу.Действительно, это так. Искры гаснут до нуля, затем снова становятся яркими, а затем цикл повторяется. Он знает, что когда любая волна отражается обратно к своему источнику, она образует стоячую волну, которая, кажется, колеблется на месте, как струна гитары. Следовательно, волны генерируются первичной цепью и отражаются цинковым листом. Это именно то, что он хотел найти. Генрих Герц, профессор экспериментальной физики Высшей технической школы в Карлсруэ, сделал одно из величайших экспериментальных открытий в истории науки: он вне всяких сомнений доказал существование электромагнитных волн.

Как вскоре должны были показать Гульельмо Маркони и другие, коммерческая ценность открытия Герца была огромной. Но он не имел представления ни об этом, ни о каком-либо практическом применении. Что привлекло Герца и побудило его к поискам, так это соблазнительная, но странная научная идея — детище британского экспериментатора Майкла Фарадея в 1830-х годах, которое три десятилетия спустя было преобразовано в полную математическую теорию молодым шотландцем Джеймсом Клерком Максвеллом. Их идея настолько отличалась от всего, что было раньше, что многие ведущие деятели того времени отвергали ее как выдумку.Остальные были просто сбиты с толку; они не знали, что с этим делать. Но для Герца это была прекрасная идея, которая казалась правдой. Ему не хватало только физических доказательств, и его целью было предоставить экспериментальные доказательства, которые поставили бы этот вопрос вне всяких сомнений.

Со времен Ньютона ведущие ученые полагали, что Вселенная управляется механическими законами: материальные объекты удерживают энергию и создают силы. Для них окружающее пространство было не более чем пассивным фоном. Необычная идея, выдвинутая Фарадеем и Максвеллом, заключалась в том, что пространство само по себе действует как хранилище энергии и передатчик сил: оно является домом для чего-то, что пронизывает физический мир, но необъяснимо с точки зрения Ньютона — электромагнитного поля.

Первое представление Фарадея о силовых линиях, которое в то время сильно высмеивалось, превратилось в сложную математическую теорию Максвелла, которая предсказывала, что каждый раз, когда колеблется магнит, или когда электрический ток включается или выключается, волна электромагнитной энергии будет распространяться. в космос, как рябь на пруду, меняя природу самого пространства. Максвелл вычислил скорость волн, исходя из элементарных свойств электричества и магнетизма, и оказалось, что это та самая скорость, с которой измерялся свет.Он предположил, что видимый свет — это всего лишь небольшая полоса в обширном спектре электромагнитных волн, движущихся с одинаковой скоростью, но с длинами волн, которые могут варьироваться от нанометров до километров. Все это оставалось лишь теорией, у которой было больше скептиков, чем приверженцев, пока четверть века спустя Герц решительно не подтвердил ее, произведя и обнаружив в своей лаборатории то, что мы теперь назвали бы коротковолновыми радиоволнами. Открылась дверь в ранее невообразимые области научных знаний.

Практически невозможно переоценить масштабы достижений Фарадея и Максвелла в переносе концепции электромагнитного поля в человеческую мысль. Он объединил электричество, магнетизм и свет в единую компактную теорию; изменили наш образ жизни, предоставив нам радио, телевидение, радары, спутниковую навигацию и мобильные телефоны; вдохновил специальную теорию относительности Эйнштейна; и представил идею уравнений поля, которая стала стандартной формой, используемой сегодняшними физиками для моделирования того, что происходит в бескрайних пространствах и внутри атомов.

Фарадей и Максвелл привлекли свою долю биографов, и это правильно. Помимо своего гения, оба они были замечательными, щедрыми людьми, которые занимались своей наукой с заразительным энтузиазмом и источали то очарование, которое заставляло людей лучше относиться к себе и миру в целом. Но, возможно, даже более убедительным, чем их индивидуальные жизненные истории, является то, как двое мужчин из совершенно разных слоев общества — самоучка, сын бедного кузнеца и получивший образование в Кембридже сын шотландского лорда — были объединены своим любопытством по поводу физический мир и их решимость выяснить, как он работает.Хотя они встретились лишь в конце жизни Фарадея, между ними возникла чрезвычайно прочная связь — их объединяла готовность бросить вызов укоренившимся научным обычаям и условностям. Теория электромагнитного поля — это их совместное творение, и у нее есть своя собственная история, переплетенная с их историей и со своим собственным набором разнообразных второстепенных персонажей. Были, например, американские грабители граф Рамфорд, который сыграл важную роль в основании Королевского института, который дал работу бедному молодому Фарадею; блестящий, но тщеславный Хэмфри Дэви, вдохновляющий наставник Фарадея; индивидуалист Оливер Хевисайд, который суммировал теорию Максвелла в четыре знаменитых «уравнения Максвелла»; и трудолюбивый Оливер Лодж, обнаруживший волны на проводах, но обнаруживший, что Герц его полностью зачерпнул.

Добро пожаловать в историю электромагнитного поля.

8.8: Уравнение Максвелла-Фарадея — Engineering LibreTexts

В этом разделе мы обобщаем закон напряжения Кирхгофа (KVL), который ранее использовался как принцип электростатики в разделах 5.10 и 5.11. KVL утверждает, что в отсутствие изменяющегося во времени магнитного потока электрический потенциал, накопленный при прохождении замкнутого пути \ (\ mathcal {C} \), равен нулю. Вот эта идея в математической форме: \ [V = \ oint _ {\ mathcal {C}} {{\ bf E} \ cdot d {\ bf l}} = 0 \] Теперь вспомните закон Фарадея (раздел [m0055_Faradays_Law]) :

\ [V = — \ frac {\ partial} {\ partial t} \ Phi = — \ frac {\ partial} {\ partial t} \ int _ {\ mathcal {S}} {{\ bf B} \ cdot d {\ bf s}} \]

Здесь \ (\ mathcal {S} \) — любая открытая поверхность, которая пересекает все силовые линии магнитного поля, проходящие через \ (\ mathcal {C} \), с относительной ориентацией \ (\ mathcal {C} \) и \ (d {\ bf s} \) определяется обычным способом по соглашению теоремы Стокса.Обратите внимание, что закон Фарадея согласуется с KVL в магнитостатическом случае. Если магнитный поток постоянен, то закон Фарадея гласит \ (V = 0 \). Однако закон Фарадея очень четко не соответствует KVL, если магнитный поток меняется во времени. Исправление достаточно простое; мы можем просто установить эти выражения равными. Поехали:

\ [\ boxed {\ oint _ {\ mathcal {C}} {{\ bf E} \ cdot d {\ bf l}} = — \ frac {\ partial} {\ partial t} \ int _ {\ mathcal {S }} {{\ bf B} \ cdot d {\ bf s}}} \ label {m0050_eMFEI} \]

Эта общая форма известна под разными именами; здесь мы называем его уравнением Максвелла-Фарадея (MFE).

Интегральная форма уравнения Максвелла-Фарадея (Equation \ ref {m0050_eMFEI}) утверждает, что электрический потенциал, связанный с замкнутым контуром \ (\ mathcal {C} \), полностью обусловлен электромагнитной индукцией в соответствии с законом Фарадея.

Несмотря на большое значение этого выражения как одного из уравнений Максвелла, кто-то может возразить, что все, что мы сделали, это просто написали закон Фарадея в несколько более подробном виде. Это верно. Реальная мощность MFE раскрывается, когда она выражается в дифференциальной, а не в интегральной форме.Давайте теперь сделаем это.

Мы можем преобразовать левую часть уравнения \ ref {m0050_eMFEI} в интеграл по \ (\ mathcal {S} \), используя теорему Стокса. Применяя теорему Стокса слева, получаем

\ [\ int _ {\ mathcal {S}} {\ left (\ nabla \ times {\ bf E} \ right) \ cdot d {\ bf s}} = — \ frac {\ partial} {\ partial t} \ int _ {\ mathcal {S}} {{\ bf B} \ cdot d {\ bf s}} \]

Теперь меняем порядок интеграции и дифференцирования в правой части:

\ [\ int _ {\ mathcal {S}} {\ left (\ nabla \ times {\ bf E} \ right) \ cdot d {\ bf s}} = \ int _ {\ mathcal {S}} {\ left (- \ frac {\ partial} {\ partial t} {\ bf B} \ right) \ cdot d {\ bf s}} \]

Поверхность \ (\ mathcal {S} \) с обеих сторон одинакова, и мы никоим образом не ограничивали \ (\ mathcal {S} \).\ (\ mathcal {S} \) может быть любой математически допустимой открытой поверхностью в любом месте пространства, любого размера и любой ориентации. Единственный способ, которым приведенное выше выражение может быть универсально истинным в этих условиях, — это если подынтегральные выражения с каждой стороны равны в каждой точке пространства. Следовательно,

\ [\ boxed {\ nabla \ times {\ bf E} = — \ frac {\ partial} {\ partial t} {\ bf B}} \ label {m0050_eMFED} \]

, который является MFE в дифференциальной форме.

Что это значит? Напомним, что локон \ ({\ bf E} \) — это способ взять директиву \ ({\ bf E} \) относительно позиции (раздел 4.8). Следовательно, MFE ограничивает пространственные производные \ ({\ bf E} \) просто связанными со скоростью изменения \ ({\ bf B} \). Сказано прямо:

Дифференциальная форма уравнения Максвелла-Фарадея (Equation \ ref {m0050_eMFED}) связывает изменение электрического поля в зависимости от положения с изменением магнитного поля во времени.

Теперь, когда — это , возможно, новая и полезная информация. Теперь мы видим, что электрическое и магнитное поля связаны не только линейными интегралами и потоками, но и в каждой точке пространства.

Авторы и авторство

Гений и вера Фарадея и Максвелла — Новая Атлантида

Религиозные взгляды великих ученых-историков сегодня часто отвергаются как простая идиосинкразия. Их верования считаются прискорбными, хотя и понятными изъянами, случайными изъянами великих умов, которые помогли вывести цивилизацию из примитивизма, но не смогли полностью избежать этого. В конце концов, разве наука не должна стремиться к пониманию Вселенной, независимому от убеждений и мнений ученых, будь то религиозных, политических, социальных или эстетических?

Тем не менее, наука не существует в вакууме, и исследования в области социологии, истории и философии науки часто подчеркивают, как более широкие верования и практики ученых влияют на их работу и, следовательно, на то, как наука развивается.Некоторые ученые даже утверждают (если не совсем убедительно), что убеждения ученых влияют на устоявшееся содержание науки.

