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

Хотя как человек Фарадей заслуживает всяческого уважения, для нашего рассказа важен ученый. Первый научный урок Фарадея, о котором я всегда рассказываю своим студентам, звучит так: всегда старайтесь угодить своим профессорам. В возрасте двадцати лет Фарадей, отработав семь лет подмастерьем переплетчика, стал посещать лекции знаменитого химика Хэмфри Дэви, тогдашнего главы Королевского института. После цикла лекций Фарадей преподнес Дэви красиво переплетенную книгу в триста страниц, содержавшую сделанные Фарадеем конспекты лекций. Не прошло и года, как Фарадей стал секретарем Дэви, а вскоре после этого получил место ассистента-химика в Королевском институте. Позже Фарадей узнал, что́ бывает, если поступить противоположным образом. После серии ранних, но весьма значительных проведенных им экспериментов Фарадей сгоряча забыл, публикуя результаты, отметить вклад Дэви. Именно этой случайной обидой объясняется, вероятно, то, что Дэви перевел Фарадея на другие работы и тем самым на несколько лет задержал его исследования, которым суждено было изменить мир.

До перевода на другой участок Фарадей работал в «горячей» области научных исследований: вдохновившись результатами датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, он изучал новооткрытые связи между электричеством и магнетизмом. Эти две силы кажутся совершенно разными, но обладают странными сходными чертами. Электрические заряды могут притягиваться или отталкиваться. То же делают и магниты. Но при этом у магнитов, судя по всему, всегда имеется по два полюса – северный и южный, которые невозможно отделить друг от друга и изолировать, тогда как электрические заряды могут быть положительными или отрицательными по отдельности.

Ученые и философы уже некоторое время задумывались над тем, нет ли каких-то скрытых связей между этими двумя силами, и первое эмпирическое свидетельство этого обнаружил Эрстед, по существу случайно. В 1820 г., читая лекцию, он заметил, что стрелка компаса отклоняется от направления север – юг, когда рядом включается электрический ток от батареи. Через несколько месяцев Эрстед продолжил свои наблюдения и обнаружил, что поток движущихся электрических зарядов, который мы сегодня называем просто электрическим током, порождает магнитное притяжение, заставляющее стрелку компаса вставать по касательной к окружности, проведенной вокруг провода с током.

Так Эрстед проторил новую тропу. Среди ученых известия распространяются быстро; новость разошлась по континенту, затем перелетела Ла-Манш. Движущиеся электрические заряды порождают магнитную силу. Может быть, есть и другие связи? Могут ли магниты, в свою очередь, оказывать влияние на электрические заряды?

Некоторое время ученые безуспешно занимались поисками такой возможности. Дэви и один из его коллег пытались построить электрический двигатель на основе обнаруженной Эрстедом связи, но не преуспели в этом. Фарадей же в конечном итоге заставил проводник с протекающим в нем током двигаться вокруг магнита, в результате чего действительно получил своего рода примитивный мотор. Именно об этом интереснейшем открытии он сообщил без упоминания имени Дэви.

Следует признать, что отчасти это «открытие» было просто забавным трюком. Фарадей не открыл здесь никаких новых фундаментальных явлений. Возможно, именно эта история послужила рациональной основой для одного из моих любимых исторических анекдотов о Фарадее (скорее всего, недостоверного). Рассказывают, что Уильям Глэдстоун, позже ставший премьер-министром Британии, услышал про лабораторию Фарадея, полную странных причудливых устройств, и задал в 1850 г. вопрос о том, какую практическую ценность имеют все эти исследования электричества. Фарадей, как утверждается, ответил на это: «Вполне возможно, сэр, что скоро вы сможете обложить это налогом».

Достоверна эта история или нет, в остроумном ответе экспериментатора содержится одновременно и великая ирония, и великая истина. Исследования, движимые человеческим любопытством, могут показаться занятием эгоистичным и далеким от сиюминутной общественной пользы. Однако, по существу, все наше нынешнее качество жизни (для тех, конечно, кто живет в так называемом первом мире), включая и электричество, питающее чуть ли не все используемые нами устройства, представляет собой плоды именно таких исследований.

Через два года после смерти Дэви в 1829 г. и через шесть лет после того, как Фарадей стал директором лаборатории Королевского института, он сделал открытие, навсегда закрепившее за ним репутацию величайшего физика-экспериментатора XIX столетия, – он открыл магнитную индукцию. Начиная с 1824 г. он пытался понять, может ли магнетизм изменять ток, идущий по расположенному рядом проводнику, или иным способом порождать электродвижущую силу, действующую на заряженные частицы. В первую очередь он хотел понять, может ли магнетизм порождать электричество, подобно тому, как, согласно исследованиям Эрстеда, электричество (и, в частности, электрический ток) порождает магнетизм.

28 октября 1831 г. Фарадей записал в лабораторном журнале замечательное наблюдение. В момент щелчка тумблера, включающего ток в проводе, намотанном на железное кольцо, чтобы намагнитить железо, возникал короткий всплеск тока в другом проводнике, намотанном на то же самое железное кольцо. Было ясно, что простое присутствие поблизости магнита не могло вызвать электрический ток в проводнике, но вот включение и выключение этого магнита – могло. Немного позже Фарадей показал, что эффект наблюдается и в том случае, когда магнит движется вблизи проводника. Когда магнит приближается к проводу или удаляется от него, в проводе возникает ток. Точно так же, как движущийся заряд становится магнитом, движущимся магнитом – или магнитом переменной силы – каким-то образом порождает электродвижущую силу и ток в близлежащем проводнике.

Если глубокие теоретические следствия из этого простого и удивительного факта не очевидны вам с первого взгляда, можно это простить, поскольку следствия эти весьма тонкие и для их понимания потребовался величайший теоретический ум XIX столетия.

Чтобы как следует обозначить проблему, нам необходима концепция, которую ввел сам Фарадей. Он почти не имел формального образования и был практически самоучкой, а потому всегда испытывал трудности с математикой. В другом, также, вероятно, недостоверном анекдоте ученый даже хвастался тем, что во всех своих публикациях лишь однажды использовал математическое уравнение. Разумеется, он никогда не описывал свое важнейшее открытие магнитной индукции на математическом языке.

Из-за проблем с абстрактной математикой Фарадей вынужден был думать в картинках и воспринимать физические законы, стоящие за его наблюдениями, интуитивно. В результате он сформулировал идею, ставшую краеугольным камнем всей современной физической теории, и разрешил загадку, мучившую Ньютона до конца дней.