Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Первыми тремя достижениями были: создание цветной фотографии; разработка теории поведения частиц газа (что заложило фундамент такой научной области, как статистическая физика, которая необходима для понимания свойств вещества и излучения); наконец, разработка «метода размерностей» – инструмента, которым, наверное, чаще всего пользуются современные физики для установления глубоких связей между физическими величинами. Я сам использовал его в прошлом году вместе с коллегой Фрэнком Вильчеком, чтобы продемонстрировать одно фундаментальное свойство гравитации, важное для понимания происхождения Вселенной.

Каждого из этих достижений в отдельности было бы достаточно, чтобы надежно обеспечить Максвеллу место среди величайших физиков своего времени. Однако его четвертое достижение полностью изменило все, включая наши представления о пространстве и времени.

В период пребывания в Королевском колледже Максвелл часто бывал в Королевском институте. Там он познакомился с Майклом Фарадеем, который был на сорок лет старше, но по-прежнему полон идей. Возможно, эти встречи побудили Максвелла вновь перенести фокус своего внимания на интереснейшие новые открытия в области электричества и магнетизма, где он пятью годами ранее начинал исследования. Максвелл воспользовался своим немалым математическим талантом, чтобы описать открытые Фарадеем явления и разобраться в них. Он начал с того, что подвел под гипотетические силовые линии Фарадея более прочную математическую основу, что позволило ему глубже исследовать открытую Фарадеем индукцию. За двенадцать лет, с 1861 по 1873 г., Максвелл создал свою величайшую работу – полную теорию электричества и магнетизма.

Воспользовавшись открытием Фарадея как ключом, он показал, что отношения между электричеством и магнетизмом симметричны. Из экспериментов Эрстеда и Фарадея явствовало, что поток движущихся зарядов порождает магнитное поле и что изменяющееся магнитное поле (при движении магнита или просто при включении электрического тока, что тоже проявляется как магнит) порождает электрическое поле.

Впервые Максвелл выразил эти результаты математически в 1861 г., но вскоре понял, что его уравнения неполны. Магнетизм в них выглядел иначе, чем электричество. Движущиеся заряды порождали магнитное поле, но магнитное поле могло порождать электрическое даже без движения – просто изменяясь. Вспомним, что обнаружил Фарадей: при включении и нарастании электрического тока появляется переменное магнитное поле, а оно порождает электродвижущую силу, которая вызывает ток в другом близко расположенном проводнике.

Максвелл понял, что для полноты и непротиворечивости системы уравнений, описывающих электричество и магнетизм, нужно добавить к уравнениям дополнительный член, представляющий нечто, названное им «током смещения». Он рассуждал так: движущиеся заряды, то есть ток, порождают магнитное поле, и движущиеся заряды – это способ получить переменное электрическое поле (поскольку поле от каждого заряда изменяется в пространстве при перемещении этого заряда). Быть может, переменное – то есть усиливающееся или ослабевающее – электрическое поле в области пространства, где нет никаких движущихся зарядов, тоже может породить магнитное поле.

Максвелл представил, что если подключить две параллельные пластины к противоположным полюсам батареи, то от батареи потечет ток и каждая из пластин будет набирать противоположный по отношению ко второй заряд. Это породит растущее электрическое поле между пластинами, а также магнитное поле вокруг подсоединенных к ним проводников. Но Максвелл понял: чтобы его уравнения были совершенно корректны, растущее электрическое поле между пластинами должно также порождать магнитное поле в пустом пространстве между пластинами. И это поле должно быть точно таким же, как если бы оно порождалось реальным током, текущим через пространство между пластинами.

Поэтому Максвелл изменил свои уравнения, добавив новый член – ток смещения, чтобы добиться математической стройности. По существу, этот член проявлял себя как воображаемый ток, текущий между пластинами и порождающий переменное электрическое поле, точно соответствующее по величине реальному переменному электрическому полю в пустом пространстве между пластинами. Он также соответствовал магнитному полю, которое возбудил бы реальный ток, если бы протекал между пластинами. Такое магнитное поле действительно возникает при проведении эксперимента с параллельными пластинами, в чем постоянно убеждаются студенты-физики в учебных лабораториях по всему миру.

Математическая стройность и здравая физическая интуиция в физике, как правило, себя оправдывают. Хотя это небольшое изменение в уравнениях кому-то может показаться пустяком, его физический смысл глубок, а значение огромно. Стоит убрать из картины реальные электрические заряды, как оказывается, что все в электричестве и магнетизме можно описать исключительно в терминах гипотетических «полей», которые Фарадей придумал себе в помощь и на которые опирался, как на своеобразный ментальный костыль. В результате связь между электричеством и магнетизмом можно сформулировать очень просто: переменное электрическое поле порождает магнитное поле, а переменное магнитное поле порождает электрическое поле.

Внезапно поля появились в уравнениях как полноправные реальные физические объекты, а не просто как способ численно выразить силу между зарядами. Электричество и магнетизм стали единым неразделимым. Невозможно говорить только об электрических силах, поскольку, как я очень скоро покажу, то, что для одного наблюдателя выглядит как электрическая сила, другому представляется магнитной, в зависимости от условий наблюдения и от того, меняется ли поле в его системе отсчета.

Сегодня, описывая эти явления, мы говорим об электромагнетизме , и на то есть серьезная причина. После Максвелла электричество и магнетизм больше не рассматривались как отдельные силы природы. Это различные проявления одной и той же силы.

Максвелл опубликовал полную систему своих уравнений в 1865 г., а позже упростил их в учебнике 1873 г. Именно этот вариант получил известность как знаменитые четыре уравнения Максвелла, которые (переписанные, правда, на современном математическом языке) украшают футболки студентов-физиков по всему миру. Таким образом, мы можем считать 1873 г. годом второго великого объединения в физике – первым было признание Ньютоном того факта, что движением небесных тел управляет та же сила, что заставляет яблоки падать на землю. Это выдающееся достижение человеческого интеллекта, начатое экспериментальными открытиями Эрстеда и Фарадея, было завершено Максвеллом, скромным молодым физиком из Шотландии, которого превратности академической жизни вынудили перебраться в Англию.