ВЫСШАЯ ЦЕЛЬ ФИЗИКА [1]
АВТОР:
PROFESSOR HENRY A. ROWLAND
НАУКА
РЕДАКЦИОННЫЙ КОМИТЕТ: С. НЬЮКОМ, математика; Р. С. ВУДВОРД, механика; Э. К. ПИКЕРИНГ, астрономия; Т. К. МЕНДЕНХОЛЛ, физика; Р. Г. ТЕРСТОН, инженерное дело; АЙРА РЕМСЕН, химия; Дж. ЛЕ КОНТ, геология; У. М. ДЭВИС, физиография; ГЕНРИ Ф. ОСБОРН, палеонтология; У. К. БРУКС, К. ХАРТ МЕРРИАМ, зоология; С. Г. СКАДДЕР, энтомология; Ч. Э. БЕССИ, Н. Л. БРИТТОН, ботаника; Ч. С. МАЙНОТ, эмбриология, гистология; Г. П. БОУДИЧ, физиология; Дж. С. БИЛЛИНГС, гигиена; Дж. МАККИН КЭТТЕЛЛ, психология; Дж. У. ПАУЭЛЛ, антропология.
АМЕРИКАНСКАЯ АССОЦИАЦИЯ СОДЕЙСТВИЯ РАЗВИТИЮ НАУКИ
FRIDAY, DECEMBER 8, 1899
ГОСПОДА И КОЛЛЕГИ-ФИЗИКИ АМЕРИКИ: Мы собрались сегодня по случаю, который знаменует собой эпоху в истории физики в Америке; пусть будущее покажет, что он также знаменует собой эпоху в истории науки, для развития которой организовано наше Общество! Ибо мы собрались здесь в интересах науки, которая превыше всех наук имеет дело с основами Вселенной, с устройством материи, из которой создано всё во Вселенной, и с эфиром пространства, посредством которого только и могут различные части материи, образующие Вселенную, воздействовать друг на друга даже на таких расстояниях, которые мы, возможно, никогда не рассчитываем преодолеть, каков бы ни был прогресс нашей науки в будущем.
Мы, посвятившие свои жизни решению задач, связанных с физикой, теперь собрались вместе, чтобы помогать друг другу и продвигать интересы предмета, который мы любим. Предмета, который наиболее сильно взывает к лучшим инстинктам нашей природы и задачи которого напрягают наш ум до предела его возможностей, предлагая самые грандиозные и благородные идеи, на которые он способен.
В стране, где доктрина равных прав человека была искажена до такой степени, что стала означать равенство людей и в других отношениях, мы образуем небольшую и уникальную группу людей — «новую разновидность человеческого рода», как называет её один из наших величайших ученых, — чьи взгляды на то, что составляет величайшее достижение в жизни, сильно отличаются от взглядов окружающих. В этом отношении мы образуем аристократию — не богатства, не родословной, а интеллекта и идеалов, оказывая высочайшее уважение тому, кто больше всего приумножает наши знания или стремится к ним как к высшему благу.
Таким образом, мы встречаемся для взаимного сочувствия и обмена знаниями, и пусть мы всегда будем делать это с пониманием пользы для нас самих и, возможно, для нашей науки. Прежде всего, давайте культивировать идею достоинства нашего занятия, чтобы это чувство поддерживало нас посреди мира, который расточает свои высшие похвалы не тем, кто занимается фундаментальной теоретической физикой, для развития которой создано наше Общество, а тем, кто использует её для удовлетворения физических, а не интеллектуальных потребностей человечества. Тот, кто заставляет расти два колоска там, где раньше рос один, является благодетелем человечества; но тот, кто в безвестности трудился над открытием законов такого роста, является интеллектуально выше, а также является большим благодетелем из двоих.
В каком же положении находится наша страна в этом отношении? Мой ответ должен оставаться прежним, сейчас, как и пятнадцать лет назад: значительная часть интеллекта страны всё ещё растрачивается в погоне за так называемой прикладной наукой, которая служит нашим физическим потребностям, и лишь малая доля внимания и средств уделяется более грандиозной части предмета, которая взывает только к нашему интеллекту. Но ваше присутствие здесь свидетельствует о том, что такое положение не будет длиться вечно.
Даже в прошлом у нас были имена, которые ученые всего мира рады чтить. Франклин, который почти произвел революцию в науке об электричестве несколькими простыми, но глубокими экспериментами. Граф Румфорд, чьи эксперименты почти доказали природу тепла. Генри, который мог бы сделать многое для прогресса физики, если бы более полно опубликовал результаты своих исследований. Майер, чьи простые и остроумные эксперименты были источником удовольствия и пользы для многих. Это скудный список тех, о ком смерть позволяет мне говорить и кто заслужил упоминание здесь, сделав что-то для прогресса нашей науки. И всё же записи просматривались более ста лет. Как всё было бы иначе, если бы я начал перечислять тех, кто сделал полезные и выгодные изобретения!
