Майкл: поля и свет

Ньютон знал, что его уравнения не описывают все силы, существующие в природе. Есть силы, действующие между телами, отличные от гравитации. Предметы движутся не только тогда, когда они падают. Первым вопросом, который оставила открытым теория Ньютона, было объяснение других сил, которые определяют то, что происходит вокруг нас. Ответа на этот вопрос человечеству пришлось ждать до XIX столетия, в котором его ждало два удивительных сюрприза.

Первый сюрприз состоит в том, что почти все явления, которые мы наблюдаем, определяются единственной силой, отличной от гравитации: это сила, которую сегодня мы называем электромагнетизмом. Именно она скрепляет вещество, составляющее твердые тела, и удерживает вместе атомы в молекулах и электроны в атомах. Эта сила заставляет работать химические и биологические механизмы. Она действует в нейронах нашего мозга и отвечает за обработку информации о мире, которая нами воспринимается, и за мысли в наших головах. Эта же сила создает трение, которое останавливает скользящие предметы, смягчает приземление парашютиста, приводит в движение электрические моторы и двигатели внутреннего сгорания[44], позволяет нам включать свет и слушать радио.

Понимание того, каким образом работают электромагнитные силы, было достигнуто другим британцем, а точнее двумя: это была самая странная научная пара – Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.

Майкл Фарадей происходил из обедневшей лондонской семьи и даже не закончил школу. Поначалу он работает в переплетной мастерской, а затем попадает в лабораторию, где преуспевает, завоевав доверие своего работодателя, и вырастает в самого блистательного физика-экспериментатора XIX века и величайшего провидца. Не имея знаний по математике, он создает одну из лучших в мире книг по физике, которая практически не содержит уравнений. Он видит физику своим внутренним взором и создает миры силой своего воображения. Джеймс Клерк Максвелл – богатый шотландский аристократ, один из величайших математиков своего столетия. Несмотря на разделяющую их пропасть в части стиля мышения и социального происхождения, они достигают взаимопонимания и, объединив вместе два гениальных ума, открывают новые пути к современной физике.

Сведения об электричестве и магнетизме в начале XVIII века, по сути, ограничивались несколькими развлекательными трюками: стеклянные стержни, притягивающие кусочки бумаги; магниты, которые отталкиваются и притягиваются. Исследования электричества и магнетизма неспешно велись в течение всего XVIII века и продолжились в XIX веке; но здесь в игру вступает Фарадей, работающий в лондонской лаборатории, полной катушек, игл, ножей и железных клеток, который изучает притяжение и отталкивание наэлектризованных и намагниченных предметов. Как истинный ньютонианец, он пытается понять силу, которая действует между заряженными и намагниченными предметами. Очень медленно, на ощупь, постоянно анализируя взаимодействие этих предметов, он приходит к догадке, которая легла в основу всей современной физики. Он «видит» нечто новое.

Рис. 2.3. Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл

Догадка Фарадея состоит в следующем: мы не должны считать, что силы действуют напрямую между удаленными объектами, как предполагал Ньютон. Вместо этого мы должны предположить, что есть некая сущность, разлитая в пространстве, которая изменяется наэлектризованными и намагниченными телами и которая, в свою очередь, воздействует на эти тела (отталкивает и притягивает их). Сущность эта, о наличии которой догадался Фарадей, сегодня называется полем.

Что же такое поле? Фарадей видит его как пространство, образованное пучками очень тонких (бесконечно тонких) линий: невидимая гигантская паутина, заполняющая всё вокруг нас. Он говорит о «силовых линиях», поскольку, в некотором смысле, эти линии «переносят силу»: они передают электрические и магнитные воздействия от одного тела к другому, как если бы это были тянущие и толкающие тросы (рис. 2.4).

Объект, имеющий электрический заряд (например, натертый стеклянный стержень) искажает электрическое и магнитное поля (линии) вокруг себя, и, в свою очередь, эти поля вызывают силы, действующие на каждый погруженный в них заряженный объект. Таким образом, два удаленных друг от друга заряженных тела притягиваются или отталкиваются не напрямую, а только через расположенную между ними среду.

