Путешествие III

Остров Лептонов и дороги, уходящие в даль

Мы тронулись в путь.

•

Максвелл.

•

Объединим силы и двинемся дальше.

•

Plus ça change, plus c’est la même chose.

•

Относительность, квантовая механика и новый корабль, который плывет на юг.

•

Решение старой задачи и новые миры.

•

На восток!

IX. Электромагнетизм

Сила, соединяющая электрон, атомное ядро и многие другие объекты на нашей карте – это электромагнетизм. Электромагнетизм описывается КЭД – квантовой теорией, разработанной Фейнманом, Швингером и Томонагой. Об этой теории мы уже кратко говорили выше. КЭД играет ключевую роль в устойчивости земли Атома и обеспечивает существование не только того моста, через который мы недавно проходили, но и всех дорог, которые теперь открываются перед нашим взором. Электромагнитная сила переносится фотоном – квантом света, с которым мы уже сталкивались в наших предыдущих путешествиях. Теперь мы исследуем остров, на котором порт Электрон был отправной точкой нашего первого путешествия, и подробно изучим, как здесь все устроено. Это будет поразительное исследование – оно изменит привычное видение пространства и времени.

Путешествуя по земле Атома, мы увидели, что электроны связаны с ядром сложной серией энергетических уровней, потому что они представляют собой квантовые частицы с отрицательным зарядом, а ядро обладает положительным зарядом. Чтобы попасть достаточно далеко на восток и увидеть само ядро, нам понадобится энергия альфа-частиц, которая составляет несколько миллионов эВ. Чтобы увидеть электроны вокруг ядра, нужно меньше энергии: нескольких тысяч эВ будет достаточно; это так называемая энергия связи электронов в типичном атоме.

Энергия связи – это важная концепция, которая будет часто находить отображение на нашей карте. Энергия частиц, входящих в один объект, не равна сумме энергий отдельных частиц в составе этого объекта. Это означает, что необходимо добавить энергию, чтобы разорвать объект.

Рассмотрим в качестве аналогии запуск космического корабля с поверхности планеты. Космический корабль и планета представляют собой связанную систему. Чтобы разъединить их, вам придется вложить много энергии в виде высвобождаемого ракетного топлива, чтобы достичь так называемой скорости убегания. Точно так же, чтобы удалить электрон от атома, то есть ионизировать его или, в конечном итоге, создать плазму, в которой электроны и ионы будут летать свободно, нужно добавить энергию. Если вы хотите высвободить один из самых сильно связанных с ядром электронов, вам нужно приложить достаточно много энергии, иначе ядро не отпустит электрон.

Энергия связи определяет долготу земли Атома на нашей карте. Притягивающая сила электромагнетизма – это и есть сила, ответственная за энергию связи. Фактически, взаимодействие, которое мы называем электромагнетизмом, – это объединение двух сил, которые изначально считались самостоятельными. Так, существует электростатическая сила, благодаря которой два электрически заряженных объекта притягиваются или отталкиваются друг от друга. Если есть два объекта и они оба заряжены либо отрицательно, либо положительно, то они будут отталкивать друг друга. Если один заряжен отрицательно, а другой – положительно, то они будут притягивать друг друга. Большинство объектов электрически нейтральны, потому что положительный заряд атомных ядер в них в точности уравновешивается и, следовательно, компенсирует отрицательный заряд электронов. Однако если потереть воздушным шариком волосы на голове, можно добиться того, что часть электронов перейдут с одной стороны шара на другую, что приведет к разбалансировке заряда и, следовательно, электростатическому отталкиванию.

В дополнение к электростатической силе, если два электрически заряженных объекта движутся друг относительно друга, – например, электроны переносят ток в разных направлениях по двум проводникам, – они будут испытывать действие магнитной силы, которая зависит не только от заряда этих объектов, но и от их скорости. Магнитное поле Земли будет искривлять электрические токи, а само магнитное поле вызвано наличием токов внутри земного ядра.

Однако с этими двумя силами для нас пока остается много неясного. И электрические, и магнитные силы зависят от электрического заряда, поэтому они должны быть связаны друг с другом. Но как? Другой вопрос: а мгновенна ли связь между заряженными частицами, или что-то переносит ее с конечной скоростью? Если верно последнее, то что это может быть и как быстро оно путешествует? Как ведет себя эта сила, когда расстояние между зарядами меняется, или когда заряды движутся, или когда заряды вращаются? Это вовсе не какие-то малозначительные детали. Ответы на все эти вопросы уходят глубоко, в самое сердце физики. Правильное понимание ответов заключается не только в том, что мы – как обычно! – просто хотим знать, как все происходит. Детальное поведение электронов при действии этой силы важно понимать еще и потому, что оно есть ключ к большинству процессов в реальном мире, в том числе в мире наших технологий, не говоря уж о биологических процессах. Даже трюмные насосы нашей маленькой лодки работают с помощью электрического двигателя.

