Faraday – lähimõju kontseptsiooni taassünd füüsikas

Elektromagnetismi mõistmises valitses 19. sajandi keskpaigani Newtoni-Coulomb’i seadustele toetuv kaugmõju kontseptsioon, mille edasiarenduseks oli laengute ja vooluelementide vastasmõju seadustele rajatud Ampère’i elektrodünaamika. Napi matemaatilise algharidusega Faradayle ei olnud Ampère’i komplitseeritud teooria jõukohane ja nagu hiljem selgus, ei sobinudki see elektromagnetilise induktsiooni kui mittestatsionaarse protsessi mõtestamiseks. Nähtavasti oli Faradayl juba süstemaatiliste elektriuuringute alguseks kujunenud selge arusaam füüsikalisest fenomenist, mis vahendab laengute ja voolude vastasmõju, kandes seda ühest ruumipunktist selle vahetutele naabritele. Tänapäeval nimetame seda fenomeni elektromagnetväljaks. Faradayl olid elektromagnetilise vastastikmõju vahendajaks elektri ja magneti jõujooned, mida meie kasutame kui matemaatilisi abivahendeid välja näitlikustamiseks. Faraday pidas jõujooni füüsikaliseks realiteediks, mida ta püüdis tuttavate mehaanika mõistete abil modelleerida.

Faraday koondas oma elektrialased tööd pealkirja alla „Eksperimentaalsed elektriuurimused“, kuid neis oli oluline koht ka teoreetilistel kaalutlustel. Hilisema väljaande saatesõnas rõhutas ta, et tema eesmärgiks pole olnud pelgalt faktide registreerimine: „Kui tarvis, esitan ma sageli teoreetilisi kaalutlusi ja isegi hüpoteese. Kuigi ma olen taotlenud, et siinsed ettekanded kujutavad enesest eksperimentaalseid uurimusi, palun siiski teid pöörata tähelepanu faktidele ja uurimustele, mis koondatud viimastesse seeriatesse, toetamaks minu esitatud erilist vaatekohta.“ See tema eriline vaatekoht seostas elektrinähtused aine atomistliku ehitusega, eitas elektrifluidumi olemasolu ning tõi sisse elektrilist ja magnetilist vastastikmõju vahendava fenomeni, mis asendas senise kaugmõju kontseptsiooni väljateoreetilise lähimõju kontseptsiooniga.

Elektromagnetilise induktsiooni esmaseks seletamiseks ei olnud jõujoonte detailne mudel oluline, piisas vaid tähelepanekust, et kinnises kontuuris tekib induktsioonivool vaid siis, kui muutub seda läbivate magnetjõujoonte hulk. Induktsiooniliselt mõjutatavas juhis pidid seda ümbritsevad voolud ja magnetid Faraday arvates esile kutsuma erilise elektrotoonilise oleku. Seda olekut ei olnud tal küll võimalik kindlaks teha ega täpsemalt kirjeldada, kuid selle oleku igasuguse muutusega pidi kaasnema induktsioonivoolu teke. Mitme uurija arvates sai siit alguse Faraday lähimõju kontseptsioonile iseloomulik keskkonna käsitlemine elektromagnetilise vastastikmõju vahendajana. Seetõttu pidi ta hiljem postuleerima, et ka tühja ruumi täidab universaalne vastastikmõju vahendaja – maailmaeeter. Elektromagnetilise induktsiooni ajaline muutumine viis Faraday mõttele, et protsess võib levida ahelasarnaselt ühelt lülilt naaberlülile, sealt järgmisele naabrile jne. Muutuv magnetjõud tekitab juhis muutuva tugevusega vooluringi (selle ümber elektrotoonilise oleku), see tekitab muutuva tugevusega magnetjõu, mis omakorda tekitab uue vooluringi. Nii ta väitiski, et induktsiooni levimine „on sarnane lainete levimisega veepinnal või heli levimisega õhus“. Siit tõusis ka elektromagnetilise vastastikmõju levimise kiiruse probleem ja selle võimalik seos valguse kiirusega. Esialgseid kaalutlusi ei riskinud Faraday avaldada, vaid esitas sellesisulise kirja 18. märtsil 1832 deponeerimiseks Kuninglikule Seltsile. Kiri avaldati alles 106 aastat hiljem. Samu ideid arendas ta ise edasi ja avaldas need jaanuaris 1846 artiklis „Mõtteid kiirte võnkumisest“.