Рис. 2.4. Линии поля заполняют пространство. Благодаря им происходит взаимодействие двух электрически заряженных объектов. Сила взаимодействия этих объектов «переносится» силовыми линиями поля

Когда вы берете в руки два магнита и играете с ними, попеременно сближая и удаляя их друг от друга, то чувствуете силу, с которой они притягиваются или отталкиваются. Благодаря этим эффектам вы «ощущаете» поле, находящееся между магнитами, и можете прийти к той же догадке, что и Фарадей.

Эта идея кардинальным образом отличается от ньютоновского представления о силе, действующей между удаленными телами. Но она понравилась бы Ньютону. Он на самом деле был озадачен тем самым притяжением на расстоянии, которое сам же и ввел в оборот. Каким образом Земле удается притягивать к себе Луну, которая находится так далеко? Каким образом Солнце притягивает Землю, не вступая с ней в соприкосновение? В одном из писем он замечает:

Непостижимо также, чтобы неодушевленная грубая материя (без Божественного вмешательства) влияла бы и воздействовала бы на другую материю, не вступая с последней в прямой контакт…[45]

А страницей далее он даже пишет:

То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее, дабы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента, посредством и при участии которого действие и сила могли бы передаваться от одного <тела> к другому, представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям.[46]

Ньютон называет абсурдом свой собственный шедевр – ту самую работу, которая веками восхваляется как высшее достижение науки! Он понимает, что за действием на расстоянии в его теории должно стоять еще что-то, но у него нет идей, что бы это могло быть, и он предоставляет об этом вопросе… «судить читателям»!

Для гения характерно понимать пределы собственных находок, даже в случае таких выдающихся достижений, как открытие Ньютоном законов механики и всемирного тяготения. Теория Ньютона прекрасно работает, она оказалась настолько полезной, что в течение двух столетий никто даже не пытался ставить ее под сомнение, – пока Фарадей, «читатель», которому Ньютон завещал свой неразрешенный вопрос, не нашел ключ к разумному пониманию того, как тела притягивают и отталкивают друг друга на расстоянии. Позднее Эйнштейн применит блестящую идею Фарадея к самой ньютоновской теории гравитации.

Введя новую сущность – поле, он радикально отошел от элегантной и простой ньютоновской онтологии: мир больше не состоит только из частиц, которые с ходом времени движутся в пространстве. На сцене появляется новое действующее лицо – поле. Фарадей понимает всю важность совершаемого им шага. В его книге есть прекрасные пассажи, где он задается вопросом, существуют ли в реальности эти силовые линии. После периода сомнений и тщательного анализа он делает вывод, что может думать о них как о реальных, но с «осторожностью, которая необходима, когда сталкиваешься с глубочайшими вопросами науки»[47]. Он осознает, что предлагает не что иное как изменение картины мира после двух столетий непрерывных успехов ньютоновской физики (рис. 2.5).

Максвелл быстро осознает, что эта идея вскрывает золотую жилу. Он превращает прозрение Фарадея, которое тот излагает лишь словами, в страницу уравнений[48]. Они известны теперь как уравнения Максвелла и описывают поведение электрического и магнитного полей – математическое представление «линий Фарадея»[49].

Рис. 2.5. Мир Фарадея и Максвелла: частицы и поля, которые движутся в пространстве с течением времени

Сегодня уравнения Максвелла каждодневно используются для описания всех электрических и магнитных явлений, для проектирования антенн, радиоприемников, электрических двигателей и компьютеров. И это еще не всё: те же самые уравнения нужны для объяснения того, как устроены атомы (они скрепляются электрическими силами), почему частицы вещества, образующего камень, соединяются друг с другом, как устроено Солнце. Они описывают невероятное число самых разных явлений. Почти все, что мы наблюдаем в окружающем мире, за исключением гравитации и еще нескольких явлений, прекрасно описывается уравнениями Максвелла.