Строгое разделение, которое мы обычно наблюдаем между научными идеями исследователя и его или ее «личными убеждениями», является современной и даже недавней нормой. Со времен античности и до научной революции наука рассматривалась как форма философии, и многие мыслители, которых мы задним числом окрестили «учеными», свободно смешивали свои рассуждения о мире природы с теологическими, философскими и математическими трудами, часто очень сильно расходуя их. их научного времени и энергии на изучение религии.Например, законы движения планет Кеплера семнадцатого века кажутся его современным читателям иглами научного вдохновения, зарытыми в стоге теологических спекуляций. Ньютон и Бойль без видимых колебаний также соединили физику и философское богословие.

К XIX веку, однако, натурфилософия стала более естественной и менее философской. Богословие и естествознание были существенно разделены. Апологетическое естественное богословие, утверждающее, что Бога можно вывести из природы, теперь было в основном для богословов.Язык физики превратился в измерение и математику, а целью науки стало описание мира природы в ее собственных терминах, а не в целях Творца. В результате возникает соблазн читать науку той эпохи так, как если бы она была полностью независима от религиозных убеждений ее практиков. Но это было не так.

Поскольку викторианские ученые представляют для нас интерес в основном из-за их научного вклада, их религиозные убеждения, как правило, рассматриваются как случайные соответствия обычаям дня — как если бы эти фигуры были проторационалистами и протоматериалистами, которые без всякой пользы нашего полного нынешнего просветления, не избавились полностью от предрассудков прежних времен.Эта карикатура унизительна и ошибочна, что можно проиллюстрировать жизнями и идеями двух людей, которые, возможно, были величайшими учеными-физиками своего времени и одними из величайших ученых всех времен: Майкла Фарадея (1791–1867) и Джеймса Клерка Максвелла ( 1831–1879).

У этих двух мужчин было очень разное происхождение. Фарадей был англичанином; Максвелл шотландский. Фарадей был сыном кузнеца с ограниченными возможностями; Отец Максвелла унаследовал солидное состояние и вряд ли нуждался в юридической практике, которой он обучался.Фарадей получил только базовое образование в начальной школе; Максвелл получил самое прекрасное образование. Фарадей был одним из самых популярных научных лекторов своего времени; Максвелл приобрел плохую репутацию в классе. Фарадей практически не знал формальной математики; Максвелл был одним из лучших математиков своего времени. Исследования Фарадея стали доминирующими в экспериментах с электричеством и магнетизмом; Максвелла по теории электромагнетизма. У них был общий опыт: оба были убежденными христианами.Однако даже здесь существовали поразительные контрасты между религиозными традициями, к которым они принадлежали, и тем, как их духовные обязательства повлияли и укрепили их науку.

Великий электротехник

Огромный вклад Майкла Фарадея в науку частично подтверждается дюжиной или около того законов, явлений и экспериментальных инструментов, которые носят его имя: клетка Фарадея, постоянная Фарадея, закон индукции Фарадея, эффект Фарадея (вращения), Фарад. (единица электрической емкости), и так далее.В 1823 году он стал первым человеком, который превратил хлор в жидкое состояние, а в 1825 году он впервые выделил бензол. Его первым значительным независимым открытием в 1821 году стал элегантный эксперимент, демонстрирующий, что магнитное поле влияет на электрический ток, заставляя его двигаться перпендикулярно как току, так и полю, и наиболее известен он именно его исследованиями в области электричества. Прежде всего, в 1831 году он открыл электромагнитную индукцию: переменные магнитные поля индуцируют токи, протекающие в электрических цепях.

Тесная взаимосвязь между электричеством и химией в его исследованиях — и во всей науке того времени — лучше всего иллюстрируется законами электролиза Фарадея, которые связывают скорость электролиза веществ с их молярной массой. Его исследования прохождения электричества через ионизированные газы привели его к выявлению в 1838 году особого явления тлеющих разрядов, известного как «темное пространство Фарадея» (которое представляет для меня особый интерес, поскольку я работаю в области физики плазмы).Но прорыв, который наиболее ясно показывает как его полное владение экспериментальной техникой, так и его упорную настойчивость, является его открытие в 1845 году вращения Фарадея, в котором магнитное поле вызывает вращение поляризации света. Этот эффект, который Фарадей преследовал на протяжении двадцати лет, движимый главным образом философскими убеждениями, был критической демонстрацией связи между светом и электромагнетизмом.

Наконец, есть чрезвычайно влиятельная и изначально нетрадиционная позиция Фарадея, отстаивающая значение полей.Теоретическая и философская интуиция Фарадея, выросшая за десятилетия экспериментов и достигшая высшей точки в его статье 1852 года «О физическом характере линий магнитной силы», была, оглядываясь назад, возможно, его самым прочным наследием. Молодой Джеймс Клерк Максвелл определенно воспринял его всерьез и превратил идеи в то, что мы теперь называем уравнениями электромагнетизма Максвелла. Сегодняшняя физика рассматривает силовое поле, а не материальную субстанцию, как наиболее фундаментальную природную реальность.

Предки Фарадея были из Йоркшира, но он вырос в Лондоне, в семье бедного кузнеца.Почти все, что мы знаем о его первых тринадцати годах, — это то, что он сказал о них позже: «Мое образование было самым обычным и состояло лишь из элементарных навыков чтения, письма и арифметики в обычной дневной школе. Я проводил часы вне школы дома и на улице ». В 1804 году он стал мальчиком на побегушках, а затем учеником местного книжного магазина. Его настоящее образование началось. «Будучи подмастерьем, я любил читать научные книги, которые были у меня в руках, — сказал он, — и проводил такие простые эксперименты по химии, которые можно было оплачивать за счет нескольких пенсов в неделю, а также сконструировал электрическую машину … .”

В возрасте двадцати одного года Фарадею удалось перейти от подмастерья книготорговца к торговцу книгами для самого известного лондонского ученого того времени сэра Хамфри Дэви. Эта история была хорошо рассказана много раз, и, хотя в ней царит сказочная атмосфера, она также говорит о настойчивости и внимании Фарадея. Его скрупулезные записи некоторых публичных лекций Дэви впервые привлекли к нему внимание Дэви, тогдашнего почетного профессора химии и директора лаборатории Лондонского Королевского института.Химические взрывы, травмы и стрельба из предшественника открыли перед Фарадеем новые возможности. Затем, всего через семь месяцев после своего назначения, Фарадей покинул Англию в качестве «философского помощника» Дэви в восемнадцатимесячной научной поездке на континент — замечательное научное ученичество. К 1820-м годам место Фарадея в Королевском институте было обеспечено, и он получил допуск в Королевское общество и признание в научных кругах того времени.

В 1821 году, едва не исполнившись тридцати лет, Фарадей вступил в брак с Сарой Барнард, который продлился до конца его жизни.В следующем месяце он взял на себя столь же прочное обязательство, исповедуя веру перед Сандеманианской церковью, и таким образом стал полноправным членом общины.

Сандеманианская церковь возникла на основе опыта шотландца Джона Гласа (1695–1773). Популярный служитель пресвитерианской церкви Шотландии недалеко от Данди, Глас не смог согласовать свое понимание Священных Писаний с ролью государства в существующей церкви. В 1730 году Глас и почти сотня членов его общины объединились, чтобы основать независимую церковь, приверженную только Библии, отвергнув политический завет.Роберт Сандеман (1717–1771), которого привлекла независимая община, которую Глас впоследствии основал в Эдинбурге, женился на одной из дочерей Глас и в 1744 году стал старейшиной гласитской церкви в Перте. Сандеман много времени работал на церковь и стал ее самым влиятельным представителем в Англии и североамериканских колониях.

Сандеманианство обычно изображается как неортодоксальная и своеобразная христианская секта. Это впечатление усиливается часто цитируемым замечанием самого Фарадея о том, что он принадлежал к «очень маленькой и презираемой христианской секте».«Нет сомнений в том, что секта была небольшой: только 252 исповедания веры были зарегистрированы в Лондоне в течение девятнадцатого века. Но, несмотря на их радикальное несоответствие, богословие сандеманистов было по сути ортодоксальным христианством. Что было неортодоксальным по стандартам того времени, так это их экклезиология — церковная организация, практика и политическое устройство. Они старались как можно точнее воплощать в жизнь образец Нового Завета для церкви. Новый Завет не знает официально установленного рукоположения или духовенства; Сандеманианцы тоже.В Новом Завете есть только две признанные должности: старейшины и дьяконы; таков образец руководства сандеманианцев. Христиане Нового Завета были близким сообществом, характеризовавшимся отделением от многих обычаев окружающих культур; Сандеманцы тоже наблюдали сплоченное братство, отделенное от религиозных условностей общества, ожидая взамен, как выразился один из первых членов, «ненависти той части мира, которая возьмет на себя лидерство в народной и фарисейской преданности.”

Единство братьев имело решающее значение для сандеманианской общины. Они очень серьезно отнеслись к призыву Павла: «Я призываю вас, братья и сестры, именем Господа нашего Иисуса Христа, чтобы все вы были в согласии и чтобы между вами не было разделений, но чтобы вы были едины в один и тот же разум и одна и та же цель »(1 Кор. 1:10). Во имя этого единства старейшины должны были соблюдать библейские моральные нормы и дисциплину, избегая при этом любых раздоров, разногласий или недовольства.Если какое-либо разделение действительно возникало, единственным оставшимся выходом было исключить противников от участия в Вечере Господней и от полных духовных благ собрания. И это происходило довольно часто, как с отдельными людьми, так и между сандеманистскими общинами в целом. Таким образом, как это ни парадоксально, наиболее отличительная черта сандеманианской церковной практики — их упор на полное единство — была основной причиной повторяющихся расколов и расколов в церкви.

Фарадей вырос в орбите такой общины.Его отец был преданным сандеманином, исповедующим веру в год рождения Фарадея, и, хотя его мать никогда не входила в полноправные члены, она регулярно посещала службы. Исповедание самого Фарадея было тогда, насколько нам известно, не обращением, а формальным принятием обязанностей членства в требовательном духовном сообществе, что он хорошо понимал.

Наука и духовный авторитет

Был еще один аспект сандеманизма, который был своеобразным — и в конечном итоге фатальным для секты: отсутствие евангелических усилий.Сандеманцы не придавали значения прозелитизму. Эта черта избавила Фарадея от всякой комиссии по спору о религии с людьми, не входящими в сообщество, такими как его коллеги, и это помогает объяснить, почему ему было совершенно комфортно поддерживать официальное отделение своей веры от своей профессии.