Jõujoonte füüsikalise mudeli esitas Faraday 1837. a. dielektrikute füüsikale pühendatud uurimuses. Seni omistati isolaatorile peamiselt passiivne laengute eraldaja roll. Tõsi, juba 18. sajandi viimasel veerandil tegi H. Cavendish kindlaks kondensaatori mahtuvuse sõltuvuse metallplaate eraldava isolaatori ainest, 1806. a. andis Avogadro sellele õige seletuse, osutades isolaatori polariseerumisele. Idee jäi siis korralikult läbi töötamata ega pälvinud suuremat tähelepanu. Faraday pidas polarisatsiooni ja sellest põhjustatud kahemärgilisust nende ainete põhiomaduseks. Sellele viitab ka tema kasutusele võetud termini dielektrik kreeka keelest pärinev eesliide di- (kaks-, kaksis-). Nende iseloomustamiseks hakkas ta kasutama dielektrilist konstanti (dielektriku suhtelist läbitavust). Ta seostas selle suuruse polarisatsiooniga ja arendas välja mõõtmismetoodika. Dielektriku polariseerumist põhjendas ta induktsiooniprintsiibiga, mille lihtsaimaks ilminguks on elektrostaatiline induktsioon, kus neutraalne laenguta keha polariseerub talle lähendatud laetud keha mõjul. Faraday üldistas selle makromaailma nähtuse mikromaailmale: elektriseeritud keha mõjul aine osakesed, aatomid, polariseeruvad, neis tekivad „positiivsed ja negatiivsed punktid või alad“. Siin pidi ta küll kohe tunnistama, et ta ei tea, mida „aatom enesest kujutab ja kuidas ta on seotud elektriliste jõududega“. Induktsiooni toimel kandub polarisatsioon ja koos sellega elektriline vastastikmõju aatomilt edasi naaberaatomile ja sealt järgmisele naabrile. Tekkiv polariseeritud aatomite ahel ongi jõujoone füüsikaliseks mudeliks. Nagu ta katsetega kontrollis, võivad sellised jõujooned olla nii sirged kui ka kõverad. Viimast võimalust pidas ta tähtsaimaks argumendiks lähimõju kasuks, kuna kaugmõju korral pidanuksid jõujooned olema sirged. Sellist mudelit sai rakendada ka ferromagneetikute korral.

Oma teoreetilistes arutlustes kasutas Faraday siiski rohkem jõujoonte fenomenoloogilist mudelit, omistades neile vastavalt vajadusele peamiselt mehaanikast tuttavaid omadusi (pingsus, rõhk jt.), kuid jättes need siiski korralikult defineerimata. Peame silmas, et oma töödes vältis Faraday matemaatilisi konstruktsioone ja piirdus ainult sõnaliste kommentaaride ja arutlustega. Kuigi need olid äärmiselt põhjalikud, ei suutnud enamik tema kaasaegseid neid mõista. 1880. aastate algul kirjutas H. Helmholtz: „Ma ei taha teha etteheiteid Faraday kaasaegsetele. Ma mäletan hästi, kui sageli ma jäin lootusetus segaduses istuma tema jõujoonte kirjelduse juurde, püüdes saada selgust nende arvu ja pingsuse kohta või otsides seletust väitele, et vool on jõujoonte teljeks.“

Kaasaegsete jaoks oli Faraday eelkõige väljapaistev eksperimentaator, oma avastusteni jõudis ta suhteliselt lihtsate enda konstrueeritud katseriistadega. Elektri ja magneti jõujoontele rajatud Faraday lähimõju kontseptsioon pääses võidule alles pärast seda, kui J. C. Maxwell andis sellele 1862–73 adekvaatse, ehkki mitte lõpliku matemaatilise vormi. Albert Einsteini hinnangul oli Faraday ikkagi esimene, kes loobus Newtoni ajast juurdunud arusaamast, et ruum on vaid passiivne kehade ja laengute mahuti, ja omistas ruumile aktiivse vastasmõju vahendaja rolli. Einstein kirjutas: „Peab olema suur teaduslik ettenägelikkus ära tundmaks, et elektrinähtuste korral ei kirjelda nähtuste olemust mitte kehad ega laengud, vaid pigem laengute- ja osakestevaheline ruum.“