Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Глава 13 Электричество и магнетизм

К началу первого десятилетия XVIII века из всех областей физики только механика обрела вид, близкий к современному. После смерти Ньютона в 1717 году другой важный раздел физики — исследование электричества и магнетизма — все еще оставался совершенно не разработанным. Наиболее важные открытия в этой области были сделаны в течение следующего столетия, и они неожиданно, как это часто бывает в науке, привели к новому, единому взгляду на электромагнетизм, свет и другие виды излучения.

Разумеется, о естественно намагниченной железной руде, магнетите, было известно еще в античные времена. Кроме того, об электростатическом притяжении янтаря, среди прочих, упоминал еще Платон. Но пионером научного изучения электричества и магнетизма можно считать Уильяма Гильберта (1544–1603), придворного врача королевы Елизаветы I. Гильберт учился медицине и математике в Кембридже, затем работал врачом в Лондоне. Он был сторонником Коперника и его теории о движении Земли. Исследования по физике, которой Гилберт занимался в свободное время, появились в 1600 году в его книге «О магните».

Гильберт рассматривал электричество как жидкость, которая возникает или переносится при трении, например, когда янтарь натирают мехом. Он назвал эту жидкость «электрика», по греческому названию янтаря (многие родственные слова, произошли от этого термина, например электрон). Он показал также, что Земля является огромным магнитом, и изучал ее свойства, используя миниатюрную модель из магнетита (рис. 13.1). Это помогло ему объяснить, почему стрелка компаса указывает направление север-юг. Истинный магнитный полюс Земли расположен на широте 83°, в Северной Канаде, и медленно смещается к северу примерно на 40 км в год. По определению, северным полюсом магнитной стрелки называют тот ее конец, который смотрит на север. Как мы знаем, Кеплер рассматривал роль магнетизма в движении планет; теперь очевидно, что он заблуждался.

Рис. 13.1. Иллюстрация из книги Уильяма Гильберта «О магните», Гильберт знал, что на стрелку компаса влияет магнитное поле Земли, которое он называл Orbis virtutis В Китае компасом пользовались уже в первые века нашей эры, а в Европе о нем узнали в XIII веке. На рисунке северный и южный магнитные полюса расположены слева и справа.

Другой англичанин, Стефен Грей (1666–1736), объявил в 1729 году, что электричество, полученное в результате трения, можно перемещать с места на место. В зависимости от способности пропускать через себя электричество он разделил вещества на проводники (например, медь) и изоляторы (например, стекло). Француз Шарль Дюфе (1698–1739) слышал о работах Грея и начал собственное исследование. Он пришел к выводу, что существует два вида электричества — стеклянное и янтарное (или смоляное). Первый вид возникает, например, при трении стекла шелковой тканью, а второй — в янтаре, когда его трут мехом. Он сделал такое заключение, заметив, что тела, заряжающиеся схожим электричеством, отталкиваются друг от друга, в то время как тела с противоположным электричеством притягивают друг друга.

Открытие Дюфе можно было интерпретировать по-разному: либо действительно существует два вида электрической жидкости, или же есть жидкость одного вида, но возможен ее избыток или дефицит, как предполагал, например, Бенджамин Франклин. Он считал стеклянное электричество реальным, положительным электричеством, а янтарное электричество представлял как нехватку, или отрицательное электричество. По его мнению, трение или любое другое действие и не создают, и не разрушают электричество, а всего лишь приводят к передаче электричества от одного тела к другому. Таким образом, он предчувствовал закон сохранения электрического заряда, один из краеугольных камней современной физики. Ту же идею еще раньше предлагал Уильям Уотсон (1715–1787).

Франклин был не только одним из «отцов-основателей» во время Американской революции, но и изобретателем эффективной «печи Франклина», бифокальных очков и громоотвода. Он начинал подмастерьем переплетчика, став затем торговцем книгами и издателем. Случайно, в Бостоне, Франклин посетил выставку чудес электричества и был так очарован, что следующие 10 лет изучал электричество. Но еще он был вынужден заниматься дипломатической работой, помогая в создании Декларации независимости, Конституции США и служа американским послом в Париже (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Бенджамин Франклин (1706–1790) был эрудитом, диапазон интересов которого простирался от электричества до дипломатии.

