Глава 22
Силы, поля и магнетизм

Атом Дальтона позволил создать современную химию, но были и другие углы зрения, под которыми можно было использовать эту идею.

Для начала атомы не только комбинируются между собой, чтобы создавать соединения. Все не исчерпывается тем, что они вступают в разные химические реакции. Дэви и Берцелиус, без сомнений, признавали тот факт, что атомы в растворе могут быть притянуты к положительному или отрицательному полюсу с помощью проходящего через раствор электрического тока.

Атомы являлись частью феномена «электричества». Но почему? Как?

Отчего, например, в таком растворе, как морская вода, натрий мигрирует к отрицательному полюсу, а хлор – к положительному?

Такие вопросы горячо обсуждались в начале девятнадцатого века, и одним из важнейших исследователей этого направления был Майкл Фарадей (1791–1867), замечательный во всех отношениях человек. Он родился в простой семье и получил самое базовое образование, молодые годы провел, изучая переплетное дело, но затем обнаружил такую вещь, как наука, и свободное время посвящал чтению всего, что мог найти о ней. Популярные детские книги по химии воспламенили его воображение, и один из покупателей в переплетной лавке, где работал Фарадей, предложил ему билет на лекцию Гемфри Дэви в Королевском институте.

Фарадей слушал лекцию в полном восхищении и делал заметки своим аккуратным почерком. Он показал свои записи Дэви, и тот оказался поражен их четкостью и разборчивостью, но все же сообщил молодому человеку, что в науке нет работы и что переплетное дело – лучший выбор для того, кому нужно зарабатывать себе на жизнь.

Но вскоре после этого был уволен ассистент лаборатории при Королевском институте, и Дэви предложил Фарадею это место. И бывший переплетчик провел там всю жизнь, он помог превратить ее в прибыльное предприятие с великолепной репутацией.

Первые дни Фарадея в институте прошли за решением химических задач для Дэви. Он прекрасно справлялся с обязанностями в лаборатории, но продолжал читать и о теоретических проблемах науки. Он был членом одной из протестантских церквей, и, хотя проводил много времени в церкви, вера не мешала ему заниматься исследованиями. Скорее помогала, поскольку он считал, что Бог создал мир таким, какой он есть, но человек вполне в состоянии понять, как тот устроен.

Вскоре после того как Фарадей появился в Королевском институте. Дэви и его новая жена отправились в турне по Европе, и они взяли молодого ассистента с собой. Аристократическая супруга Дэви обращалась с Фарадеем как со слугой, но путешествие длиной в восемнадцать месяцев позволило ему встретиться со многими известными учеными Европы.

Вернувшись в Лондон. Дэви и Фарадей продолжили работать над многими вопросами практического характера: отчего происходят взрывы в шахтах, как можно усовершенствовать медную обшивку на днище морского корабля, каковы оптические характеристики стекла? По мере того, как Дэви все больше интересовался научной политикой. Фарадей становился хозяином самому себе, и внимание его обращалось на связь между электричеством и магнетизмом.

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) открыл электромагнетизм: манипуляции электрического тока, позволяющие создать магнитное «поле». Магнетизм был известен долгое время, и компас с его железной иглой, указывающей на север, использовали повсеместно.

Навигаторы полагались на такие приборы за века до того, как Колумб открыл Америку, и натурфилософы ломали головы над тем, почему только немногие вещества (такие как железо) могут быть намагничены, а остальные – нет. И факт, что компасы всегда указывают в одном направлении, означает, что Земля сама по себе действует как огромный магнит.

Электромагнетизм Эрстеда вызвал волну интереса среди ученых, и Фарадей оказался в числе тех, кто принял вызов. В сентябре 1821 года он провел один из наиболее известных экспериментов в истории науки. Работая с маленькой намагниченной иглой, он заметил, что игла продолжает вращаться, если она окружена витым проводом, через который проходит электрический ток. То есть электричество, текущее через витой провод, создает магнитное поле, к которому игла постоянно притягивается, и от этого происходит ее движение.