Отстраненный подход сандеманианства к религии в общественной жизни также может помочь объяснить, почему многие биографы Фарадея отмахиваются от его религиозных обязательств. Возьмем, к примеру, Джона Тиндаля, самого раннего и, возможно, самого восхищающего биографа Фарадея, чье назначение в Королевский институт в 1853 году, несомненно, во многом обязано его влиянию.Тиндаль (1820–1893), как и Фарадей, был подвижным сыном из скромной семьи и в начале своей карьеры — в случае Тиндаля — геодезиста — не получил университетского образования. Тиндаль стал близким коллегой Фарадея по Королевскому институту и, в конечном итоге, его преемником. Он продолжил фарадеевскую традицию практических исследований и популярных лекций.

В томе 1868 года Фарадей как первооткрыватель Тиндаль изобразил Фарадея величайшим экспериментатором всех времен, своего рода научным пророком.И это несмотря на то, что собственные религиозные взгляды Тиндаля сильно отличались от взглядов Фарадея. В его биографии не упоминалось о сандеманианстве Фарадея и критиковались его теоретические рассуждения. Тиндаль был скептиком, материалистом, другом Т. Х. Хаксли (биолога, известного как «Бульдог Дарвина») и членом Клуба Икс из девяти человек, который в течение почти тридцати лет действовал почти как группа защиты интересов научный натурализм и либерализм, «неподвластный религиозным догмам», как выразился один из членов.Но разделение, которое Фарадей поддерживал между своей верой и профессией, позволило ему установить самые сердечные и конструктивные личные и профессиональные отношения с Тиндалем, несмотря на их различия. Тиндаль заметил, что за все время своего знакомства они с Фарадеем никогда не обсуждали религию, кроме одного раза, когда Тиндаль поднял ее.

Однако было бы неправильно предполагать, что интеллектуальное разделение, которое практиковал Фарадей, означало, что его вера не имела влияния на его науку. Он считал, что в своих научных исследованиях он читал «книгу природы… написанную перстом Божьим», как он выразился в своей лекции 1854 года «Наблюдения за умственным воспитанием».«Озабоченность Фарадея законами природы была окрашена теологическими верованиями. «Богу было угодно действовать в своем материальном творении по законам», — заметил он, — «Создатель управляет своими материальными делами по определенным законам, проистекающим из сил, воздействующих на материю».

Историк науки Джеффри Кантор в своей биографии Фарадея 1991 года утверждает, что понимание Фарадеем последовательности и простоты природы было не только результатом его научной работы, но и ее предпосылкой: оно было неотъемлемой частью метафизических предпосылок, которые заключались в том, что руководил его исследованием.Он искал объединяющие законы, связывающие силы мира, и очень успешно нашел эти законы для электричества, магнетизма и света. Метафизические принципы Фарадея иногда действовали как необходимые истины, а иногда как руководящие принципы.

Одним из этих руководящих принципов была концепция Фарадея о творении как о божественно планируемой экономике. В теоретических размышлениях Фарадея он ссылался на «стабильность творения» и совершенно продуктивное использование Богом «силы».В своей научной работе он говорил о «сохранении силы», намекая на сохранение энергии — до демонстрации Джоуля механической эквивалентности тепла и формулировки Кельвином законов термодинамики — и бездивергентный характер силовых линий. . Концепции согласованности и сохранения, вытекающие из его теологических взглядов на экономику природы, были движущими идеалами его отстаивания силовых линий и, следовательно, основ теории поля.

В соответствии с пониманием дисциплин своей эпохи, Фарадей всегда называл себя философом, а не ученым.Но он приложил все усилия, чтобы провести различие между своим научным философствованием и христианской приверженностью. Во времена Фарадея новейший подход к теологии был рационалистическим — примером тому были либеральные англиканцы, которые стремились основывать свою религию не на откровениях или истории, которые, по их мнению, вызывали сомнения, а на интеллектуальном теоретизировании, особенно на аргументе, основанном на замысле. . Фарадей отверг их подход, о чем он прямо заявил в «Наблюдениях о психическом образовании»:

.

Пусть никто ни на минуту не предположит, что самообразование, которое я собираюсь похвалить в отношении вещей этой жизни, распространяется на любые размышления о возложенной на нас надежде, как если бы человек с помощью рассуждений мог узнать Бога.Было бы неправильно здесь углубляться в этот предмет дальше, чем заявлять об абсолютном различии между религиозными и обычными убеждениями. Меня упрекнут в том, что я отказываюсь применять те умственные операции, которые я считаю хорошими в отношении высоких вещей, к самым высоким. Я доволен этим упреком…. Я никогда не видел ничего несовместимого между теми вещами человека, которые могут быть познаны духом человека, находящимся внутри него, и теми высшими вещами, касающимися его будущего, которые он не может познать этим духом.

По мнению Фарадея, интеллектуальный авторитет никогда не мог основываться на продуктах чистого разума или необоснованного человеческого воображения. В письме 1858 года он отметил, что был очень «творческим человеком и мог поверить в« Арабские ночи »так же легко, как и в« Энциклопедию »». Он сдерживал это воображение, обращаясь к фактам: «факты были важны. ко мне и спас меня ». «Фундаментальный факт, — писал он в другом месте, — как элементарная частица, никогда не подводит нас, его доказательства всегда верны.«А в науке фундаментальные факты в основном получены из экспериментов. «Без эксперимента я ничто», — сказал он. Он считал, что вся наука основана на тщательно наблюдаемых фактах, отличных от мнений или предположений. Как показывают его собственные публикации, это не означало, что наука исключала творческие идеи или интерпретации — но что оставалось важным, так это то, что различие между экспериментальными фактами и теоретическими интерпретациями должно всегда скрупулезно сохраняться.

Современные философы науки в основном считают фарадеевскую концепцию экспериментальных фактов наивной.Они настаивают на том, что все наблюдения основаны на теории и что не существует такой вещи, как голый факт. Но они не в привилегированном положении Фарадея. Он смог практически сразу проверить в лаборатории практически все научные отчеты, которые он читал. «Я никогда не мог сделать факт своим, не увидев его», — писал он. Если бы экспериментальная проверка была такой же немедленной сегодня, как это было во времена Фарадея, философский скептицизм по отношению к «фактам», возможно, получил бы меньше внимания.(И как экспериментатор я симпатизирую позиции Фарадея. Многие современные научные статьи можно было бы значительно улучшить, если бы проводилось более четкое различие между экспериментальными наблюдениями и их интерпретацией.)

Параллельно с этой опорой на прямое чтение книги природы Фарадей вместе со своими собратьями-сандеманианами считал, что духовный авторитет проистекает из прямого чтения другой книги Бога, Библии. Он рассматривал Библию как якорь против влияния эмоций, суеверий и духовного или политического господства.Христианин «не ищет никакой уверенности, кроме той, которую может дать ему Слово», — написал он в письме 1859 года. «Христианская религия — это откровение, а это откровение — Слово Божье. Согласно обетованию Бога, это Слово послано по всему миру ». Как и в науке, для Фарадея прямой доступ к экспериментальным наблюдениям — это то, что гарантирует надежность, поэтому в вопросах веры прямой доступ к слову Бога в Священных Писаниях является его духовной основой.

Трудность, связанная с тем, что Фарадей полагался на прямое чтение книги Бога, будь то природа или Священные Писания, связана с вопросом , чье чтение .Фарадей не упускал из виду фракционные интересы, которые так часто управляют практикой как религии, так и науки. Его решение в области науки снова соответствовало его религиозным взглядам: он решил вообще избегать фракционности, наряду с патронажем и политикой. В его видении стремления к науке ученые должны были стать членами истинного братства, и если возникнут разногласия в научных мнениях, они должны быть разрешены в духе братства. В письме о споре между двумя выдающимися учеными он говорит:

Эта полемика научного мира — очень досадное дело; они образуют великое пятно, которому подвержено прекрасное здание научной истины. Они неизбежны? Они определенно принадлежат не к самой науке, а к чему-то в нашей падшей природе. Как искренне я желаю во всех подобных случаях, чтобы два чемпиона были друзьями.

Фарадей стремился продолжить свои исследования в соответствии с этим идеалистическим видением науки, но признал, что его идеалы, основанные на его духовных обязательствах, расходились с практикой науки того времени. Он ограничил свое участие в политической жизни и чувствовал себя неспособным занять руководящие должности в мире.Отказавшись от поста президента Королевского общества в 1857 году, он сказал Тиндалю: «Я должен оставаться простым Майклом Фарадеем до конца». И он придерживался этого убеждения: несмотря на уговоры его жены принять кандидатуру на пост президента Королевского института в 1864 году, он отказался.

Научное братство, о котором мечтал Фарадей, не было закрытым сообществом. Он не был элитарным ни в социальном, ни в интеллектуальном плане. Вместо этого он взял на себя обязательство довести результаты науки до общественности, в первую очередь посредством публичных лекций и научных демонстраций.Его должность в Королевском институте требовала этой приверженности. Королевский институт был основан в 1799 году Беном Томпсоном (графом Рамфордом) и Хамфри Дэви для распространения практических знаний среди ремесленников. Но финансовые трудности вместе с гением и харизмой Дэви превратили его в центр химических исследований и научно-популярных лекций. Знаменитые вечерние дискурсы Института по пятницам были стимулирующими вечерними развлечениями и основным средством для заинтересованной публики дня в изучении научных вопросов, а также важным источником дохода для Института.В течение почти четырех десятилетий, с 1825 по 1862 год, Фарадей читал около пятой части этих вечерних лекций, что привело к посещаемости, значительно превышающей среднюю. Он представил ежегодные Рождественские лекции Института для подростков, которые продолжаются и по сей день. Сам Фарадей 19 раз читал Рождественскую лекцию. Его заключительная часть в серии, озаглавленная Химическая история свечи , была опубликована в виде книги в 1860 году, была переведена на многие языки и никогда не выходила из печати на английском языке.

Фарадей также заботился о практическом распространении результатов науки, которые приносили материальную пользу его собратьям. Он видел силы природы как предназначенные «всегда для нашего блага», а понимание природы, таким образом, как возможность для материального совершенствования. Хотя его основной мотивацией было продемонстрировать структуру Творения и тем самым прославить Создателя, он, тем не менее, считал практическое применение науки достойным занятием, наравне с его частым служением больным и нуждающимся в своем собрании.Фарадей потратил значительные усилия на консультации по разработке улучшенных источников света для маяков, и британское правительство часто обращалось к нему за своими научными знаниями. По мнению Фарадея, наука в практическом применении «передает дары Бога человеку».

