Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Так Галилей «изобрел» пустоту, а Ньютон — всемирное тяготение. Так была «изобретена» молекула, хоть и с древнеатомной подсказкой.

Следующее чудо совершил Максвелл, изобретя электромагнитное поле .

Электричество, магнетизм и электромагнетизм

Слово «электромагнитный» возникло в 1820 году, за 10 лет до рождения Максвелла, когда датский физик Эрстед обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями. Делая опыт с электрическим током, он заметил, что магнитная стрелка, случайно оказавшаяся рядом, слегка поворачивается при включении и выключении тока. То, что новое явление открыл именно Эрстед, — случайность, но само открытие было долгожданным. Впрочем, не так уж и долго — около трех десятилетий. А сами электрические и магнитные явления были известны уже более двух тысячелетий, и ничто не указывало на их связь. Они совершенно непохожи. Электричество возникало при натирании, например, янтаря мехом, а магнитным свойством обладали некоторые «камни».

За три десятилетия до открытия Эрстеда в изучении электричества и магнетизма произошло важное событие — появились количественные законы. Французский физик Кулон измерил силу, действующую между двумя электрическими зарядами, и силу, действующую между двумя магнитными зарядами-полюсами. Оказалось, что два эти закона одинаково определяют притяжение и отталкивание соответствующих зарядов, что намекало и на какую-то общность двух разных явлений. Намек оправдался в 1820 году, когда Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнит. Следовало найти закон, как это действие зависит от силы тока и от расположения магнита.

Следующий шаг сделал французский физик Ампер. Он обнаружил, что магнит действует на ток, а ток, идущий по проволочной спирали, действует как постоянный магнит. Отсюда он сделал вывод, что никакого магнетизма, в сущности, нет, что каждый магнит — это множество внутренних круговых токов, скажем, молекулярного масштаба. Приняв эту новейшую идею, знакомый уже нам философ О. Конт назвал электрологией всю область электрических и магнитных явлений.

Придумать название области проще, чем открыть законы, управляющие ею. Закон взаимодействия двух токов удалось сформулировать, но был он гораздо сложнее закона Кулона и никак с ним не связан. Получалось, что неподвижные заряды взаимодействуют по одному закону, а начиная двигаться — по другому.

Еще одна странность была в том, что закон Кулона в точности повторял закон всемирного тяготения с тем лишь отличием, что тяготение — всегда притяжение, а в электричестве и магнетизме бывает еще и отталкивание. Взаимодействие токов напоминало гравитацию своим действием на расстоянии. Иначе и быть не могло: все находились под впечатлением великих успехов Ньютона.

Сам-то Ньютон, размышляя над движением планет, принял дальнодействие отнюдь не с легким сердцем. Не зря с этой идеей конкурировала очень наглядная вихревая гипотеза — идея близкодействия. Видя на ровной поверхности реки крутящуюся щепку, резонно думать, что в данном месте водоворот, который и движет щепку. Аналогично, видя вращение планет, предполагали, что в пространстве вокруг Солнца вихри чего-то невидимого несут с собой все планеты. На роль источника такого небесного вихря претендовало Солнце, вращение которого обнаружил еще Галилей. А саму невидимую материю называли «эфир» — аристотелевское слово для небесного материала. Оставалось выяснить законы эфирного движения. Главным автором вихревой идеи был Рене Декарт — великий французский математик, физик и философ.

Несколько десятилетий Британию и континент разделяло, помимо пролива Ла-Манш, еще и различие в представлениях о причинах планетного движения. Наука Британии приняла не наглядный, но точный закон всемирного тяготения, а наука континентальной Европы надеялась найти наглядное вихревое объяснение. Бесплодность этих надежд и плодотворность не -наглядного закона сделали свое дело, отправив невидимые вихри в архив истории.

Полтора века спустя, ко времени Максвелла, континентальные физики, став бо́льшими ньютонианцами, чем сам Ньютон, искали законы электричества и магнетизма лишь в Ньютоновых рамках. Они готовы были как угодно усложнять законы, лишь бы не выйти за эти проверенные рамки.

Самой впечатляющей проверкой стало открытие планеты Нептун в 1846 году — открытие почти чисто теоретическое, как говорилось, на кончике пера. «Почти», потому что путь к открытию начался с малых нестыковок наблюдений и теории. Планета Уран двигалась не совсем так, как ей полагалось. Тогда астрономы предположили, что причина нестыковок — неизвестная планета, своим притяжением сбивающая Уран с «пути истинного». За дело взялись астрономы-теоретики и, пользуясь лишь законами Ньютона, вычислили, куда надо направить телескоп, чтобы увидеть новую планету. Астрономы-наблюдатели направили и увидели!

Этот триумф ньютонианства еще более упрочил идею дальнодействия. Конечно, электричество — не гравитация, но и в «электрологии» закон Кулона и закон Ампера были законами дальнодействия.

Лишь среди соотечественников Ньютона нашлись такие, для кого наблюдаемые явления были важнее унаследованных идей. Ключевым стало новое электромагнитное явление, открытое в год рождения Максвелла. Открытие сделал Майкл Фарадей.

Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного британского физика и химика Г. Дэви. Начав работать его ассистентом в лаборатории Британского королевского института, через 12 лет — в 1825 году — Фарадей стал ее директором. Самоучку продвинули успехи его экспериментальных исследований.

Электромагнитные открытия 1820 года сразу привлекли внимание Фарадея, и уже в следующем году он написал исторический обзор электромагнетизма, повторив все важнейшие опыты. А попутно придумал, как сделать, чтобы провод с током вращался вокруг магнита.

Его главное открытие не было случайным: с 1824 года он пытался получить электрический ток в проводе при помощи магнита или тока в другом проводе. В 1831 году (год рождения Максвелла) 40-летний экспериментатор обнаружил, что движение магнита порождает ток в проводнике. Он не просто в своих опытах обнаружил новое явление, но и открыл закон этого явления — закон электромагнитной индукции .

Помог ему недостаток знаний математики и тогдашней теории электричества и магнетизма, держащей себя в рамках дальнодействия. Для формулировки закона Фарадей придумал свой собственный язык, где главным стало понятие «силовых линий». Эти линии он видел своими глазами. И каждый может увидеть, если насыплет железные опилки на лист картона, а снизу поднесет магнит. Линии, вдоль которых опилки выстраиваются и которые Фарадей назвал силовыми, показывают направление магнитной силы, а густота линий — величину этой силы. После трехмесячных исследований он пришел к выводу, что в замкнутом проводнике ток пропорционален изменению числа силовых линий, проходящих через контур проводника в единицу времени.