В нашем путешествии мы ориентируемся на показания стрелки компаса. Каждый раз, когда мы сверяемся с ее показаниями, я делаю заметки на своем ноутбуке, напичканном всевозможными электронными технологическими элементами. Закончив очередную запись, я отправляю ее моему издателю при помощи хорошо всем известного беспроводного интернета Wi-Fi или, возможно, при помощи серии сигналов с мобильного телефона. Любой, кто придет после меня в будущем, сможет прочесть мои слова при помощи света, даже если у него не будет фонетического шрифта или аудиоверсии моего послания. Информация, которую я посылаю, воспринимается на универсальном языке уравнений, связывающих между собой электрические заряды, а также электрические и магнитные поля.

Все это – электромагнетизм. Исходные уравнения, которые объединяют электрические и магнитные силы и ведут к созданию и КЭД, и оптики, и радио, и Wi-Fi, – это уравнения Максвелла. Они были опубликованы шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в «Философских трудах Королевского общества» в 1865 году.

Уравнения Максвелла связывают магнитное и электрическое поля друг с другом, а также с электрическим зарядом и током. Из этих уравнений, в частности, следует, что электрическое и магнитное поля заставляют электрические заряды двигаться. Кроме того, электрические заряды создают электрические поля, а магнитных зарядов не существует. И, наконец, уравнения Максвелла указывают на то, что изменения магнитных полей приводят к появлению электрических полей и наоборот. Уравнения дают точное описание, как происходит все вышеописанное. В них содержится тот факт, что единственный способ изменения величины электрического заряда в заданном объеме – это наличие электрического тока, который забирает или вводит заряд. Заряд не может просто исчезнуть или появиться из ниоткуда: он сохраняется.

Уравнения выглядели очень многообещающими. В них Максвелл собрал вместе ряд уже известных законов, которые использовались для описания разных экспериментальных результатов. К примеру, Майкл Фарадей, работавший в Королевском институте Лондона в 1831 году, открыл, что перемещение магнита сквозь петлю заряженного проводника приводит к появлению электрического тока – эффект, называемый электромагнитной индукцией. Максвелл встроил закон электромагнитной индукции Фарадея в то, что может считаться «великой теорией объединения» электричества и магнетизма, включив в нее и описание того, каким образом заряды притягивают друг друга и каким образом магнитное поле генерируется электрическим током.

Собирая вместе и объединяя существующие законы, такие как закон индукции Фарадея, Максвелл также вывел, каким образом изменение электрического поля порождает магнитное поле, даже в отсутствие зарядов и токов. Удивительно то, насколько полно и глубоко эти уравнения смогли раскрыть физические принципы и богатство реальных физических явлений.

Важно отметить: уравнения Максвелла показывают, что электрическое и магнитное поля могут существовать даже при отсутствии электрических зарядов. Изменение электрического поля ведет к изменению магнитного поля, что, в свою очередь, приводит к еще большему изменению электрического поля и т. д. Математически это выражается в том факте, что уравнения могут быть переписаны в виде волнового уравнения, описывающего бегущую волну (с которой мы встречались раньше, наблюдая за чайкой на поверхности залива). В силу того, что электрическое и магнитное поля могут поддерживать бегущую волну, эти поля могут переносить энергию и информацию. Скорость этих волн можно вычислить из уравнения, и она составит 300 тысяч км в секунду – скорость света! Эти волны, фактически, и есть свет – электромагнитное излучение. На языке квантовой теории это – фотоны. Они встречаются во многих формах: видимый свет, радиоволны, Wi-Fi, рентгеновское излучение и др. Все эти волны по-разному взаимодействуют с веществом, по-разному поглощаясь и отражаясь разными материалами. Однако все эти различия полностью обусловлены различием в длинах волн.

Фотоны будут сопровождать нас на всем пути от самых низких энергий на западе к самым высоким на юге. Фотоны – это сеть наших дорог на карте, которые соединяют все, что несет электрический заряд. Иногда эти наши «знакомые» будут менять свой облик – видимый свет так непохож на гамма-лучи. Но с точки зрения уравнений Максвелла – и КЭД – все фотоны есть волны электромагнитного поля.