Когда мы анализируем электрическое притяжение и отталкивание, совершенно естественно сравнить их с гравитацией Ньютона. Кроме того, что для электрической силы характерны два вида заряда, она является более сильной версией закона сил Ньютона, что облегчает исследования. Английский теолог и физик Джозеф Пристли (1733^_18°4) первый продемонстрировал, что закон силы между зарядами является законом обратных квадратов, как и закон гравитации Ньютона. Наиболее детальные исследования электрической силы провел Шарль Кулон (1736–1806) во Франции, поэтому закон действующей между электрическими зарядами силы назвали законом Кулона.

Электрическая батарея, созданная итальянским физиком Алессандро Вольта (1745–1827), открыла широкое поле для исследований, изменивших всю картину. Раньше сильные электрические токи генерировались только на мгновение во время электрического разряда. Теперь любая лаборатория могла быть оснащена мощной электрической батареей (рис. 13.3). Мощность электрического тока для исследований повысилась в 10 000 раз. Так были раскрыты новые секреты природы.

Рис. 13.3. Эту большую батарею в подвале Королевского института использовал, например, Гемфри Дэви в своих экспериментах.

Следующее большое открытие произошло почти случайно. Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851), профессор физики Копенгагенского университета, готовился к лекции об электричестве и магнетизме; для этого он принес в аудиторию батарею, чтобы продемонстрировать действие электрического тока. Рядом с батареей он положил компас — для демонстрации магнитных сил. Прежде он уже замечал, что между электричеством и магнетизмом существует некоторая связь: например, стрелка компаса беснуется во время грозы. До начала лекции оставалось немного времени, и профессор решил провести небольшой опыт. Эрстед положил компас рядом с проводом, по которому тек электрический ток, и его подозрения подтвердились: под действием тока стрелка компаса начала двигаться. Таким образом, два отдельных феномена, электричество и магнетизм, которые до этого рассматривались совершенно раздельно, в действительности оказались связаны друг с другом. Эрстед продолжил свои исследования и опубликовал результаты в 1820 году.

Новость об открытии Эрстеда распространилась очень быстро. Через несколько лет его статья была зачитана на собрании Французской академии наук. На этом собрании был и Ампер, который тут же начал работать над объяснением явления, обнаруженного Эрстедом. Теория была готова через неделю и послужила основой для объединения электричества и магнетизма в теорию электромагнетизма.

Андре Мари Ампер (1775–1836) родился недалеко от Лиона. Его отец, состоятельный купец, занимавший должность мирового судьи в Лионе, был казнен во время Французской революции. Теперь дом Ампера превращен в музей и открыт для посещения. В детстве Ампер не ходил в школу, а приобрел свои знания путем чтения книг. Вот эпизод, говорящий о его прекрасной памяти и способностях к обучению. Будучи еще маленьким мальчиком, он отправился в Лионскую библиотеку и попросил книги знаменитых математиков — Эйлера и Бернулли. Библиотекарь объяснил мальчику, что это сложные математические книги, которые ему будет трудно понять, к тому же — они написаны на латинском языке. Новость о латинском языке смутила Ампера, но он решил, что незнание латинского языка не должно мешать ему. Спустя несколько недель он вернулся в библиотеку, уже зная латынь, и начал читать эти книги.

Ампер женился в 24 года и содержал семью, работая школьным учителем. В 1808 году он был назначен инспектором школ и на этой должности оставался всю жизнь. Кроме того, он работал профессором в Париже. К 1820 году, когда Ампер заинтересовался электромагнетизмом, он был уже широко известен своими трудами по математике и химии. Этот разносторонний ученый начинал как профессор математики, затем стал профессором философии, а позднее — профессором астрономии! Начиная с 1824 года Ампер был уже профессором физики Коллеж де Франс.

Ампер не удовлетворился только лишь объяснением результатов Эрстеда и начал свои исследования. Например, он показал, что, смотав электрический провод в виток, можно создать искусственный магнит — электромагнит, который действует точно так же, как естественные магниты. Ампер смело, но совершенно верно предположил, что естественные магниты содержат внутри себя небольшие витки непрерывного тока, которые действуют вместе и создают естественный магнетизм.

