О физических линиях магнитной силы

(«Royal Institution Proceedings», 11 июня 1852 г.)

Выше были описаны и определены известные силы около магнитного стержня (видимые при употреблении железных опилок, рассыпанных вблизи магнита), как точно выражающие природу, состояние, направление и количество силы в данной области внутри или снаружи стержня. В то время эти линии рассматривались отвлеченно. Не отступая и не отвергая ничего сказанного тогда, исследование касается ныне возможного и вероятного физического существования таких линий. Тот, кто желает вновь рассмотреть различные пункты, касающиеся этих частей учения о магнетизме, может обратиться к двум статьям первой части «Phil. Trans.» за 1852 г. о данных, касающихся изображающих (representative) линий силы, и к статье «Phil. Magaz.», 4 серия, т. III, стр. 401, 1852, о доказательстве физических линий силы.

Многие силы явно действуют на расстоянии; их физическая природа непонятна для нас, однако мы можем узнать о них много реального и положительного и между прочим о состоянии пространства между телом, действующим и подверженным действию, или между двумя взаимодействующими телами. Такие силы показывают нам явления тяготения, света, электричества, магнетизма и пр. При ближайшем исследовании они обнаруживают замечательные различия в соответственных линиях силы и доказывают в некоторых случаях существование реальных физических линий; они также облегчают рассмотрение специального вопроса о магнетизме.

Когда два тела a, b тяготеют друг к другу, они взаимно действуют по прямой линии, ибо такова линия, которой они следовали бы при свободном движении. Притягательная сила не изменяется ни по направлению, ни по количеству, если третье тело действует тяготением или иным образом на один из них или на оба. Висящий медный цилиндр тяготеет к земле точно таким же образом, висит ли он свободно, подобно маятнику, или отклонен в сторону другими притяжениями или натяжением, каково бы ни было количество последних. Тело а может подвергаться новой силе тяготения, но это ничуть не влияет на количество силы, которой оно действует на b. Мы не имеем свидетельств, что время влияет на эту силу, каково бы ни было расстояние между действующими телами от солнца до земли или от звезды до звезды. Мы с трудом можем представить себе силу в одной лишь частице самой по себе; мы воспринимаем ее лишь, когда имеются две или более частиц. Но в этом представлении мы не замечаем различия характера силы в разных частицах: все частицы одного рода равны, взаимно заменимы (mutual) и подобны друг другу. В случае тяготения мы не имеем перед собой действия, которое указывало бы на наличие независимой или физической линии силы; и в пределах наших теперешних знаний можно утверждать, что линия тяготения есть лишь идеальная линия, представляющая направление, в котором действует сила.

Возьмем солнце в отношении другой силы, которой оно действует на землю, именно его свет или теплоту. В этом случае лучи (представляющие линии силы) проходят через промежуточное пространство, но мы можем воздействовать на эти линии помощью разных сред, через которые они проходят. Мы можем изменять их направление отражением или преломлением; мы можем заставить их идти по кривым или ломаным линиям. Мы можем отделять их от их источника, следовать за ними и перехватывать их прежде, чем они достигнут своей цели. Они имеют связь с временем и требуют 8 мин. на прохождение от солнца до земли, так что они могут существовать независимо от своего источника или конечной цели и действительно имеют явно определенное физическое существование. Они в этом отношении, точно так же как и в отношении их состояния на своих концах, представляют крайний контраст с линиями тяготения. Два тела, образующие концы линии тяготения, одинаковы в этих их действиях во всех отношениях, так что линия, соединяющая их, представляет одинаковые условия в обоих направлениях. Два тела на концах луча крайне несходны в своих действиях: одно является источником, а другое – разрушителем линии, и сама линия имеет свойства потока, текущего в одном направлении. В этих двух случаях – тяготения и излучения – очевидна разница между отвлеченной и физической линией силы.

