Сопоставление электрических единиц и скорости света
Максвелл сопоставил отношение электромагнитной и электростатической единиц с независимыми измерениями скорости света. Это был численный тест электромагнитной теории света, а не прямое измерение света самим Максвеллом.
Содержание статьи
Два способа говорить об электричестве
В физике XIX века электрические величины описывали несколькими системами единиц. В электростатической системе сила между зарядами задаёт одну шкалу; в электромагнитной — другая шкала возникает из сил, связанных с токами и магнетизмом. Один и тот же электрический эффект приходилось переводить с языка одной системы на язык другой. Отношение единиц при таком переводе имеет размерность скорости. Уже одно это выглядело подозрительно в хорошем научном смысле: в электрическом хозяйстве вдруг появлялась величина светового порядка.
Подозрение ещё не является выводом. Число могло быть последствием соглашений об единицах, ошибки измерения или слишком вольного сопоставления разных формул. Поэтому вопрос стоял предельно земной: как получить отношение из электрических опытов и сравнить его с измеренной скоростью света, не заставляя один результат подыгрывать другому. Именно независимость процедур превращала сходство в проверяемый аргумент.
В части VI статьи 1864 года скорость электромагнитной волны выражалась через параметры среды. Так теория поля дала адрес для сравнения: не абстрактную скорость из любой формулы, а скорость возмущения, которое распространяется в диэлектрике. Если свет — такое возмущение, электрический переводной коэффициент и скорость света должны оказаться близки. Если они заметно расходятся, теория получает очень неудобный счёт, который никакая красивая метафора не оплатит.
Число Вебера и Кольрауша
Максвелл привёл результат Вебера и Кольрауша: 310 740 000 метров в секунду для отношения электромагнитной и электростатической единиц. Эта запись часто обрастает легендой о том, будто Максвелл лично измерил скорость света. На деле число пришло из электрических измерений отношения единиц. Оно говорило о масштабе, с которым соотносились две системы описания электрических действий; свет в опыте Вебера и Кольрауша не обязан был пробегать измеренную дистанцию.
Затем Максвелл поставил рядом данные другого происхождения: измерения скорости света Физо и Фуко, а также астрономическую оценку. Их методы были устроены иначе. Наземный опыт мог использовать прерыватель или вращающееся устройство и известную длину пути; астрономия извлекала скорость из временных задержек и движений небесных тел. Общим у этих результатов было не одно оборудование, а число, к которому они стремились.
Согласие оказалось достаточно хорошим, чтобы счесть его поддержкой электромагнитной теории света. Но слово «достаточно» нельзя подменять современным требованием совпадения до последнего знака. Тейт подчёркивал, что обе сравниваемые величины определялись независимыми опытами и в его время каждая была известна примерно с точностью два—три процента. В такой ситуации несколько миллионов метров в секунду разницы не означали немедленного крушения связи; требовать от приборов XIX века паспорт современной лаборатории было бы занятием эффектным, но бесполезным.
Что именно проверялось
Проверка не доказывала из одного числа все свойства света. Она не заменяла вывод волновых уравнений, не объясняла автоматически преломление в каждом веществе и не отменяла потребность в оптических опытах. Её роль была точнее: величина, возникшая в электрических измерениях и в теории поля, имела тот же порядок и близкое значение, что скорость, установленная оптикой и астрономией. Для гипотезы о световой природе электромагнитной волны это был редкий случай, когда разные лабораторные традиции встретились в одном сравнении.
В 1868 году Максвелл опубликовал метод прямого сравнения электростатической и электромагнитной силы, снабдив его примечанием об электромагнитной теории света. Здесь «прямое» относится к сравнению электрических сил и единиц, а не к запуску светового импульса по измеренной трассе. Эта разница невелика только на слух. В истории физики она отделяет аккуратный экспериментальный замысел от популярной версии, где один учёный будто бы одним махом сделал все измерения сразу.
Самая полезная формула для памяти звучит так: Максвелл не открыл скорость света электрическим опытом, а проверил, согласуется ли электрический коэффициент со скоростью, уже найденной независимыми средствами. Численное сопоставление придало теории конкретный вес. Не «свет похож на электричество», а «два независимых измерительных мира выдали близкие скорости». Для науки того времени это был аргумент с очень хорошими манерами: без фанфар, зато с числами.