К тому времени, когда Майкл Фарадей умер в 1867 году в возрасте 75 лет, его почитали как одну из величайших фигур британской науки. Можно предположить, что его неизменное религиозное несоответствие на протяжении всей жизни придавало определенный оттенок его психологическому складу, что позволило ему с комфортом отстаивать неортодоксальные научные позиции.Его теоретические взгляды — особенно его очень влиятельные идеи о физической реальности силовых линий — в лучшем случае допускались научным истеблишментом того времени, и это только из-за репутации, которую завоевали его экспериментальные исследования. Но его личного убеждения, подкрепленного тем, что он считал основными источниками знания — экспериментально подтвержденным фактом и библейскими писаниями — было ему достаточно. По крайней мере, в научных вопросах судьба истории решительно в его пользу.

Теоретик и его вера

Джеймс Клерк Научные достижения Максвелла — дело гения физической теории. Он внес вклад в оптику, цветовое зрение, упругость и динамическую теорию вращающегося тела. Работа, которая сделала его выдающимся естествоиспытателем, заключалась в его анализе колец Сатурна, в котором он показал, что они не могут быть жесткими, а должны состоять из скоплений частиц в стабильной конфигурации. Максвелл был также первым, кто применил вероятностные методы к анализу свойств газов.Он изобрел идею представления диапазона различных скоростей молекул газа математической функцией и разработал выражение для его равновесной формы, известное как распределение Максвелла – Больцмана. Максвелл разработал множество конкретных предсказаний, которые можно было получить из этой кинетической теории газов, и с помощью своей жены он провел эксперименты, чтобы подтвердить предсказания.

Тем не менее, работа, которой больше всего запомнились Максвелла, — это его формулировка системы уравнений, управляющих классическим электромагнетизмом: уравнений Максвелла.Это немедленно привело к предсказанию электромагнитных волн и, как следствие, объединению электромагнетизма и света. Его формулировка теории электромагнетизма в форме дифференциальных уравнений и его отстаивание фундаментальной природы поля для объяснения электромагнитных явлений, в отличие от теорий о действии на расстоянии его времени, являются основой практически всех современная физика. «Одна научная эпоха закончилась, а другая началась с Джеймсом Клерком Максвеллом», — писал Альберт Эйнштейн.В дополнение к своему личному вкладу Максвелл основал и руководил строительством Кавендишской лаборатории экспериментальной физики в Кембриджском университете, которая, возможно, стала ведущим физическим факультетом в мире на следующие пятьдесят лет.

Первые годы жизни, проведенные в семейном поместье Гленлер в Галлоуэе, в одном дне пути от ближайшего города, Глазго, образование Максвелла полностью находилось в руках его матери. У него была потрясающая память.В возрасте восьми лет он мог цитировать длинные отрывки из Мильтона и весь Псалом 118 — сто семьдесят шесть стихов. Действительно, его знание Священного Писания уже было очень подробным; он мог дать главы и стихи почти для любой цитаты из псалмов. С раннего возраста набожная христианская практика и требовательная ментальная дисциплина были для Максвелла частью одного и того же опыта. Он также проявил большой интерес к практическим аспектам ухода за семейным имуществом и его улучшения под руководством своего отца, неформальным обучением.

Мать Джеймса умерла, когда ему было восемь лет. Он и частный репетитор, нанятый для продолжения его образования, были совершенно несовместимы, и через два года его отправили в Эдинбургскую академию, где он жил у тети. Академия была одной из самых успешных шотландских школ своего времени с упором на классику. Однако преподавание естественных наук было слабым. Звездные ученики, казалось, знали больше, чем их учителя, возможно, отчасти в результате «Философского общества», которое они создали для самообразования.После медленного старта Максвелл поселился и приобрел друзей на всю жизнь среди однокурсников. Льюис Кэмпбелл, впоследствии профессор классических наук в Университете Сент-Эндрюс и биограф Максвелла, переехал через несколько домов. Питер Гатри Тейт, который позже занял должность профессора естественной философии в Эдинбургском университете в 1859 году, стал его однокурсником, и они вместе работали над математическими проблемами, которые они называли «подпорками» (сокращенно от пропозиций). Одно из геометрических предложений Максвелла было опубликовано, когда ему было всего четырнадцать; Было замечено, что это улучшение по сравнению с уравнениями Рене Декарта для бифокальных кривых.В шестнадцать лет Максвелл поступил в Эдинбургский университет, где изучал физику наряду с основной темой курсов Эдинбурга: философией.

По общему мнению, студенты в Эдинбурге имели значительную свободу для досуга и частных занятий. Из его писем Кэмпбеллу мы можем сказать, что Максвелл воспользовался обоими преимуществами. Он пишет:

Итак, я встаю и смотрю, какой сегодня день и какие полевые работы нужно провести; затем я ловлю пони и поднимаю бочку с водой….Потом выгуливаю собак, осматриваю сад в поисках фруктов и семян и гуляю до завтрака; после этого возьмите Цицерона и посмотрите, смогу ли я его понять. Если так, я читаю, пока не придерживаюсь; в противном случае я установил Xen. или Геродт. Затем я делаю реквизит, в основном на поворотах…. После реквизита идет оптика и, в основном, поляризованный свет.

Вы помните наш визит к мистеру Николь? У меня много неотожженного стекла разной формы….

Эта индустрия и широта образования были важной частью величия Максвелла, особенно его философской изысканности.Максвелл ни в коем случае не был узким научным техником. И он не был обычным универсалом — когда он читал Цицерона и Ксенофонта, это было на языках оригинала.

Максвелл оставался в Эдинбурге на три года, дольше, чем некоторые из его современников, возможно, потому, что столько времени потребовалось его отцу, чтобы примириться со стремлением Джеймса к научной, а не юридической карьере. Но в 1850 году Максвелл уехал из Шотландии в ведущее британское учреждение научного образования: Кембриджский университет.

Главной целью амбициозных студентов Кембриджа было стать «спорщиком», то есть получить первоклассные награды в серии экзаменов по математике. Примечательно, насколько математика преобладала в образовательной системе того времени, но следует помнить, что Исаак Ньютон был профессором математики Лукаса в свое время, как и Стивен Хокинг до 2009 года. Математика в Кембридже охватывала всю физику. . Максвелл приступил к математической подготовке и упражнениям с некоторым беспокойством, стремясь двигаться вперед быстрее, чем позволяли кембриджские традиции, для открытия новых открытий о природе.

Изучение и понимание Максвеллом своей христианской веры также быстро росло во время учебы в Кембридже. Через год в своей резиденции в Тринити-колледже он пишет Кэмпбеллу:

.

Человеку нужно больше. Он считает, что x и y являются непродуктивными, греческие и латинские — неудобоваримыми, а также учащиеся. тошнотворный. Он голодает, пока его забивают. Он хочет мужское мясо, а не студенческий пудинг. Истина нигде, кроме математики? Красота развивается только в элегантных мужских словах или прямо в морали Уэвелла? Необходимо исследовать природу и Откровение через канонические очки темным фонарем Традиции и отмерять ученым до необразованных, все из вторых рук.

Когда Максвелл прибыл в Тринити, Уильям Уэвелл был магистром колледжа. Рукоположенный англиканский священник с евангельскими взглядами, Уэвелл внес значительный вклад в науку в качестве профессора минералогии, а также с помощью математических учебников и исследований приливов и отливов. Но наибольшую известность он получил благодаря огромному диапазону знаний Уэвелла: он публиковался по архитектуре, экономике и философии (какое-то время как Кембриджский профессор моральной философии). Он является автором одного из трактатов Бриджуотера (1833) и двадцать лет спустя, О множественности миров , оба отчасти касаются отношений между наукой и христианством.И именно он придумал само слово ученый . Один сатирик сказал о нем: «наука — его сильная сторона, а всеведение — его слабость».

Наибольшее влияние Уэвелла на Максвелла оказало не техническое образование (которое не входило в обязанности магистратуры колледжа), а его книга 1840 года « Философия индуктивных наук: основанная на их истории» . Философия науки Ууэлла излагает «фундаментальную противоположность» знания, почти кантовскую по своему содержанию, согласно которой наука зависит не только от эмпирических наблюдений и индукции на их основе, но в равной степени и от фундаментальных идей, которые возникают необъяснимо из самого разума, чьи дедуктивные следствия являются проверено экспериментальными фактами.Основываясь на своих исторических исследованиях того, как на самом деле практиковалась наука, Уэвелл противоречил многим теориям индуктивистской ортодоксии своего времени — и пройдет столетие, прежде чем философы науки придут к взглядам, подобным его. Но мы можем быть уверены в письме, написанном Максвеллом в 1855 году — незадолго до того, как он стал членом Тринити и опубликовал свою первую статью об электричестве, — что он знал и стремился применить на практике подход Уэвелла:

Это тяжелая работа по выработке «подходящих идей», как их называет Уэвелл.Однако я думаю, что они наконец-то выходят наружу, и, столкнув их со всеми фактами и полупереваренными теориями на плаву, я надеюсь привести их в форму, после чего я надеюсь понять что-то большее в индуктивной философии, чем я. в настоящий момент.

Максвелл рассматривал саму религиозную веру как нечто, что нужно подвергнуть философскому испытанию. В более раннем письме Кэмпбеллу от 1852 года он пишет о своем «великом плане» « Поиск и Восстановление , или Пересмотр и исправление»: «Правило плана состоит в том, чтобы ничего не оставлять без внимания умышленно.Ничто не должно быть святой землей , посвященной Непоколебимой Вере, ни положительной, ни отрицательной ». Один из биографов Максвелла двадцатого века, Иван Толстой, полагает, что Максвелл не мог постоянно сохранять свою христианскую веру в то же время, поскольку он не оставлял ничего «преднамеренно неизученного». Но Максвелл видел все иначе, написав:

.

Христианство … это единственная схема или форма веры, которая отвергает какое-либо владение при таком владении. Только здесь все бесплатно. Вы можете улететь на край света и не найти Бога, кроме Творца спасения.Вы можете искать в Священных Писаниях и не найти текст, который остановит вас в ваших исследованиях….

[A] свеча приближается, чтобы изгнать всех призраков и багбиров. Давайте все следовать за Светом.

Более того, из работ Максвелла у нас есть достаточно свидетельств того, что он действительно глубоко исследовал свою веру, от его эссе, написанных в студенческие годы, до его более поздних широких метафизических исследований с группой под названием Апостолы, эксклюзивным интеллектуальным дискуссионным обществом кембриджской элиты.В письмах, написанных во время помолвки с Кэтрин Мэри Дьюар в 1858 году, Максвелл описывает свои духовные убеждения и практику. Несмотря на протесты против своего отсутствия навыков в толковании Священных Писаний, он пишет в письмах, которые читаются как короткие проповеди, проницательные объяснения отрывков из Нового Завета и ссылается на класс воскресной школы, который он вел в гостях у Льюиса Кэмпбелла. Общая христианская вера Кэтрин и Джеймса была важной связью с самого начала их брака.

