Переезд в столицу позволил Максвеллу лично познакомиться с Фарадеем, жившим в здании Лондонского Королевского института. Фарадею было 69 лет, здоровье ухудшалось. Память катастрофически слабела. Но он не отказывался от научной работы, лишь все более подробно записывал каждый шаг своих рассуждений. И жаловался: «Моя голова столь слаба, что я не знаю, правильно ли я пишу слова».

Они сблизились. Фарадей с интересом следил за результатами Максвелла, убеждаясь вновь и вновь в мощи его математических методов.

Несомненно, общение с Фарадеем побудило Максвелла продолжить работу в области электричества и магнетизма, прерванную в 1856 году. Он все чаще возвращался к идеям Фарадея и еще при его жизни завершает поставленную ранее задачу — изложить результаты, полученные Фарадеем, на языке математики.

Итоги его труда содержатся в двух статьях: «О физических линиях сил» (1862 г.) и «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864 г.).

В первой из них Максвелл сопоставляет уравнения из его мемуара «О Фарадеевских силовых линиях», с механической моделью, содержащей множество вращающихся ячеек, механически связанных между собой. Здесь он следует общепринятому в то время стремлению объяснить все физические процессы при помощи механики Ньютона.

Во второй — Максвелл приходит к смелому заключению: электромагнитные явления не могут быть сведены к механическим процессам. Механические модели лишь затемняют суть дела. Здесь Максвелл впервые вводит понятие «электромагнитное поле» как объективную реальность, не сводимую к механике.

Если читатель хочет представить себе это поле при помощи чего-то «зримого», он может опереться только на фарадеевские силовые линии. Максвелл, как и Фарадей, считал их реально существующими натяжениями эфира.

В этих двух статьях Максвелл снова сопоставляет полученные ранее двадцать уравнений с опытами Фарадея и со всей совокупностью известных ему электрических и магнитных процессов.

Вот первый шаг: «… наши исследования в настоящее время ограничиваются замкнутыми токами; и мы мало знаем относительно магнитных действий каких-либо незамкнутых токов».

Речь идет об опытах Фарадея с конденсаторами, заряженными при помощи гальванической батареи. Он не считал цепь, содержащую конденсатор, замкнутой. Ведь металлические проводники в ней заканчиваются на обкладках конденсатора. Между металлическими обкладками конденсатора находится диэлектрик, то есть изолятор. Поэтому через цепь с конденсатором невозможно пропустить постоянный ток, как это бывает в цепях, где металлические проводники соединяют один полюс батареи с другим.

Фарадей не сомневался в том, что постоянный электрический ток протекает только по замкнутым проводникам, и называл такие токи замкнутыми. Но он извлек из своих опытов с конденсаторами нечто большее. Он заметил, что при присоединении батареи к конденсатору по соединительным проводам протекает электрический ток. Ток быстро уменьшается и через какое-то время прекращается.

Если исходить из того, что могут существовать только замкнутые электрические токи, то приходится признать, что в течение какого-то времени электрический ток проходит и через диэлектрик, расположенный между обкладками конденсатора. Что же при этом происходит? Фарадей не обсуждал такие вопросы.

Уже в первой из двух статей Максвелл пишет: «Эффект этого действия на всю массу диэлектрика заключается в общем смещении электричества в определенном направлении. Это смещение не достигает степени тока потому, что, когда оно достигает известного значения, оно остается постоянным; но это — начало тока, и его изменения составляют токи в положительном или отрицательном направлении — в зависимости от того, увеличивается ли смещение или уменьшается».

Шаг сделан. Слово сказано: смещение; ток смещения.

Что из того, что Фарадей не сказал этого слова. Но он изучил и, в привычной для него манере, описал опыт с конденсатором.

При включении батареи электричество, свойственное каждой молекуле диэлектрика, смещается. На внешних поверхностях диэлектрика можно обнаружить сместившиеся заряды. Внутри диэлектрика, в каждой его молекуле, они остаются скомпенсированными. Но и после того, как ток смещения прекратится, на обкладках конденсатора остаются электрические заряды, а в пространстве, занятым диэлектриком, сохраняется электрическое поле.

Фарадей описывал его при помощи электрических силовых линий, идущих от одной границы диэлектрика к другой. Количество (густота) этих силовых линий отображает «силу» — напряженность электрического поля, зависящую от напряжения батареи, от толщины диэлектрика и от его «сорта».

В уравнениях, написанных Максвеллом, эта «сила» отличается от напряженности электрического поля в пустом пространстве постоянным множителем, характеризующим данный диэлектрик. По аналогии с магнитной проницаемостью, связывающей напряженность магнитного поля в пустоте с магнитной индукцией в железном сердечнике, этот множитель называют диэлектрической проницаемостью, а «силу» электрического поля внутри диэлектрика — электрической индукцией.

