Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

После изобретения паровой машины колеса стала вращать струя пара. Однако механизмы, требующиеся для вращения больших колес, были громоздкими, и их можно было размещать только на фабриках или на больших машинах, таких как локомотив или корабль. Поэтому их использование было рациональным только для масштабных работ. О создании маленьких паровых машин для домашнего использования речи не шло. Кроме того, процесс первоначального запуска паровой машины занимал много времени, поскольку для этого требовалось вскипятить большое количество воды.

С созданием мотора появилась возможность отделить колесо. Генератор как источник энергии уже не надо было размещать в доме или рядом с ним. Кроме того, электрический мотор включается и выключается одним щелчком выключателя.

Моторы оказались крайне универсальными, они могли вращать колеса любого размера и силы. Были разработаны большие моторы для автомобилей или промышленных станков и крошечные для пишущих машинок, бритв и зубных щеток.

Благодаря Фарадею и Генри (и помощи Теслы и Штейнмеца) жизнь населения промышленной части Земли наполнилась электрической техникой.

К середине XIX пека связь между электричеством и магнетизмом была уже четко установлена и вовсю использовалась. Были изобретены генератор и мотор, и действие того и другого основывалось на взаимосвязи электричества и магнетизма.

Однако теория за практикой не успевала. Например, Фарадей, наверное самый великий изобретатель в области электричества, имел минимальные представления о математике, и поэтому его учение о силовых линиях было преподнесено в столь незамысловатой форме, где они описывались прямо-таки как резиновые жгуты [109] Не стоит воспринимать это как насмешку над Фарадеем, который был поистину одним из величайших ученых всех времен. Его интуиция было просто гениальной. Хотя его система воззрений вырабатывалась и без помощи тщательно разработанного математического анализа, она оказалась прочной. Когда в конце концов ее проверили математически, выяснилось, что Фарадой был полностью прав. .

В 60-х годах XIX века Максвелл, большой почитатель Фарадея, принялся за разработку математического анализа взаимосвязей электричества и магнетизма с целью придать более строгий вид нематематическим выкладкам Фарадея.

Чтобы описать, каким образом электрический ток незыблемо порождает магнитное поле, как магнит может порождать электрический ток, а оба эти явления — и электрический заряд, и магнитные полюса — порождают поля, состоящие из силовых линий, в 1864 году Максвелл разработал четыре сравнительно простых уравнения, известные с тех пор как уравнения Максвелла [110] К сожалению, это дифференциальные уравнения, в которых применяется исчисление, а в этой книге мы исчисления не затрагивали. Поэтому мы упомянем об уравнениях Максвелла, но приводить их не будем. . С их использованием стало возможно просчитать природу взаимоотношений электричества и магнетизма в разных условиях.

Для того чтобы уравнения были верны, кажется, невозможно рассматривать отдельно электрическое или магнитное поле. Оба они всегда присутствуют вместе, действуя под определенным углом друг к другу, поэтому можно говорить о существовании единого электромагнитного поля.

Далее, рассматривая возможность применения своих уравнений, Максвелл обнаружил, что изменяющееся электрическое поле должно производить изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, должно производить меняющееся электрическое поле, и т. д.; таким образом, они чередуются, и поле распространяется наружу во всех направлениях. Результатом этого является излучение, обладающее волновыми свойствами. Короче, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, имеющих частоту, равную той, с которой сжималось и расширялось электромагнитное поле.

Максвеллу удалось даже рассчитать скорость, с которой должна двигаться такая электромагнитная волна. Он сделал это, приняв во внимание отношение определенных значений в уравнениях, описывающих силы, действующие между электрическими зарядами и между магнитными полюсами. В результате он получил значение — около 300 000 километров в секунду — значение скорости света, и Максвелл не мог счесть это всего лишь совпадением. Электромагнитное излучение оказывалось не теоретическим понятием его уравнений, а реально существующим явлением. Свет и должен являться электромагнитным излучением [111] Однако описание того, каким образом световые волны с частотой колебаний в сотни триллионов могут производиться электромагнитно, смогло появиться только через полвека, пока квантовую теорию (о которой во времена Максвелла нельзя было и мечтать) не применили к описанию внутренней структуры атома (о которой во времена Максвелла ничего не знали). То, как это случилось, будет описано о III части этой книги. .

Уравнения Максвелла послужили нескольким общим целям. Во-первых, для картины «вселенной полей» они стали тем же, чем законы Ньютона для картины «механической Вселенной». На самом деле Максвеллу его уравнения удались даже лучше, чем Ньютону его законы. Последние оказались лишь приблизительными, верными лишь для низких скоростей и коротких расстояний. Чтобы применяться более широко, им требовались уточнения, которые предоставила эйнштейновская теория относительности. Уравнения же Максвелла пережили все перемены, внесенные теорией относительности и квантовой теорией; в свете нового знания они оказались такими же верными, как и век назад, когда были выведены.

Во-вторых, уравнения Максвелла, в сочетании с позднейшим развитием квантовой теории, вроде бы наконец-то дали нам удовлетворительное объяснение природы света (именно этот вопрос занимает большую часть этой книги и является ее главной темой). Ранее (см. гл. 8) я писал, что, даже если приписать свету частицеобразные свойства, все равно у него остаются и волнообразные свойства, и задавал вопрос, что же может быть их причиной. Как мы видим теперь, эти волнообразные свойства являются вибрацией электромагнитного поля. Электрическая и магнитная составляющие этого поля направлены под правильным углом друг к другу, а вся волна в целом движется в направлении под правильным углом к обеим составляющим.

Максвеллу, придерживавшемуся теории эфира, казалось, что к вибрации электромагнитного поля приводили волнообразные искажения эфира. Однако уравнения Максвелла превзошли даже своего творца. Теория эфира ушла в прошлое, а электромагнитные волны остались, поскольку теперь вибрацию поля можно представлять как вибрационные изменения в геометрии пространства, что не требовало присутствия материи. Больше не требовалось, чтобы для создания световых волн что-либо колебалось.