«Точка, на которой наука должна остановиться»

Летом своего третьего курса обучения Максвелл провел некоторое время в Суффолкском доме преподобного К.Б. Тайлер, дядя одноклассника. Проживание в этой большой семье произвело впечатление на Максвелла, который сам был единственным ребенком в семье, который позже сказал, что это дало ему представление о Любви к Богу. Там он заболел больше месяца, за ним ухаживали министр и его жена. Как позже рассказывал об этом опыте его одноклассник,

Именно тогда разговор моего дяди, казалось, произвел такое глубокое впечатление на его разум. Он всегда был постоянным помощником на богослужении в доме Божьем …Также он много думал и читал на религиозные темы. Но в это время (как следует из его собственного описания) его религиозные взгляды значительно углубились и укрепились.

По возвращении в Кембридж Максвелл пишет своему недавнему хозяину болтливое и нежное письмо, включая это свидетельство:

Я утверждаю, что все злые влияния, которые я могу отследить, были внутренними, а не внешними, вы понимаете, что я имею в виду — что у меня есть способность быть более нечестивым, чем любой пример, который может подать мне человек, и что если я сбегу, это только по Божьей благодати, помогающей мне избавиться от себя, частично в науке, более полно в обществе, — но не полностью, кроме как посвятив себя Богу.

Это полностью евангельское христианское утверждение зависимости от Божьей благодати для спасения от греха; но обратите внимание, как Максвелл определяет свою науку как часть Божьего плана для этого спасения. Мы можем только предполагать, какие мысли по этому поводу он и преподобный Тайлер обсуждали в дни его выздоровления.

Стипендия Максвелла в Тринити длилась всего один год и закончилась, когда он был назначен профессором естественной философии в колледже Маришаль в Абердине.(Именно благодаря этому назначению Максвелл познакомился со своей женой, отец которой был директором Marischal.) В 1860 году два колледжа Абердина были объединены, и, несмотря на его выслугу лет, Максвелл остался без работы. Однако его почти сразу же назначили на кафедру естественной философии в Королевском колледже Лондона, где он оставался до 1865 года. На вступительной лекции, которую традиционно читали новые профессора, Максвелл исследовал различные философские вопросы науки — например, «являются ли фундаментальные Физические истины следует рассматривать как простые факты, обнаруженные экспериментально, или как необходимые истины, которые разум должен признать истинными, как только на них будет обращено внимание.В целом, в соответствии с взглядами Уэвелла, Максвелл придерживается последней точки зрения необходимости, хотя его позиция все еще далека от ясности.

Он также ссылается на идею, которую позже разовьет более подробно: «что каждый атом творения непостижим в своем совершенстве». Версия этой идеи была в конечном итоге опубликована, среди прочего, в журнале Nature в 1873 году; Обсуждая астрономические наблюдения характерных длин волн излучения атомов, Максвелл заключает:

Таким образом, мы уверены, что молекулы той же природы, что и молекулы нашего водорода, существуют в этих далеких регионах или, по крайней мере, действительно существовали, когда свет, которым мы их видим, испускался….

Таким образом, каждая молекула во всей вселенной несет на себе печать метрической системы так же отчетливо, как метр Архива в Париже или двойной королевский локоть Храма Карнака….

Ни один из процессов Природы с момента ее зарождения не произвел ни малейшего различия в свойствах какой-либо молекулы. Поэтому мы не можем приписать ни существование молекул, ни идентичность их свойств действию какой-либо из причин, которые мы называем естественными.

С другой стороны, точное равенство каждой молекулы со всеми другими молекулами того же вида придает ей, как правильно сказал сэр Джон Гершель, существенный характер произведенного изделия и исключает представление о том, что она вечна и самонадеянна. -существующий.

Таким образом, мы прошли строго научным путем очень близко к той точке, на которой наука должна остановиться.

Он предложил более подробную информацию в письме, написанном тремя годами позже: «То, о чем я думал, было не столько единообразием результата, которое обусловлено единообразием в процессе формирования, сколько единообразием, задуманным и достигнутым той же мудростью и силой что единообразие, точность, симметрия, последовательность и непрерывность плана являются такими же важными атрибутами, как изобретение особой полезности каждой отдельной вещи.”

Это несколько незнакомая, перевернутая форма аргументации замысла: тот факт, что молекулы совершенно идентичны друг другу, предполагает, что они произведены (так сказать) в соответствии с разумным планом. Его косвенное упоминание о молекулярном совершенстве в лекции 1860 года произошло через год после публикации книги Дарвина «Происхождение видов », и он, вероятно, хорошо осознавал, насколько эта книга опровергает популярные аргументы в пользу дизайна, основанного на совершенстве биологической адаптации.Максвелл указывал на другое совершенство творения, которое, по его мнению, нельзя было приписать эволюционной адаптации. Хотя он не был полностью прав в том, что атомы неизменны, его цель состояла в том, чтобы подчеркнуть упорядоченное единообразие природы, а не ее особенность и сложность, как признаки создателя.

В 1865 году Максвелл ушел в отставку со своей должности в Лондоне. Это был чрезвычайно продуктивный срок пребывания в должности, во время которого была осуществлена ​​большая часть его экспериментальной работы с газами, а также была опубликована работа On Physical Lines of Force и его знаменитые уравнения.Но Максвелл хотел завершить строительство дома в поместье Гленлер как «священный долг» своему покойному отцу. Его независимое богатство позволило ему отказаться от довольно тяжелого бремени преподавания и посвятить свое время имению, путешествиям, обширной переписке и написанию своего мастерского Трактат об электричестве и магнетизме (1873). Дом был закончен в 1867 году, но управление им было лишь одним из аспектов статуса «лэрда» поместья. Другими аспектами, которыми усердно занимались и Джеймс, и его отец до него, были ежедневные молитвы и сеансы чтения Библии для слуг, а также почти собственническая поддержка церкви в Корсоке, соседней деревне.

Максвелла уговорили оставить свою пенсию в 1871 году, приняв недавно созданную Кавендишскую профессуру экспериментальной физики в Кембридже и возложив на нее обязанности общественного деятеля. Поэтому неудивительно, что епископ Глостерский и Бристольский проконсультировался с Максвеллом по поводу его идей относительно веры и науки. Епископ интересовался, можно ли гармонизировать сотворение солнца после сотворения света в Книге Бытия, рассматривая последнее как относящееся к «первичным вибрациям», то есть к эфиру.Максвелл отвечает на этот довольно наивный вопрос вежливо и мудро:

Если бы было необходимо дать толкование текста в соответствии с наукой 1876 г. (которая может не совпадать с таковой 1896 г.), было бы очень заманчиво сказать, что свет первого дня означает всеобъемлющий Этер, носитель радиации…. Но я не могу предположить, что это была та самая идея, которую первоначальный автор книги хотел передать тем, для кого он писал….

Скорость изменения научной гипотезы, естественно, намного быстрее, чем скорость изменения библейских интерпретаций, так что, если интерпретация основана на такой гипотезе, она может помочь сохранить гипотезу над землей еще долго после того, как ее следует похоронить и забыть .

В то же время я думаю, что каждый отдельный человек должен делать все, что в его силах, чтобы впечатлить свой ум масштабами, порядком и единством вселенной.

Таким образом, Максвелл проницательно критикует неправильное использование частичного научного знания для толкования Священного Писания, не говоря уже о том, чтобы укрепить веру путем предполагаемого согласования с новейшими научными достижениями.Ему не нужны научные доказательства христианства. Вместо этого он выражает обеспокоенность тем, что необдуманное увязывание конкретных научных теорий с религией будет препятствием для роста науки. В связи с наукой и верой он делает акцент на том, что наука увеличивает наше чудо перед славой творения — безусловно, тема гораздо более устойчивая, чем эфир, от которого давно отказались.

Несмотря на свои глубокие философские и научные познания, видное положение и периодические публичные ссылки на религиозные вопросы, Максвелл в основном избегал ожесточенных публичных дебатов той эпохи о науке и религии.Но мы можем быть уверены, что он внимательно следил за ними, и мы можем оценить его более умеренный стиль из его ответа на «Белфастское обращение» Джона Тиндала. В 1874 году Тиндаль сделал известное обращение к Британской ассоциации содействия развитию науки, отстаивая научный материализм. Тиндаль восхвалял древних атомистов, Эпикура и Лукреция, и утверждал превосходство профессиональных ученых над духовенством: «Мы вырвем из теологии всю область космологической теории. Все схемы и системы, которые таким образом вторгаются в сферу науки, должны, , поскольку они это делают, подчиняться ее контролю и отказываться от всякой мысли о контроле над ней.Попутно он также подверг критике аргумент Максвелла о молекулярном совершенстве. Ответ Максвелла был не гневным письмом в Times (хотя были такие ответы и другими), а мягко сатирическим изложением очень длинного выступления Тиндаля, на двух страницах стихов ни резкого, ни осуждающего, но достаточно забавного, чтобы быть опубликованным в Blackwood’s Magazine . Христианским убеждениям Максвелла не угрожал растущий материализм того времени.

Максвелл умер от рака брюшной полости в 1879 году в возрасте 48 лет.Те, кто встречался с ним в последние месяцы и недели его болезни, рассказывали о его самообладании, его неизменном интересе к науке, его заботе о благополучии своей жены и его неустанном ежедневном религиозном служении.

Непредвиденные обстоятельства, согласованность и создание

Хотя культура викторианской Британии была более христианской, чем культура Великобритании или Соединенных Штатов сегодня, христианские обязательства Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла были не просто случайным соответствием ныне исчезнувшим культурным нормам.Не были они и интеллектуальными уродствами, которые помешали этим гигантам полностью раскрыть свой научный потенциал. Напротив, их духовные убеждения были неотъемлемой частью силы характера и взглядов на природу, которые позволили им внести свой преобразующий вклад в науку.

Можно задаться вопросом об источнике твердых христианских убеждений Фарадея и Максвелла. Что позволило им решить интеллектуальные проблемы, возникшие в результате нового научного знания девятнадцатого века? Хотя их твердая вера не была чем-то необычным для ученых той эпохи, было много других, кто ее потерял: Дарвин — часто цитируемый пример, хотя его доводы, поскольку они были интеллектуальными, теперь широко рассматриваются как трудности с теодицеей. больше, чем с наукой.