Обращаясь к статическому электричеству, мы находим притяжение (и другие действия) на расстоянии, как и в прежних случаях; но если сравнивать это притяжение с тяготением, то обнаруживаются поразительные различия, которые непосредственно касаются вопроса о физической линии силы. Прежде всего, исследуя тела, ограничивающие или оканчивающие линии электрического притяжения, мы находим, как прежде, что они взаимно и равно участвуют в действии, но они не сходны, напротив, хотя каждое наделено силой, которая, вообще говоря, имеет сходную природу, однако они представляют такой контраст, что их действия на строение тела, находящееся в состоянии, подобном состоянию каждого из них, совершенно обратны их действию друг на друга: то тело, которое одно из них притягивает, другое отталкивает, и сила обнаруживается как одно из проявлений агента (power), обладающего двойственным и антитетическим характером. Но при таких агентах двойственной природы притяжение может иметь место лишь тогда, когда оба состояния силы наличны через посредство линий силы. Другое существенное ограничение состоит в том, что эти два состояния должны быть точно равны по количеству, не только в отношении действия притяжения, но и во всяком ином отношении, ибо невозможно создать такие условия, чтобы было или развивалось больше электрической силы одного рода, чем другого. Следующее ограничение состоит в том, что они должны быть в физической связи друг с другом, и когда положительно и отрицательно наэлектризованные поверхности соединены силовыми линиями, то мы не можем прервать эту связь иначе, как переводя силы этих поверхностей в равные количества противоположных сил, полученных в другом месте. Еще одно ограничение состоит в том, что сила имеет определенное количество. Если шар а заряжен 10 единицами положительного электричества, то он может действовать этим запасом силы на другой шар b, заряженный 10 единицами отрицательного электричества; но если 5 единиц заряда а отняты третьим шаром с, заряженным отрицательным электричеством, то шар а может действовать лишь 5 единицами силы на шар и этот шар должен найти или развить 5 единиц положительного электричества в другом месте. Это совершенно отлично от того, что происходит с тяготением, которое не представляет ничего двойственного по своему характеру. Наконец, электрическая сила действует по кривым линиям. Если шар наэлектризован положительно и изолирован в воздухе и на расстоянии 12 или 15 дюймов помещается круглая неизолированная и обращенная к шару металлическая пластинка, то последняя по указанному выше правилу окажется в отрицательном состоянии. Но она заряжена отрицательно не только на стороне, обращенной к шару, но и на другой, или внешней, стороне, как это может быть обнаружено пробным шариком или привешенной золотой или серебряной полоской. Но сила, действующая на эту поверхность, проходит не сквозь неизолированную пластинку, ибо ведь тончайший листок золота способен остановить индуктивное действие, а огибая ребра поверхности, и потому действует по кривым линиям. Все эти явления указывают на существование физических линий электрической силы: абсолютно существенная связь положительной и отрицательной поверхностей и их зависимость друг от друга, находящаяся в контрасте с известной подвижностью сил, не допускают другого вывода. Действие по кривым линиям должно также зависеть от физической природы силовой линии. Третье важное свойство силы ведет к тому же заключению, а именно, указывает на действие на нее сред, имеющих разные удельные индуктивные способности.

При переходе к динамическому электричеству существование физических силовых линий становится гораздо очевиднее. Вольтаическая батарея, полюсы которой связаны проводящей средой, представляет то, что выразительно было названо током силы, идущим вокруг цепи; но этот ток является осью силы, имеющей равные и противоположные действия в противоположных направлениях. Силовой поток состоит из силовых линий, сжатых или расширенных сообразно трансверсальному действию проводника, которое Не изменяется по направлению в зависимости от формы проводника. Эти силовые линии находятся во всех частях проводника и могут быть удалены со всякого места посредством каналов, приспособленных к этой цели, и никто не сомневается, что это физические силовые линии.