Но есть еще один очень важный момент – то, что может считаться самым прекрасным достижением науки: уравнения Максвелла объясняют нам, что такое свет.

Максвелл обнаружил, что, согласно его уравнениям, линии Фарадея могут колебаться и двигаться волнообразно, подобно волнам на поверхности моря. Он вычислил скорость, с которой движутся волны фарадеевых линий, и эта величина оказалась… равной скорости света! Почему? Максвелл понял: потому что свет – это не что иное, как быстрые колебания фарадеевых линий! Фарадей и Максвелл не только поняли, как устроены электричество и магнетизм, но и заодно, как побочный эффект, объяснили, что такое свет.

Мы видим окружающий мир цветным. Что такое цвет? Упрощенно говоря, это частота (скорость колебаний) электромагнитной волны, представляющей собой свет. Если волна колеблется быстрее, свет голубеет. Если чуть медленнее – краснеет. Цвет, как мы его воспринимаем, – это психофизиологическая реакция на нервные импульсы, порождаемые рецепторами в наших глазах, которые различают электромагнитные волны разной частоты.

Я могу только догадываться, что почувствовал Максвелл, когда понял, что его уравнения, выведенные для описания катушек, клеток и иголок в лаборатории Фарадея, объясняют природу света и цвета…

Свет, таким образом, – это не что иное, как быстрые колебания паутины фарадеевых линий, которые волнуются, подобно поверхности моря под порывами ветра. Неправда, будто мы не видим фарадеевых линий. Просто мы видим только их колебания. Видеть – значит воспринимать свет, а свет – это движение фарадеевых линий. Ничто не перескакивает из одного места в пространстве в другое без какого-либо переносчика. И если мы видим ребенка, играющего на морском берегу, то лишь потому, что между ним и нами простирается море вибрирующих линий, которые доносят до нас его изображение. Ну разве этот мир не чудесен?

Это поистине выдающееся открытие, но им дело не ограничивается. Прямым его следствием становится вывод, имеющий для нас колоссальное значение. Максвелл понимает, что, согласно его уравнениям, фарадеевы линии могут колебаться на значительно меньших частотах, то есть гораздо медленнее, чем свет. Следовательно, должны существовать другие волны, которых никто еще не видел, порожденные движением электрических зарядов и способные, в свою очередь, перемещать электрические заряды. Должна быть возможность потрясти электрический заряд здесь и породить волну, которая вызовет электрический ток там. Всего несколькими годами позже эти волны, теоретически предсказанные Максвеллом, будут обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем. А еще через несколько лет Гульельмо Маркони создаст первое радио.

Все современные коммуникационные технологии – радио, телевидение, телефоны, компьютеры, спутники, Wi-Fi, интернет и т. п. – являют собой прикладные применения максвелловских предсказаний; уравнение Максвелла – это основа всех расчетов, выполняемых инженерами в области телекоммуникаций. Современный мир, основанный на коммуникациях, родился из догадки бедного лондонского переплетчика – искусного исследователя идей, обладавшего живым воображением, – который своим мысленным взором увидел некие линии, а также из работы хорошего математика, который перевел его образы в уравнения и понял, что волны этих линий в мгновение ока могут переносить новости с одного конца планеты на другой.

Рис. 2.6. Из чего состоит наш мир?

Наши современные технологии основаны на использовании физических объектов – электромагнитных волн, – которые не были открыты эмпирически: они были предсказаны Максвеллом путем поиска математического описания, соответствующего догадке Фарадея, возникшей из возни с катушками и иголками. Такова поразительная мощь теоретической физики.

Мир изменился: он больше не состоит только из частиц в пространстве, теперь это частицы и поля в пространстве (рис. 2.6). Может показаться, что это незначительное изменение, но несколько десятилетий спустя молодой человек еврейского происхождения, гражданин мира, сделает из этого выводы, которые пойдут намного дальше того, что могло нарисовать себе буйное воображение Майкла Фарадея, и которые до основания потрясут ньютоновский мир.