Можно сделать несколько предварительных предположений относительно общих источников устойчивых религиозных убеждений Максвелла и Фарадея. Каждый основывал свою веру на личном религиозном опыте, а не только на интеллектуальном исследовании. И каждый нашел источник духовного авторитета и убеждения больше в свидетельстве Библии и личности Иисуса, чем в естественном богословии или философских аргументах. Оба стремились выразить свою веру через христианские добродетели, милосердие, добрые дела, духовную дисциплину и служение.И оба внесли свою честность и порядочность в свою интеллектуальную работу, укрепив свою приверженность строгим научным практикам. Оба, кроме того, обладали независимостью духа и личными убеждениями, что позволяло им спокойно придерживаться взглядов, противоречащих современной моде. В этом смысле они были нонконформистами.

Духовные обязательства и идеалы Фарадея и Максвелла также повлияли на их научные идеалы. Ни Максвелл, ни Фарадей не предполагали, что разумный замысел творения позволяет нам вывести экспериментальное содержание натурфилософии.Вместо этого они подчеркивали чудо и случайность творения, полагая, что у Бога был выбор относительно того, как был создан мир, и что только прямое экспериментальное взаимодействие с природой позволяет нам определить, каковы эти выборы.

Настойчивое чувство Максвелла и Фарадея о сотворенности природы, их теистическое мировоззрение не должно считаться необходимым для всей успешной науки тогда или сейчас; но для этих двух выдающихся ученых это вовсе не помеха. Это подкрепляло их веру в целостное единство природы.Он поощрял аналогию как объяснительную стратегию, посредством которой понимание одного аспекта природы могло быть концептуально передано, чтобы помочь сделать понятным другой — например, поток жидкости как аналогию для электромагнитных полей (даже несмотря на то, что реальная физическая связь между этими двумя аспектами носит весьма косвенный характер. ). И это поощряло идею сохранения как фундаментального объединяющего принципа.

Хотя эти два великих британских электрика девятнадцатого века во многом остаются исследователями биографических контрастов, их сходные взгляды на природу, веру и отношения между ними проливают свет на общую конструктивную интеллектуальную нить.Научные принципы, к которым их привел их подход, остаются основополагающими для современной физики, даже несмотря на то, что многие утверждают, что лишили ее каких-либо теистических оснований. Фарадей и Максвелл в своих исследованиях природы наиболее фундаментально стремились к открытию закономерности и согласованности: концептуального объединения явно различных явлений, таких как электричество, магнетизм и свет. В их мышлении законность не была инертной, абстрактной, логической необходимостью или полной сводимостью к картезианскому механизму; скорее, это было ожидание, которое они приписывали существованию божественного законодателя.Понимание физики этих людей стало возможным благодаря их религиозным убеждениям. Для них согласованность природы проистекает из разума ее Создателя.

№ 905: Максвелл и Фарадей

Сегодня Джеймс Клерк Максвелл узнает, что Майкл Фарадей видел. Университет Хьюстона Инженерный колледж представляет серию статей о машины, которые заставляют нашу цивилизацию работать, и люди, чья изобретательность создала их.

Максвелл установил теоретические основ теории электрического поля в 1873 году. говорит в начале своего трактата: «Прежде чем я начал изучение электричества я решил читать нет математику по этому предмету, пока я впервые не прочитал [Фарадей] «.

Это достаточно невинное замечание, пока вы не последуете это через.Видите ли, новаторская работа Фарадея имела математикам не представлял особого смысла. Итак, Максвелл, сам великий математик, систематически занимался обратно и залез в голову Фарадея. Там он нашел большой сад наслаждений. Вот что он сказал об опыте:

Я обнаружил, что … методы Фарадея … начинаются с целым и прийти к частям путем анализа, в то время как обычные математические методы были основанный на принципе начала с частей и построение целого путем синтеза.

Фарадей и Максвелл были двумя самыми яркими люди 19 века. Фарадей был практически необразованный, но у него был туз в рукаве. Томас Уэст, писавший о дислексии, отмечает, что Фарадей показал полный набор типичных симптомов. Он были ужасные проблемы с орфографией и пунктуацией. Его память сыграла с ним злую шутку.Он не мог справиться математика.

У него была еще одна типичная дислексическая черта: мощная зрительный смысл. Он выковал законченный образ в своем мысленным взором, затем он разбил этот образ на части, которые люди могли понять. Максвелл рассказывает нам, что Фарадей построил мысленную картину линий сила, заполняя пространство, формируя себя в прекрасные массивы.

Ничто в жизни Майкла Фарадея не соответствовало нашему агрессивные образы викторианской науки. Он принадлежал в малоизвестную и очень нежную религиозную секту. Наука была удовольствием, и это было поклонением. Он был откровенно, но он наэлектризовал публику простая страсть к тому, что он делал.

Фарадей сводит своих биографов с ума кажущаяся иррациональность его мыслительных процессов.Как Можешь начать с готового небоскреба, тогда построить фундамент под ним?

Теперь я пробегаю глазами книгу Максвелла о поле теория. Он преобразовал видение силы Фарадея поля на математический язык. Затем он замышлял уравнения. Они образуют дикие изящные паутины. И мы наконец видим то, что Фарадей увидел первым.

Я разговариваю с родителями детей-дислексиков. Я вижу складка беспокойства — страха. Я говорю им, ваш ребенок наделен краем, которого нет у других детей имеют. Может быть, это целостное видение Фарадея. Может быть это словесная задержка. Но это там, и это то, чего нет у остальных из нас.

Помните, Максвелл наконец перевел Второе зрение Фарадея.Только когда он это сделал, показать свою прекрасную сюрреалистическую графическую форму, чтобы остальные из нас тоже могли это видеть.

Я Джон Линхард из Хьюстонского университета, где нас интересуют изобретательные умы Работа.

(Музыкальная тема)

---

Вест, Т.Г., Мысленным взором: визуальные мыслители, Одаренные люди с трудностями в обучении, компьютер Образы и иронии творчества . Буффало, Нью-Йорк: Книги Прометея, 1991.

Максвелл, Дж. К., Трактат об электричестве и Магнетизм . Оксфорд: Clarendon Press, 1873. Чтобы узнать больше о Фарадее, см. Эпизоды 741, 744, 1011, 1046, 1067 и 1268.

Изображение любезно предоставлено Special Коллекции, UH Library

График Максвелла магнитного поля, окружающего два цилиндрические магниты

Двигатели нашей изобретательности Авторские права © 1988-1997, Джон Х. Линхард.

---

Предыдущая Эпизод | Поиск серий | Индекс | Дом | Далее Эпизод

Почему Томсону и Максвеллу не понравилось, как Фарадей «говорил» о физике | Камерон Сандзо, Ph.D. Кандидат

Несмотря на проницательность Фарадея, его опыт самообразования, сын кузнеца, подрывал его авторитет в основном научном сообществе. Уильям Томсон и Джеймс Клерк Максвелл, как известно, воплотили работу Фарадея в математической нотации, однако их перевод теории поля Фарадея денатурировал некоторые из его первоначальных интуиций, вернув жидкую аналогию и механистическое объяснение там, где Фарадей удалил ее.

Чтобы лучше понять вмешательство Фарадея в физику, давайте сначала рассмотрим основы ньютоновских научных конвенций и различные школы мысли, которые поддерживали доминирующие теоретические методологии в викторианскую эпоху.

Наука об энергии возникла в результате отхода от традиционной ньютоновской физики, которая определялась двумя интеллектуальными тенденциями: механизацией и неоплатонической математизацией.

• Механизация: философы-механики, такие как Декарт, считали физические явления часовыми движениями материи.
• Неоплатоники, как астроном Иоганн Кеплер, утверждали, что мир является структурно-репрезентативным, скрепленным математическим законом без необходимости полагаться на физическое объяснение [6].С этой точки зрения математика была платоническим идеалом: чистой, истинной реальностью. Физические структуры уступали математическим формам.

Камнем преткновения ньютоновского мировоззрения была проблема представления сил, которые передаются на расстоянии, таких как гравитация, электричество и магнетизм. Ученые-ньютоновцы подходили к этой проблеме по-разному. Картезианцы выступали за эфирное посредничество и тонкие жидкости, передающие силы через пространство. С другой стороны, другие утверждали, что пустое пространство все еще возможно, потому что математические модели были эмпирически успешными без описания какого-либо агента передачи [6].

Рассвет физики энергии девятнадцатого века открыл новую эру научных исследований, во время которой действия на расстоянии вызвали острые споры. Среди его самых непримиримых критиков Майкл Фарадей отказывался от ньютоновских действий на расстоянии, которые, как объяснил его современник Джон Тиндалл, «сбивали его с толку и сбивали с толку» на протяжении всей его жизни [5]. Фарадей отказывался принимать дистанционные действия на том основании, что, по сути, математика просто сработала.

Фарадею не хватало классической математической подготовки, которая научила бы его принять математику как метафизику.Он вошел в научный круг, работая ассистентом сэра Хамфри Дэя в Королевском институте. Несмотря на свое скромное начало, Фарадей в конечном итоге превзошел даже опыт Дэви и превратился в одного из самых творческих мыслителей XIX века. К 1830-м годам он бросил вызов действию на расстоянии, обнаружил явления электромагнитной индукции и предположил, что «силовые линии» передают невидимые влияния между телами.

И все же, несмотря на его экспериментальные успехи, свежий подход Фарадея к физике пришелся ценой того, что ему потребовались «переводчики» на благо большего научного сообщества.

Джозеф Тернер описывает отношение Томсона и Максвелла к Фарадею как «сравнение силовых линий Фарадея с более известными представлениями» [7], то есть ассимилирование его теории в общепринятые научные и математические соглашения. Будучи более молодыми и образованными современниками Фарадея, Томсон и Максвелл поначалу настороженно относились к тому, как Фарадей «говорил» о физике [2]. Другими словами, в его неортодоксальном подходе к науке остались следы его рабочего опыта. Томсон даже напомнил, что он отверг то немногое, что он знал об идеях Фарадея в начале 1840-х годов [8], несмотря на то, что Томсон широко известен пониманием и применением теории Фарадея в тот период.

Максвелл обратился к своему прежнему скептицизму в сокрушительном призыве к читателям в предисловии 1873 года к его Трактату об электричестве и магнетизме , через шесть лет после смерти Фарадея, объясняя:

«Я знал, что должен был быть разница между способом представления феноменов Фарадея и способом математиков, так что ни он, ни они не были удовлетворены языком друг друга … Продолжая изучение Фарадея, я понял, что его метод представления явлений также был математическим, правда, не выставлены в общепринятом виде математических символов.Я также обнаружил, что эти методы можно было выразить в обычных математических формах и, таким образом, сравнить с методами математиков … Когда я перевел то, что я считал идеями Фарадея, в математическую форму, я обнаружил, что в целом результаты Эти два метода совпали, так что одни и те же явления были объяснены, и одни и те же законы действия были выведены обоими методами, но что методы Фарадея напоминали методы, в которых мы начинаем с целого и приходим к частям путем анализа, в то время как обычные математические методы основывались на принципе начала с частей и построения целого путем синтеза »[9].