На иглу влияли, как назвал их Фарадей, «линии силы», и он понял все их значение. Бывший переплетчик оказался первым, кто сумел превратить электрическую энергию (электричество) в механическую энергию (в движение или вращение намагниченной иглы). Он изобрел принцип, на котором построена работа всех до единого электромоторов, они все превращают электричество в движение – в стиральных машинах, пылесосах или холодильниках.

Фарадей продолжал работать с магнетизмом и электричеством следующие тридцать лет. Он был одним из самых одаренных экспериментаторов, когда-либо живших на Земле: аккуратным как в планировании собственной работы, так и в воплощении планов на практике. Будучи самоучкой, он не знал математики, так что его научные статьи выглядели больше как лабораторные записи: детальные описания оборудования, того, что он сделал и что наблюдал.

Его работы помогли ученым понять, какую роль играют электрические заряды в химических реакциях. В начале 1830-х он добавил электрогенератор и электрический трансформатор к числу своих изобретений.

Фарадей знал, что его эксперименты грубы и несовершенны, но он также понимал, что занимается очень важным делом. Взаимодействие между электричеством и магнетизмом, а также превращение электрической энергии в механическую буквально движет наш современный мир.

Фарадей всю жизнь отличался широтой научных интересов и много времени потратил, заседая в разнообразных научных комитетах и занимаясь делами Королевского института. Он начал такую традицию, как Рождественские лекции, которые очень популярны до сих пор, и одну из них вполне можно увидеть по телевизору.

Но электричество и магнетизм оставались его главной страстью, и его одержимость этой темой оставила нам новые слова и не одно полезное приложение теории к практике. Фарадей даже шутил по поводу своих изобретений – когда один политик спросил, какова практическая ценность электричества, ученый якобы ответил: «Ну что же, сэр, есть вероятность, что вы скоро сумеете обложить его налогом».

Но на другой стороне Атлантики произошел еще один прорыв в области изучения электричества и магнетизма: электрический телеграф.

Опыты по отправке сигналов по проводам начались в первые годы девятнадцатого века, но стабильно действующее устройство создал американец Сэмюэл Морзе (1792–1872). В 1844 году он отправил послание на расстояние в тридцать восемь миль (используя азбуку Морзе, которая носит его имя), из Вашингтона, столицы США, в Балтимор.

Телеграфное сообщение сравнительно быстро охватило весь мир, и британцы использовали его для установления связи между отдаленными уголками своей огромной империи. Появилась возможность для людей из разных концов света общаться друг с другом, а новости стали в полном смысле слова новостями, поскольку рассказывали о том, что произошло совсем недавно.

Фарадей пришел к идее «поля», пытаясь объяснить, почему электричество и магнетизм обладают такими удивительными свойствами. Поля (пространства влияния) использовались учеными и ранее, когда они выдвигали гипотезы по поводу разных химических реакций, электричества, магнетизма, света и гравитации. Подобные явления имеют место, как они думали, в особом пространстве, или поле, точно так же как в определенные игры можно играть только на специальной доске или площадке.

Фарадей сделал эту идею центральной в своих гипотезах, касающихся электричества и магнетизма. Он утверждал, что куда важнее определить область воздействия некоего феномена, чем беспокоиться слишком сильно по поводу того, что такое на самом деле свет, электричество или магнетизм.

Ну и сила электрического поля может быть показана в экспериментах.

Фарадей не мог поверить, что нечто вроде гравитации в состоянии распространять свое воздействие через вакуум, так что он предполагал – такая вещь, как абсолютная пустота, невозможна. Следовательно, доказывал он, космос наполнен очень тонкой субстанцией, именуемой «эфир».

Гипотеза эфира (ничего общего не имеющего с анестезирующим газом того же имени) дала ученым возможность объяснить многие вещи посредством прямого воздействия. Например, «поля» Фарадея вокруг электрических проводников или магнитов могли быть результатом того, что ток или магнит активизируют очень тонкую материю, из которой состоит эфир. Гравитацию тоже было легче понять как возмущение эфира, иначе она выглядела странной оккультной силой наподобие тех магических воздействий, с которыми имели дело алхимики древности и в которые не мог верить современный ученый вроде Фарадея.