Но я знаю, глядя в лица тех, кто передо мной, где пытливый интеллект и высокая цель восседают на телах, обладающих энергией и силой юности, что автор через сто лет уже не сможет бросить такой упрек нашей стране. И мы не можем винить тех, кто был до нас. Прогресс любой науки показывает нам условия её роста. Очень немногие люди, если они изолированы в полуцивилизованной стране, имеют желание или возможность заниматься высшими областями науки. Даже если бы они были способны на это, их влияние на свою науку зависит от того, что они публикуют и делают известным миру. Мы можем представить философа-отшельника, который мог бы сделать много полезных открытий. Однако, если он держит их при себе, он никогда не сможет претендовать на то, что принес хоть какую-то пользу миру. Его неопубликованные результаты — его личное приобретение, но мир не становится лучше, пока он не сделает их известными на языке, достаточно сильном, чтобы привлечь к ним внимание и убедить мир в их истинности. Таким образом, чтобы поощрять рост любой науки, лучшее, что мы можем сделать, — это встречаться вместе в её интересах, обсуждать её проблемы, критиковать работу друг друга и, что самое лучшее, предоставлять средства, с помощью которых лучшая её часть может быть сделана известной миру. Более того, давайте поощрять разборчивость в наших мыслях и работе. Давайте признаем эпохи, когда в наш предмет были привнесены великие мысли, и давайте чтить великих людей, которые ввели их и доказали их правильность. Давайте навсегда отвергнем такие глупые идеи, как равенство человечества, и будем тщательно отдавать большее признание более великому человеку. Поэтому, выбирая темы для наших исследований, давайте, по возможности, работать над теми предметами, которые в конечном итоге дадут нам продвинутые знания о каком-либо великом предмете. Я осознаю, что мы не всегда можем это делать; наши идеи часто будут течь по побочным каналам; но, имея перед собой великие проблемы Вселенной, мы, возможно, когда-нибудь сможем внести свой вклад в более великую цель.
Что такое материя; что такое гравитация; что такое эфир и излучение через него; что такое электричество и магнетизм; как они связаны между собой и каково их отношение к теплу? Это величайшие проблемы Вселенной. Но многие бесконечно более мелкие проблемы мы должны атаковать и решить, прежде чем сможем хотя бы догадываться о решении более великих.
В нашем отношении к этим великим проблемам, где мы стоим и каков фундамент наших знаний?
Ньютон и великое множество астрономов, сменивших его, доказали, что в пределах планетных расстояний материя притягивает все остальные тела с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Но какое доказательство этого закона у нас есть? Оно получено из астрономических наблюдений за планетными орбитами. Оно очень хорошо согласуется в этих огромных пространствах; но где доказательство того, что закон справедлив для меньших расстояний? Мы измеряем лунное расстояние и размер Земли и сравниваем силу на этом расстоянии с силой гравитации на поверхности Земли. Но чтобы сделать это, мы должны сравнить материю Земли с материей Солнца. Мы можем сделать это, только предполагая, что закон доказан. Опять же, спускаясь от земной гравитации к гравитации двух малых тел, как в эксперименте Кавендиша, мы предполагаем, что закон справедлив, и выводим массу Земли в единицах нашей массы. Следовательно, когда мы говорим, что масса Земли в 5½ раз больше массы равного объема воды, мы предполагаем, что закон гравитации — это закон Ньютона. Таким образом, доказательство закона от планетных до земных расстояний физически невозможно.
Далее, та часть закона, которая гласит, что гравитационное притяжение пропорционально количеству материи, что равносильно утверждению, что притяжение одного тела другим не затрагивается присутствием третьего, — слабое доказательство, которое мы даем, взвешивая тела на весах в разных положениях относительно друг друга, не может быть принято в большем масштабе. Когда мы сможем разорвать Солнце на две части и доказать, что любая из двух половин притягивает вдвое меньше, чем целое, тогда у нас будет доказательство, заслуживающее упоминания.
Затем, что мы можем сказать об отношении гравитации и времени? Можем ли мы хоть на мгновение предположить, что гравитация двух тел, движущихся через пространство с огромными скоростями, остается неизменной? Я так не думаю. Мы также не можем принять доказательство Лапласа о том, что сила гравитации действует мгновенно через пространство, ибо мы легко можем представить некоторые компенсирующие особенности, о которых не подумал Лаплас.
Как мало мы знаем тогда об этом законе, который находится под наблюдением уже двести лет!