Ампер сразу же понял важность феномена электромагнетизма в передаче информации. Включая и выключая ток, можно привести в движение стрелку компаса, находящегося довольно далеко. Послание может быть передано с такой скоростью, с какой распространяется электрический ток. Вскоре началось производство телеграфных аппаратов, работающих по этому принципу. Одна из первых телеграфных линий была протянута в 1834 году в Геттингене между лабораторией Вильгельма Вебера и астрономической обсерваторией Карла Фридриха Гаусса. В том же году первую коммерческую телеграфную линию, соединившую Вашингтон и Балтимор (США), наладил Сэмюэл Морзе, изобретатель азбуки Морзе.

Другим ученым, сразу же оценившим огромное значение открытия Эрстеда, стал англичанин Майкл Фарадей. Он был сыном кузнеца и получил минимальное образование. В 13 лет он стал подмастерьем переплетчика. Переплетая книги, он их читал. Один из клиентов дал ему бесплатный абонемент на посещение публичных лекций Гемфри Дэви (1778–1829). Фарадей сделал аккуратный конспект лекций, красиво переплел его и послал Дэви с запиской, в которой спрашивал, нет ли у Дэви работы для него. Каково же было удивление Фарадея, когда Дэви пригласил его к себе. Конспект был написан очень аккуратно и произвел на Дэви хорошее впечатление. В 1820 году он предложил мальчику должность своего ассистента в Королевском институте в Лондоне. Так началась одна из наиболее знаменитых карьер в науке. Говорили, что самым большим открытием Дэви был Фарадей (рис. 13.4).

Фарадей учился у самого Дэви. Когда Дэви отправился в полуторагодичный тур на континент, он взял с собой Фарадея, который познакомился там, среди прочих, с Ампером и Вольтой. Когда Дэви работал в Париже с Луи Гей-Люссаком, изучая новый химический элемент — йод, им помогал Фарадей. Впрочем, и дома в его служебные обязанности входило проведение химических опытов.

Рис. 13.4. Майкл Фарадей (1791–1867), портрет Томаса Филлипса.

Если не считать временного интереса к электромагнетизму, вызванного открытием Эрстеда, Фарадей до 1830 года был профессиональным химиком. В 1833 году он стал профессором химии в Королевском институте. Но к этому моменту его научные интересы уже поменялись. Фарадей был убежден, что если электрический ток может быть причиной возникновения магнитных сил, то и магнит должен быть способен создавать электрический ток. Это мнение разделяли многие, среди которых был и Ампер, не сумевший, однако, подтвердить эту захватывающую идею.

В течение 10 лет Фарадей проводил различные опыты по электромагнетизму. В 1831 году он вложил одну катушку внутрь другой. Когда по одной из катушек пускали ток, она становилась электромагнитом. Фарадей хотел выяснить, способен ли магнит вызвать появление электрического тока во второй катушке. Действительно, ток возникал, но лишь на мгновение — только при включении или выключении электромагнита. Это привело Фарадея к важному открытию: изменение магнита — например, изменение силы магнита или его вращение — генерирует электрический ток в соседней катушке. Ключевым моментом здесь было изменение магнита.

Это позволило Фарадею сконструировать электрический генератор — простое динамо, ставшее в будущем основой электротехники. Однажды он демонстрировал свое открытие Уильяму Гладстону, который в то время был министром финансов, и тот спросил: «Ну и как же это можно использовать?» Фарадей ответил: «Вполне возможно, сэр, что когда-нибудь вы сможете обложить это налогом».

Одним из важнейших достижений Фарадея стала предложенная им новая интерпретация того, как сила передается от одного тела к другому. Вместо действия на расстоянии он представлял себе силовые линии, пронизывающие пространство. В 1830-е и 1840-е годы Фарадей продолжал разрабатывать свою идею магнитных и электрических силовых линий. Но поскольку эта новая идея не имела математической формы, большинство ученых отвергло ее. Однако было два важных исключения — Уильям Томсон и Джеймс Клерк Максвелл. Томсон дал силовым линиям Фарадея математическую интерпретацию и показал, что концепция силовых линий согласуется с теорией тепла и механикой; тем самым был заложен математический фундамент теории поля. Фарадей осознавал важность поддержки этими «двумя очень талантливыми джентльменами и выдающимися математиками»; он говорил: «для меня это источник большого наслаждения и поддержки — чувствовать, что они подтверждают справедливость и универсальность предложенного мной представления».