«Эфир» не является чем-то таким, что можно увидеть или потрогать, но физики верили, что он объясняет результаты их экспериментов. В Британии эта концепция использовалась до начала двадцатого века, когда опыты продемонстрировали, что ничего подобного на самом деле не существует.

Но большинство других идей Фарадея оказались много более полезными, ученые более позднего времени развили их и обеспечили электричество, магнетизм и многие другие феномены настоящим математическим описанием. Бывший переплетчик стал последним великим деятелем в истории естественных наук, не использовавшим математики.

Человеком, который надежно зафиксировал наследие Фарадея, стал Джеймс Клерк Максвелл (1831-79), первый из нового поколения математически подкованных экспериментаторов. О нем часто говорят с тем же восхищенным придыханием, как о Ньютоне или об Эйнштейне, и не зря – он был одним из самых креативных физиков всех времен.

Максвелл родился в Эдинбурге, получил там образование, а затем перебрался в Кембридж. Он ненадолго вернулся в Шотландию, где преподавал, но в I860 году устроился на работу в Кингс-колледж (Лондон), где и провел наиболее продуктивные годы.

Еще ранее он описал кольца планеты Сатурн, в Лондоне он занялся теорией цвета и сделал первую цветную фотографию. Максвелл всегда интересовался электричеством и магнетизмом и связывал эти феномены вместе: после его работ физики смогли использовать математику для описания электромагнетизма.

Максвелл обеспечил математические инструменты и уравнения для описания поля Фарадея. Его расчеты показали, что электромагнитная сила – это волна, и это оказалось одним из самых важных открытий в физике. Эта волна путешествует со скоростью света, и мы сейчас знаем, что свет и энергия от солнца приходят к нам в виде электромагнитных волн.

Таким образом. Максвелл предсказал существование разнообразных волн, о которых мы знаем: радиоволны, что делают возможным радиовещание, микроволны используются в микроволновых печках, ультрафиолетовые и инфракрасные находятся за пределами нашего поля зрения, и там же существуют рентгеновские или гамма-волны (они же лучи). Все эти волны не являются частью повседневной жизни, мы не воспринимаем их непосредственно. Ничего удивительного, что большинство этих форм энергии еще не были открыты, когда Максвелл заявил о возможности их существования, и поэтому на то, чтобы понять всю гениальность его догадок, понадобилось время.

Его «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873), по всей вероятности, самая важная работа по физике, появившаяся между «Началами» Ньютона и трудами двадцатого века.

Ко времени написания этой книги Максвелл перебрался в Кембридж, где организовал Кавендишскую лабораторию, где впоследствии были проведены многие важнейшие изыскания. Сам он умер молодым, в возрасте сорока восьми лет, но до этого успел провести фундаментальное исследование в области физики газов, используя в процессе методы математической статистики. Они позволили описать, как ведут себя большие количества атомов в газообразной субстанции, когда каждый движется в слегка отличном направлении и с отличающимися скоростями, и все это при различных температурах и давлении.

Максвелл создал математический аппарат, позволивший объяснить то, что Роберт Бойль и Роберт Гук наблюдали много лет назад. Он предложил базовую концепцию «механизмов обратной связи»: процессов, которые идут по петле, мы называем их «регуляторами». Эти механизмы имеют большое значение в технике, в исследованиях двадцатого века, посвященных искусственному интеллекту, и в компьютерной отрасли.

Нечто подобное происходит в наших телах, например, когда нам жарко, тело это ощущает, и мы потеем, затем пот охлаждает тело и испаряется. Или, если нам холодно, мы начинаем дрожать, и сокращения наших мускулов, воспринимаемые как дрожь, позволяют выделять тепло, и оно нас согревает. Эти механизмы обратной связи помогают нам поддерживать постоянную температуру тела.

Максвелл имел тонкое чувство юмора, был глубоко религиозен и всю жизнь находился под большим влиянием жены. Во время званых ужинов она имела обыкновение говорить: «Джеймс, ты начинаешь хорошо проводить время, самое время отправиться домой». К счастью, она не препятствовала его занятиям в лаборатории.