Опыт с конденсатором можно продолжить. Шаг первый: отключают металлические проводники от батареи. При этом в цепи ничего не происходит. Шаг второй: соединяют между собой концы этих проводников. Если опыт проводят в затемненной комнате и напряжение батареи достаточно велико, то, за мгновение до соприкосновения проводников, можно увидеть искру. В освещенной комнате искру заметить трудно, но можно услышать слабый треск — микрогром от микромолнии. Стрелка гальванометра при этом отклониться, как от толчка и затем медленно возвратится к нулю. После этого ток прекратится, а заряд конденсатора исчезнет.

Ток смещения, возникающий в диэлектрике, это реальность. Он является продолжением тока проводимости, текущего по проводам.

Проследим еще раз за этим важнейшим опытом, учитывая роль тока смещения.

При взгляде на цепь, в которой батарея соединена проводами с конденсатором, кажется, что цепь не замкнута. Но непосредственно после того, как батарея была присоединена к цепи, в ней на короткое время возникает ток. В течение этого времени происходит смещение зарядов в диэлектрике, образующее ток смещения. По проводам идет ток проводимости, а сквозь конденсатор проходит ток смещения. Включив в эту цепь гальванометр, можно убедиться в том, что ток в ней максимален в момент включения батареи и убывает до нуля за короткое время, зависящее от характеристик всех ее элементов — батареи, конденсатора и соединительных проводов.

Ток во всей цепи становится равным нулю, когда прекращается ток смещения в диэлектрике, расположенном между обкладками конденсатора.

Максвелл пишет: «… изменение смещения эквивалентно току, причем этот ток должен быть учтен в уравнениях»… Максвелл поясняет: «Электрическое смещение состоит в противоположной электризации молекулы или частицы тела… Изменения электрического смещения должны быть добавлены к токам… для того, чтобы получить полное движение электричества».

Учет тока смещения в диэлектрике сделал группу уравнений, связывающих электрические процессы с изменением во времени магнитной индукции, похожей на вторую группу, связывающую магнитные процессы с изменением во времени электрической индукции.

После этого на первый план вышел законный вопрос: как при помощи уравнений описать опыты Фарадея с цепью, содержащей конденсатор, когда между его обкладками нет диэлектрика?

Этот вопрос потребовал глубокого раздумья. Убеждение в правильности идей Фарадея, в безупречности его опытов подсказало простой ответ. В случае, когда между обкладками конденсатора нет диэлектрика, там остается воздух. Но этот ответ не полон, конденсатор можно поместить под стеклянный колпак и откачать из него воздух.

Опыт показывает, однако, что свойства конденсатора, пластины которого разделены воздухом, не изменяются заметным образом после того, как воздух откачан и между пластинами оказывается пустота.

Значит ток смещения распространяется и там, где нет молекул. Максвелл был сыном своего времени. Он не мог думать о процессах, протекающих в пустоте. Любой процесс должен иметь носителя.

В этом случае Максвелл не должен был придумывать что-то новое. Он мог следовать за своим кумиром — Фарадеем. Фарадей считал носителем электрических и магнитных процессов эфир. Он представлял такие процессы при помощи силовых линий и считал, что эти линии отображают реальные, но не видимые натяжения эфира.

Максвелл сделал еще один шаг по пути, указанному Фарадеем. Он счел, что эфир способен быть носителем токов смещения. Максвелл не строил гипотез о том, что смещается в эфире, каков «механизм» прохождения токов смещения сквозь эфир. Ведь в электромагнитном эфире Фарадея не происходят механические процессы. Фарадей считал, что электрические и магнитные силовые линии отображают натяжение, возникающее в эфире под действием зарядов или токов. Возникновение и перемещение этих силовых линий казались ему совершенно наглядными, не нуждающимися в механических моделях. Максвелл пришел к выводу о том, что и токи смещения в эфире не нуждаются в механических моделях.

Это было столь радикальным шагом, что большинство ученых того времени не могло последовать за Максвеллом. Они кое-как мирились с силовыми линиями Фарадея, но считали их заменой словам, а не уравнениями, простыми рисунками.

Только Максвелл увидел в них эквивалент математических символов. Осуществив перевод идей Фарадей на язык математики он нашел в ней место для токов смещения в диэлектрике. Он нашел место в уравнениях и для токов смещения в эфире.

Теперь уравнения фиксировали, что все токи, изменяющиеся во времени, являются замкнутыми токами. В проводах эти токи соответствуют обычным движениям зарядов, в диэлектрике они возникают путем смещения зарядов в пределах каждой молекулы диэлектрика, в пустоте они представляют собой ток смещения в эфире.

Именно введенные Максвеллом токи смещения в эфире стали камнем преткновения между созданной им электродинамикой и его современниками, стремившимися сводить все физические явления к механическим процессам. Но Максвелл, несмотря на отсутствие признания, продолжал двигаться своим путем.