Как описывает здесь Максвелл, методы Фарадея были жизнеспособными, но требовали принуждения тренированного ума к «обычным математическим формам». В конечном итоге для Максвелла важен конечный результат его трудов по переводу: метод Фарадея согласуется с уже принятыми математическими условностями. Хотя он подтверждает Фарадея, его меньше беспокоят воображаемые различия, которые язык порождает при достижении конвергенции, решения.

Это утверждение, с которым некоторые читатели могут не согласиться, особенно учитывая знаменитый аргумент Максвелла о силе создания знания с помощью «Физической аналогии.Да и сам Максвелл глубоко увлекался образным языком как теоретической модальностью. Тем не менее, я утверждаю, что эта эвристика аналогий со стороны как Максвелла, так и Томсона косвенно переписала то же общепринятое знание, которое оно якобы нарушало. Фарадей теоретизировал поля; они восстановили доминирующие механистические модели жидкости, чтобы описать то, что «имел в виду Фарадей».

Поскольку Максвелл и Томсон применили жидкие аналогии, чтобы перенести Фарадея в стандартную математику, один из способов приблизиться к их соответствующим переводам Фарадея — это спросить, что аналогия значила для этих ученых.Максвелл ввел физическую аналогию как «среднее» между чистой математикой и физической гипотезой. Он считал, что аналогия закрывает разрыв между двумя одинаково практичными научными методами, одновременно производя новое знание [7]. Томсон, с другой стороны, использовал аналогию, когда ему нужно было понять одну ветвь физики с точки зрения другой.

Большинство историков науки признают, что Томсон синтезировал идеи Фарадея с теорией теплового потока, чтобы описать, как ток проходит по проводам.Тем не менее, Томсон использовал электростатику в аналогии с теплопередачей, потому что она предоставила новый способ увидеть или познать явление, которое ему было нелегко увидеть или познать. Он уже принимал участие в изучении теплопередачи и использовал исследования Фарадея как творческий инструмент, служивший устоявшейся эпистемологической структуре.

Поскольку язык имел значение для этих ученых, особый способ «говорить» и писать о физике Фарадей имеет большое значение для интерпретации его теории.Он сформулировал явную необходимость для математически подготовленных ученых деконструировать свои теоретические предположения в терминах более конкретных, чем символические представления физических явлений.

Например, когда Андре-Мари Ампер свел магнетизм к движению потоков жидкости, Фарадей осудил вывод Ампера как случайный результат математического открытия, не прибегая к демонстрации своего процесса исследования [2]. Напротив, Фарадей действительно предоставил обширную экспериментальную демонстрацию и логическое обоснование своей теории, поэтому возвращение Томсона и Максвелла к гибкой аналогии, на мой взгляд, несколько озадачивает.

В ходе перевода Фарадея Максвелл превратил фарадеевское описание электромагнитного поля в аналогию потока, которую мы до сих пор используем в традиционном физическом образовании. Максвелл утверждал, что «в каждом случае движение электричества подчиняется тем же условиям, что и движение несжимаемой жидкости» [10], и далее призвал читателей рассматривать диэлектрики или специальные материалы, которые сопротивляются электрическому току, как упругие сетки, удерживающие это жидкость на месте [11].

Томсон пришел к работам Фарадея раньше, чем Максвелл, и не столько переводил и не расширял Фарадея, сколько просто ассимилировал его с собственными проектами Томсона.Традиционная интерпретация работы Томсона предлагает нам предположить, что он принял теорию Фарадея к началу 1840-х годов, работая над аналогией между электростатическим «потоком» и тепловым «потоком». Однако, как убедительно демонстрирует Джед Бухвальд в своем сравнении работ Томсона и Фарадея, «Томсон в 1845 году вводил теоретические понятия, чуждые теории Фарадея, в отношении которых он был не совсем ясен … Новая формулировка Томсона впоследствии рассматривалась как сущность электростатики Фарадея». [8].

Несмотря на бесспорно решающую роль Томсона и Максвелла в развитии теории электромагнитного поля, оригинальные идеи Фарадея заметно отличаются от их переводов.

Ученые, занимающиеся исследованиями науки и технологий (STS), тщательно обсудили механическую тенденцию западной науки сглаживать различные и многоуровневые точки зрения на условности [12]. Ассимиляция Фарадея в уже принятую научную традицию превратила один способ представления в другой, доминирующий.Другими словами, научная достоверность зависит от ряда переменных, в том числе от способности ученого следовать институциональным соглашениям. Фарадей был гениален, и он мыслил «нестандартно», как мы говорим, но все это не имело значения для институциональных кругов, пока его теории не стали понятны авторитетам викторианской науки.

В своей книге Laboratory Life Бруно Латур и Стив Вулгар утверждают, что «кредитные циклы» лежат в основе мотивации научного прогресса.«Кредит как надежность» действует как товар, который можно накапливать, распространять и / или терять. Таким образом, проекты ученых являются «инвестициями» в экономику доверия, где успех проекта способствует увеличению символического капитала ученого [13]. Хотя мы не можем проводить прямые сравнения между лабораториями двадцатого века, которые изучали Латур и Вулгар, и викторианской институциональной наукой, мы, , можем утверждать, , что производство знаний в викторианскую эпоху было не менее ограничено условностями и престижной экономикой, чем науки последних десятилетий.Фактически, Кросби Смит усилил этот аргумент, заявив, что «стремление к национальному авторитету» [14] было основной целью первых создателей физики энергии.

В то время как работа Фарадея предоставила пространство для крупномасштабного развития теории поля, она была преобразованием ценности идей Фарадея в интерпретации этих идей Максвеллом и Томсоном, которые закрепили теорию поля как законную институциональную науку. Фарадей действительно работал в Королевском институте и, таким образом, действовал в рамках структуры институционального производства знаний, но было бы ошибкой не признать, что его первоначальная теория возникла как разрыв в институциональном мышлении.

Более того, если бы Фарадей , а не совершил этот гигантский творческий скачок в области электромагнитной индукции, у Эйнштейна, возможно, не возникло бы своей «самой счастливой мысли». В системе, которая вознаграждает инвестиции в «стремление к национальному авторитету», мы во многом обязаны взглядам, которые серьезно расходятся с этими условностями.

Фарадей и электромагнитная теория света

Майкл Фарадей (22 сентября 1791 — 25 августа 1867), вероятно, наиболее известен своим открытием электромагнитной индукции, его вкладом в электротехнику и электрохимию или тем, что он отвечал за введение концепции поля в физике. описать электромагнитное взаимодействие.Но, возможно, не так хорошо известно, что он также внес фундаментальный вклад в электромагнитную теорию света .

В 1845 году, всего 170 лет назад, Фарадей обнаружил, что магнитное поле влияет на поляризованный свет — явление, известное как магнитооптический эффект или эффект Фарадея. Чтобы быть точным, он обнаружил, что плоскость вибрации луча линейно поляризованного света, падающего на кусок стекла, вращалась, когда магнитное поле было приложено в направлении распространения луча.Это было одно из первых указаний на связь электромагнетизма и света. В следующем году, в мае 1846 года, Фарадей опубликовал статью Мысли о вибрациях лучей , пророческую публикацию , в которой он предположил , что свет может быть вибрацией электрических и магнитных силовых линий.

Майкл Фарадей (1791-1867) / Источники: Wikipedia

Случай Фарадея нечасто встречается в истории физики: хотя его обучение было очень простым, законы электричества и магнетизма в гораздо большей степени связаны с экспериментальными открытиями Фарадея, чем с любыми другими учеными.Он открыл электромагнитной индукции , что привело к изобретению динамо-машины, предшественницы электрического генератора. Он объяснил электролиз с точки зрения электрических сил, а также представил такие концепции, как поле и силовые линии, , которые не только были фундаментальными для понимания электрических и магнитных взаимодействий, но и легли в основу дальнейших достижений в физике.

Майкл Фарадей родился в Южном Лондоне в скромной семье.Единственное базовое формальное образование, которое он получил в детстве, — это чтение, письмо и арифметика. Он бросил школу, когда ему было тринадцать, и начал работать в переплетном магазине. Его страсть к науке была пробуждена описанием электричества , которое он прочитал в копии Британской энциклопедии , которую он подписывал, после чего он начал экспериментировать в импровизированной лаборатории. 1 марта 1813 года Фарадей был нанят в качестве лаборанта Хэмфри Дэви в Королевском институте в Лондоне, членом которого он был избран в 1824 году и где он проработал до своей смерти в 1867 году, сначала помощником Дэви, затем его сотрудником и, наконец, , после смерти Дэви, как его преемник.Фарадей произвел на Дэви такое впечатление, что когда последнего спросили о его величайшем открытии, Дэви ответил: «Моим величайшим открытием был Майкл Фарадей». В 1833 году он стал первым фуллеровским профессором химии в Королевском институте. Фарадей также признан великим популяризатором науки. В 1826 году Фарадей основал в Королевском институте «Пятничные вечерние лекции», которые являются каналом связи между учеными и мирянами. В следующем году он запустил Рождественские лекции для молодежи, которые ежегодно транслируются по национальному телевидению, серию, цель которой — представить науку широкой публике.Многие из этих лекций читал сам Фарадей. Оба они продолжаются по сей день.

Майкл Фарадей читает рождественскую лекцию в Королевском институте в 1856 г. / Источники: Википедия

Фарадей сделал свое первое открытие электромагнетизма в 1821 г. Он повторил эксперимент Эрстеда , поместив небольшой магнит вокруг токоведущего провода и убедившись, что сила, действующая со стороны ток на магните был круговым. Как он объяснил много лет спустя, провод был окружен бесконечной серией круговых концентрических силовых линий , которые он назвал магнитным полем тока. Он взял работу Эрстеда и Ампера о магнитных свойствах электрических токов в качестве отправной точки и в 1831 году получил электрический ток от изменяющегося магнитного поля, явление, известное как электромагнитная индукция . Он обнаружил, что, когда через катушку пропускают электрический ток, в соседней катушке генерируется еще один очень короткий ток. Это открытие ознаменовало решающую веху в прогрессе не только науки, но и общества , и сегодня оно используется для производства электроэнергии в больших масштабах на электростанциях.Это явление открывает кое-что новое об электрических и магнитных полях. В отличие от электростатических полей, создаваемых электрическими зарядами в состоянии покоя, циркуляция которых по замкнутому пути равна нулю (консервативное поле), циркуляция электрических полей, создаваемых магнитными полями, происходит по замкнутому пути, отличному от нуля. Эта циркуляция, которая соответствует наведенной электродвижущей силе, равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, граница которой представляет собой проволочную петлю ( закон индукции Фарадея ).Фарадей изобрел первый электродвигатель, первый электрический трансформатор, первый электрический генератор и первую динамо-машину, поэтому Фарадея можно без всяких сомнений назвать отцом электротехники .