Затем, что касается самой материи, как изменились наши взгляды и как они постоянно меняются. Круглый твердый атом Ньютона, который только Бог мог разбить на части, стал молекулой, состоящей из многих атомов, и каждый из этих меньших атомов стал настолько упругим, что после 100 000 колебаний амплитуда его вибрации едва уменьшилась. Он стал настолько сложным, что может вибрировать с тысячами нот. Мы покрываем атом пятнами электричества здесь и там и делаем из него систему, по сравнению с которой планетная система, да и сама Вселенная, — это простота. Более того: некоторые из нас даже претендуют на силу, которую Ньютон приписывал только Богу, — разбивать атом на более мелкие части, размер которых оставлен воображению. Где же тогда тот человек, который невежественно насмехается над изучением материи как над материальным и грубым занятием? Где, опять же, тот человек с дарами, столь божественными, и умом, столь возвышенным, что он может атаковать и решить её проблему?
Всей материи мы приписываем два свойства: гравитацию и инерцию. Без них материя не может существовать. Величайший из естественных законов гласит, что сила гравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Этот закон Ньютона, почти забытый в мыслях физиков, несомненно, имеет огромное значение самого глубокого смысла. Означает ли это, что вся материя в конечном итоге построена из однородных и подобных первичных атомов, или мы можем найти какое-то другое объяснение?
Что молекулы материи не круглые, мы знаем из фактов кристаллографии и действия материи при вращении плоскости поляризации света.
Что части молекул и даже атомов электрически заряжены, мы знаем из электролиза, действия газов в вакуумной трубке и эффекта Зеемана.
Что некоторые из них действуют как маленькие магниты, мы знаем из магнитного действия железа, никеля и кобальта.
Что они упругие, показывает спектр, а то, что вибрирующая часть несет с собой электрический заряд, показывает эффект Зеемана.
Здесь, значит, мы сделали довольно хорошее начало в нашей проблеме: но как далеко мы от полного решения? Как мы можем представить материал, из которого сделаны обычные или первичные атомы, имея дело только с агрегатами атомов? Навсегда скрытые от нашего взора, вибрирующие почти бесконечное число раз в секунду, движущиеся туда-сюда с неугомонной энергией при всех температурах выше абсолютного нуля, — это, безусловно, удивительный подвиг человеческого разума и воображения, что мы знаем столько, сколько знаем сейчас. Ободренные этими результатами, давайте не будем слишком долго задерживаться на их созерцании, а устремимся вперед к новым открытиям, которые ждут нас в будущем.
Затем об электричестве, тонком духе янтаря, демоне, который протягивал свои жадные руки, чтобы притянуть легкие тела в пределах своей досягаемости, жидкости, которая могла бежать через металлы с величайшей легкостью, но могла быть остановлена хрупким куском стекла! Где оно теперь? Исчезло, выброшено на свалку наших отброшенных теорий, чтобы быть замененным гораздо более благородной и возвышенной теорией действия в эфире пространства.
И так мы подходим к рассмотрению той другой великой сущности — эфира: заполняющего всё пространство без предела, мы представляем эфир как единственное средство, с помощью которого две части материи, удаленные друг от друга, могут иметь какое-либо взаимное действие. С его помощью мы представляем каждый атом во Вселенной связанным с каждым другим атомом силой гравитации и часто силой магнитного и электрического действия, и мы полагаем, что только он передает вибрационное движение каждого атома или молекулы в пространство, чтобы навсегда потеряться в бесконечном излучении, уходя в бесконечное пространство или поглощаясь какими-то другими атомами, которые случайно оказались на его пути. С его помощью вся электромагнитная энергия передается от слабого притяжения натертого янтаря через многие тысячи лошадиных сил, передаваемых по электрическим проводам от Ниагары, до мощного потока энергии, постоянно текущего от Солнца в потоке излучения. Действия слабые и действия могучие, от межмолекулярных расстояний через межпланетные и межзвездные расстояния, пока мы не достигнем огромных расстояний, ограничивающих Вселенную, — все они имеют свое бытие в этом чудесном эфире.
И все же, как бы чудесен он ни был, его законы гораздо проще, чем законы материи. Каждая волна в нем, какой бы длины или интенсивности она ни была, движется вперед согласно хорошо известным законам, все с одной и той же скоростью, не меняя направления от своего источника в наэлектризованной материи до пределов Вселенной, не теряя энергии, если только она не нарушается присутствием материи. Как бы волны ни пересекали друг друга, каждая движется сама по себе, не мешая другим.
Так и в отношении гравитации: у нас нет доказательств того, что присутствие третьего тела влияет на взаимное притяжение двух других тел, или что присутствие третьего количества электричества влияет на взаимное притяжение двух других количеств. То же самое для магнетизма.