Наконец, обратимся к магниту, который составляет предмет настоящего рассуждения. Магнит образует систему сил, совершенную самое по себе и потому способную существовать благодаря ее собственным взаимоотношениям. Он имеет двойственный и антитетический характер, свойственный как статическому, так и динамическому электричеству; это очевидно из того; что называется его полярностью, т. е. из противоположности сил одинакового рода, находимых на его концах и поблизости к ним. Эти силы оказываются абсолютно равными друг другу: ни одна не может измениться в своей степени и количестве без равного изменения другой; это верно и тогда, когда противоположные полюсы магнита связаны не друг с другом, но с полюсами других магнитов. Полюсы, или север и юг, магнита не только связаны друг с другом внутри самого магнита, но также и внешне с противоположными полярностями по образцу статической электрической индукции, иным образом они вообще не могут существовать. Это внешнее отношение предполагает или требует точно равного количества новых противоположных полюсам магнита полярностей. Таким образом, если сила магнита а связана с силой магнита b, то она не может действовать на третий магнит с, не будучи уменьшена в своем действии на b в количестве, пропорциональном своему действию на с. Посредством движущейся проволоки можно показать, что линии магнитной силы находятся внутри и вне магнита, что они являются замкнутыми кривыми, проходящими частично через магнит, что количество их внутри магнита в экваториальном сечении точно равно по силе количеству их в каком-либо внешнем сечении, проведенном через систему. Эти силовые линии вне магнита могут быть изменены по направлению с помощью разных средин, размещенных на их пути. Магнит никоим образом не может иметь только один вид магнетизма или даже малейший излишек северного или южного над другим. Когда полюсы магнита не связаны внешним образом с силами других магнитов, то они связаны друг с другом, т. е. север и юг изолированного магнита внешне взаимно зависимы и поддерживаются друг другом.

Все эти явления и многие другие указывают на существование физических силовых линий как вне, так и внутри магнитов. Они бывают кривыми и прямыми линиями, ибо, если мы представим изолированный прямой полосовой магнит, особенно же круглый стальной диск, правильно намагниченный так, что его магнитная ось находится на одном из диаметров, то очевидно его полюсы должны быть связаны снаружи кривыми линиями, так как прямая линия не может одновременно касаться двух точек севера и юга. Я думаю, что только кривые линии могут соответствовать физическим силовым линиям.

Явления, обнаруживаемые движущейся проволокой, подтверждают то же заключение. Когда проволока пересекает силовые линии, электрический ток проходит или стремится проходить через нее; но такого тока не будет, прежде чем проволока начнет двигаться. Проволока, находящаяся в покое, не имеет такого тока и, когда она движется, она не должна непременно проходить по тем местам, где магнитная сила больше или меньше. Она может идти по такому пути, что если бы магнитная игла двигалась подобным же образом, то она была бы совершенно не затронута магнитной силой, т. е. было бы абсолютно безразлично, в движении ли стрелка или в покое. Условия могут быть таковы, что проволока в покое будет иметь ту же диамагнитную силу, как окружающая магнит среда, и таким образом вовсе не нарушать силовых линий, проходящих через ту и другую, но когда проволока движется, в ней возбуждается электрический ток. Простое движение не могло бы вызвать этого тока: вокруг магнита должно существовать и поддерживаться им некоторое особое состояние, в сфере которого находится проволока, и это состояние показывает физическое строение линий магнитной силы.

Что представляет это состояние или от чего оно зависит, до сих пор нельзя объяснить. Оно может зависеть от эфира, как луч света, и действительно теперь уже показана связь между светом и магнетизмом. Оно может зависеть от состояния натяжения или колебаний или от иного состояния, аналогичного электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Требует ли оно материи для своего поддержания, зависит ли от того, что разумеется под словом материя? Если его ограничить весовыми и тяготеющими веществами, то материя не более необходима для физических линий магнитной силы, чем для лучей света или теплоты. Но если мы предположим, что эфир есть вид материи, то линии силы могут быть какой-либо функцией его. С точки зрения опыта само пространство магнитно, но в таком случае идея такого пространства должна предполагать идею эфира, если такого рода предположение вообще допустимо. Если же принять другое представление о состоянии пространства, то оно должно войти в понятие о том, что теперь в связи с опытом называется чистым пространством. С другой стороны, я считаю установленным фактом, что весомая материя не представляет существенного условия для физических линий магнитной силы.