Фарадей отказался от теории жидкости для объяснения электричества и магнетизма и ввел концепции поля и силовых линий , отойдя от механистического объяснения природных явлений, таких как действия Ньютона на расстоянии. Введение Фарадеем концепции поля в физику, возможно, является его наиболее важным вкладом и было описано Эйнштейном как великое изменение в физике , потому что оно обеспечило электричество, магнетизм и оптику общей структурой физических теорий.Однако силовые линии Фарадея не были приняты до тех пор, пока несколько лет спустя не появился Джеймс Клерк Максвелл.

Как отмечалось в начале этой статьи, другим и, возможно, менее известным эффектом, обнаруженным Фарадеем, было влияние магнитного поля на поляризованный свет, явление, известное как эффект Фарадея или магнитооптический эффект . Пытливый ум Фарадея не удовлетворился простым открытием взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Он также хотел определить, влияют ли магнитные поля на оптические явления. Он верил в единство всех сил природы, в особенности света, электричества и магнетизма. 13 сентября 1845 года он обнаружил, что плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается, когда этот свет проходит через материал, к которому в направлении распространения света приложено сильное магнитное поле. Фарадей написал в абзаце № 7504 своего документа Dairy :

.

«Сегодня работал с магнитными силовыми линиями, проводя их через разные тела (прозрачные в разных направлениях) и в то же время пропуская через них поляризованный луч света (…) на поляризованном луче производился эффект, и, таким образом, магнитный доказано, что сила и свет связаны друг с другом ».

Это, безусловно, было первым явным указанием на связь магнитной силы и света друг с другом, а также показало, что свет связан с электричеством и магнетизмом. В связи с этим явлением Фарадей также писал в том же абзаце:

.

«Этот факт, скорее всего, окажется чрезвычайно плодотворным и очень ценным при исследовании обоих условий естественной силы».

Он не ошибся. Этот эффект является одним из краеугольных камней электромагнитной теории света.

Вращение поляризации из-за эффекта Фарадея / Источники: адаптировано из Википедии

В выступлении королевского института в пятницу вечером, проведенном в апреле 1846 года, Фарадей предположил, что свет может быть некоторой формой возмущения, распространяющегося вдоль силовых линий . На самом деле именно в эту пятницу Чарльз Уитстон должен был выступить с докладом о своем хроноскопе. Однако в последнюю минуту Уитстона охватил приступ страха перед сценой, и Фарадей выступил с речью Уитстона.Так как он закончил раньше срока, он заполнил оставшиеся минуты, раскрывая свои мысли о природе света . Речь Фарадея была опубликована в том же году в журнале Philosophical Magazine под заголовком Мысли о лучевых вибрациях . Фарадей даже осмелился поставить под сомнение существование светоносного эфира — научная ересь того времени — который должен был быть средой для распространения света, как так элегантно Френель описал в своей волновой теории света.Он предположил, что свет может быть не результатом вибраций эфира, а вибрацией физических силовых линий. Фарадей попытался исключить эфир, но он сохранил вибрации. Почти извиняющимся тоном Фарадей заканчивает свой доклад, в котором говорится:

.

«Я думаю, что вполне вероятно, что я сделал много ошибок на предыдущих страницах, потому что даже мне мои идеи по этому поводу кажутся лишь тенью спекуляции ».

Однако эта идея Фарадея была воспринята со значительным скептицизмом и отвергалась всеми до тех пор, пока в 1865 году не была опубликована статья Максвелла под названием Динамическая теория электромагнитного поля .В этой статье Максвелл не только описывает свою основополагающую электромагнитную теорию света — одну из вех, отмеченных в Международный год света 2015 — но также приписывает идеи, которые в конечном итоге легли в основу его теории, размышлениям Фарадея о лучевых вибрациях . На странице 466 своей статьи со скромностью, всегда свойственной Максвеллу, он ссылается на статью Фарадея 1846 года следующим образом:

«Концепция распространения поперечных магнитных возмущений за исключением нормальных четко изложена профессором Фарадеем в его« Мыслях о лучевых колебаниях ».Электромагнитная теория света, предложенная им [Фарадеем], по сути та же, что и та, которую я начал развивать в этой статье, за исключением того, что в 1846 году не было данных для расчета скорости распространения ».

И на странице 461 своей статьи 1865 года Максвелл также упоминает о магнитооптическом эффекте, заявляя:

«Фарадей обнаружил, что когда плоско поляризованный луч пересекает прозрачную диамагнитную среду в направлении силовых линий магнитного поля, создаваемых соседними магнитами или токами, плоскость поляризации вращается».

Всего Майкл Фарадей цитируется шесть раз и трижды упоминается в статье Максвелла 1865 года. Однако это неудивительно, учитывая, что большая часть работ Максвелла основана на работах Фарадея, и Максвелл математически смоделировал большинство открытий Фарадея по электромагнетизму в теорию, которую мы знаем сегодня.

Электромагнитные волны, о существовании которых Фарадей размышлял в 1846 году в своих мыслях о лучевых колебаниях , и которые были математически предсказаны Максвеллом в 1865 году, наконец, были получены в лаборатории Герца в 1888 году.Остальное уже история. Ясно, что Максвелл открыл дверь в физику двадцатого века, но не менее ясно, что Фарадей дал Максвеллу некоторые из ключей, которые он использовал.

В 1676 году Ньютон послал своему сопернику Гуку письмо, в котором написал: «Если я и видел дальше, то это было то, что он стоял на плечах гигантов» (*). Двести пятьдесят лет спустя, во время одного из визитов Эйнштейна в Кембридж, Великобритания, кто-то заметил: «Вы сделали великие дела, но стоите на плечах Ньютона». Эйнштейн ответил: «Нет, я стою на плечах Максвелла».Если бы кто-то сказал то же самое Максвеллу, он, вероятно, сказал бы, что стоял на плечах Фарадея .

(*) Хотя это предложение интерпретируется некоторыми авторами как саркастическое замечание, направленное на горбатую внешность Гука, в настоящее время эта фраза обычно используется в положительном ключе. Комментарий Ньютона — это заявление о том, что наука представляет собой серию постепенных достижений, в основе которых лежат уже достигнутые ранее (см., Например, книгу Стивена Хокинга под названием « На плечах гигантов, »).

Аугусто Белендес

Профессор прикладной физики Университета Аликанте (Испания) и член Королевского физического общества Испании

Библиография

• А. Диас-Хеллин, Фарадей: El gran cambio en la Física (Nívola. Madrid, 2001).
• Ордоньес, В. Наварро и Х. М. Санчес Рон, Historia de la ciencia (Espasa Calpe. Madrid, 2013).
• Форбс и Б. Махон, Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: как два человека революционизировали физику (Prometheus Books.Нью-Йорк, 2014).
• Зайонц, Улавливая свет: переплетенная история света и разума (Oxford University Press, Нью-Йорк, 1995)
• Хокинг, На плечах гигантов: великие труды по физике и астрономии (Running Press. Philadelphia, 2002)
• Мансурипур, Классическая оптика и ее приложения (Издательство Кембриджского университета. Кембридж, 2002)

Мягкий зеленый дизайн

История и качественная справка:

Производство электроэнергии в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, основано на электромагнитная индукция.Джозеф Генри был первым физиком, открывшим электромагнитное индукции в 1831 г., однако открытие часто приписывают Майклу Фарадею, так как он был первым опубликовать статью и провел свой первый эксперимент по электромагнитной индукции на 29 августа 1831 г.

Силовые линии и уравнения Максвелла:

Фарадей объяснил электромагнитную индукцию, используя концепцию, названную силовые линии, которые были отвергнуты основными учеными из-за отсутствия математических доказательств до 1861 г., когда Джеймс Клерк Максвелл опубликовал набор из 20 дифференциалов уравнения.
Генрих Ленц в 1834 г. успешно описал «поток через цепь. (замкнутый контур) », а также направление индуцированного Электродвижущая сила и ток, вызванные Электромагнитная индукция.

Самый широко используемая версия, как указано ниже:

«Индуцированная электродвижущая сила в любой замкнутой цепи равна отрицательная скорость изменения магнитного потока через цепь.”

мажор Недостатком этой версии закона Фарадея является то, что она верна. только для бесконечно длинной петли замкнутого провода. В Уравнение Максвелла-Фарадея является более применимым на практике. версия закона Фарадея.

Количественный Анализ закона Фарадея:

Фарадея Закон индукции объясняет ток, индуцированный в петле проволока из-за изменения магнитного потока через поверхность на используя математическую сферическую поверхность, граница которой является проволочная петля (спермицидная гауссовская гарантия).При условии, что изменение магнитного потока вызвано движением поверхность, Магнитный поток через поверхность определяется как поверхностный интеграл.

d A : бесконечно малый участок поверхности подвижной поверхности

Б : Магнитное поле как функция расстояния и времени.

При изменении потока Электродвижущая сила создается внутри петли.

dl: бесконечно малая длина дуги по проводу
E: электрическое поле

B: магнитный поле

ЭДС также представлена ​​как скорость изменения магнитного потока:

Для плотно намотанной проволоки состоит из одинаковых витков

N: количество витков

Хотя уравнение Фарадея легко вычислим, он практически бесполезен из-за ограничение, что это применимо только для бесконечно замкнутый цикл.Уравнение Максвелла-Фарадея представляет собой обобщение закона Фарадея, которое преодолевает это ограничение.

Уравнение Максвелла-Фарадея:

Уравнение Максвелла-Фарадея утверждает, что «изменяющееся во времени магнитное поле всегда сопровождается пространственно меняющимся, неконсервативным электрическое поле и наоборот ».

Математически,

Где:

E — электрическое поле

B — магнитное поле.

dℓ — это бесконечно малый векторный элемент контура

d A — это бесконечно малый векторный элемент поверхности

Используется правило правой руки чтобы получить направление и, следовательно, знак индуцированного текущий

.