По этой причине законы гравитации и электрического и магнитного действия, включая излучение, являются самыми простыми из всех законов, когда мы ограничиваем их так называемым вакуумом, но становятся всё более сложными, когда мы рассматриваем их в пространстве, содержащем материю.
Подвергните эфир огромным электростатическим, магнитным или гравитационным силам, и мы не обнаружим абсолютно никаких признаков его разрушения или даже изменения свойств. Приведите его в вибрацию с помощью интенсивно горячего тела, такого как Солнце, и он передает многие тысячи лошадиных сил на каждый квадратный фут поверхности так же тихо и с, по-видимому, неизменными законами, как если бы он передавал энергию сальной свечи.
Опять же, подвергните миллиметр эфира напряжению многих тысяч, да что там, миллиона вольт, и всё же мы не увидим никаких признаков разрушения.
Следовательно, свойства эфира обладают идеальной простотой и ведут к простейшим законам природы. Все силы, действующие на расстоянии, всегда подчиняются закону обратных квадратов расстояния, и мы также имеем притяжение любого количества частей, расположенных близко друг к другу, равное арифметической сумме притяжений, когда эти части разделены. Так же и более простой закон эфирных волн, который был упомянут выше.
В настоящее время, благодаря трудам Максвелла, дополненным трудами Герца и других, мы пришли к великому обобщению, что все волновые возмущения в эфире имеют электромагнитную природу. Мы знаем мало или совсем не знаем эфирных возмущений, которые могут быть вызваны движением одной только материи: материя должна быть наэлектризована, чтобы иметь достаточное сцепление с эфиром для передачи своего движения эфиру. Эффект Зеемана даже показывает, что это так, когда речь идет о молекулах и когда период вибрации чрезвычайно велик. Действительно, эксперимент по магнитному действию электрической конвекции показывает то же самое. Наэлектризовывая движущийся диск, кажется, что диск крепко держится за эфир и тянет его за собой, тем самым создавая своеобразное эфирное движение, известное как магнетизм.
Разве у нас нет другого случая подобного рода, когда огромная гравитационная масса, подобная земной, вращается вокруг своей оси? Разве материя не имеет слабого сцепления с эфиром, достаточного для создания земного магнетизма?
Но эксперимент Лоджа по обнаружению такого действия, по-видимому, показал, что оно должно быть очень слабым. Не мог бы его эксперимент увенчаться успехом, если бы он использовал электрический вращающийся диск?
Обнаружить что-то, зависящее от относительного движения эфира и материи, было и остается великим желанием физиков. Но мы всегда обнаруживаем, что, за одним возможным исключением, всегда есть какая-то компенсирующая особенность, которая делает наши усилия бесполезными. Этот единственный эксперимент — аберрация света, но даже здесь Стокс показал, что это можно объяснить одним из двух способов: во-первых, что Земля движется через эфир пространства, не нарушая его, и во-вторых, если она увлекает эфир за собой посредством движения, называемого безвихревым. Даже здесь, однако, величина действия, вероятно, зависит от относительного движения источника света к принимающему телескопу.
Так что принцип Доплера также зависит от этого относительного движения и не зависит от эфира.
Результат экспериментов Фуко по прохождению света через движущуюся воду больше не может интерпретироваться как обусловленный частичным движением эфира вместе с движущейся водой — вывод, обусловленный только несовершенной теорией. Эксперимент Лоджа, который пытался привести эфир в движение с помощью быстро вращающегося диска, не показал такого результата.
Эксперимент Майкельсона по обнаружению эфирного ветра, хотя и доведенный до предела точности, также не смог обнаружить никакого относительного движения материи и эфира.
Но материя с электрическим зарядом крепко держится за эфир и движет его способом, необходимым для магнитного действия.
Когда наэлектризованные тела движутся вместе через пространство или относительно друг друга, мы можем проследить их взаимные действия только при очень медленных и равномерных скоростях. Когда они движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света, равными ей или даже превышающими её, мы рассчитываем их взаимные действия или действие на эфир только в свете нашего воображения, не подкрепленного экспериментом. Выводы Дж. Дж. Томсона, Хевисайда и Герца — все это результаты воображения, и все они основаны на предположениях, более или менее разумных, но всегда предположениях. Математическое исследование всегда подчиняется закону сохранения знаний: мы никогда не получаем из него больше, чем вкладываем. Знание может быть изменено по форме, оно может быть более ясным и более точно сформулированным, но общее количество знаний о природе, полученных в результате исследования, такое же, с которого мы начали. Следовательно, мы никогда не можем предсказать результат в случае скоростей, недоступных для нас, и такие расчеты, как скорость катодных лучей по их электромагнитному действию, имеют большой элемент неопределенности, о чем нам было бы хорошо помнить.