Для Фарадея идея о силовых линиях естественно вытекала из его опытов с магнитами. Когда он бросал иглообразные железные опилки на лист бумаги, лежащий на куске магнита, то замечал, что опилки выстраиваются по линиям, идущим в определенном направлении, в зависимости от их положения относительно магнита (рис. 13.5). Он думал, что магнитные полюсы связаны магнитными линиями и что эти линии становятся видимыми с помощью железных опилок, которые выстраиваются параллельно линиям. Для Фарадея эти линии были реальными, хоть и невидимыми. Свою идею о силовых линиях Фарадей распространил и на электрические силы; он считал, что и гравитацию можно интерпретировать подобным способом. Вместо утверждения, что планета каким-то неведомым образом узнает, как она должна двигаться по орбите вокруг Солнца, Фарадей ввел понятие гравитационного поля, которое управляет планетой на орбите. Солнце генерирует поле вокруг себя, а планеты и другие небесные тела ощущают влияние поля и ведут себя соответственно. Точно так же заряженные тела генерируют вокруг себя электрические поля, а другие заряженные тела чувствуют это поле и реагируют на него. Существуют и магнитные поля, связанные с магнитами.

Рис. 13.5. Магнитные силовые линии полосового магнита, обозначенные железными опилками на листе бумаги.

Ньютон считал, что основные объекты — это частицы, связанные между собой силами; а пространство между ними пустое. Фарадей представил себе и частицы, и поля, взаимодействующие друг с другом; а это вполне современная точка зрения. Нельзя сказать, что частицы более реальны, чем поля. Обычно мы изображаем поля в виде линий, указывающих направление силы в каждой точке пространства (рис. 13.6). Чем плотнее расположены линии, тем больше сила. Возьмем в качестве примера гравитацию Солнца. Можно сказать, что, приходя со всевозможных направлений, все силовые линии оканчиваются на Солнце. Мы можем нарисовать сферы разных радиусов с центром в Солнце, при этом каждая силовая линия будет пересекать каждую сферу. Площадь сфер возрастает как квадрат их радиуса, поэтому плотность линий уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояний. Таким образом, идея о силовых линиях прямо приводит нас к закону гравитации Ньютона (а также и к кулоновскому закону обратных квадратов для электрического поля постоянного заряда; рис. 13.7).

Рис. 13.6. Силовые линии одиночного положительного заряда и силовые линии между положительным и отрицательным зарядами.

Рис. 13.7. Гравитационные силовые линии, связанные со сферически симметричным распределением массы. Количество силовых линий, пересекающих одинаковые площади, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от центра массы.

Используя идею силового поля (например, гравитационного), нужно следовать нескольким простым правилам.

1. Гравитационное ускорение происходит вдоль силового поля, проходящего через тело.

2. Величина ускорения пропорциональна плотности линий в заданной точке.

3. Силовые линии могут заканчиваться только там, где есть масса. Число линий, заканчивающихся в данной точке, пропорционально массе этой точки.

Теперь легко доказать утверждение, над которым Ньютону пришлось немало потрудиться. Сравнивая ускорения на поверхности Земли и на орбите Луны, Ньютон предполагал, что Земля воздействует на все тела так, как будто бы вся ее масса сконцентрирована в ее центре. Почему?

Предположим для простоты, что Земля совершенно круглая и симметричная. Тогда все части ее поверхности будут одинаково покрыты приходящими силовыми линиями. Согласно третьему правилу, число силовых линий зависит от массы Земли. Если бы вся масса была сосредоточена в центре планеты, все эти линии продолжались бы до центра. Таким образом, гравитационное поле Земли не зависит от того, как масса распределена под ее поверхностью в том случае, если имеется сферическая симметрия. В частности, вся масса Земли, сконцентрированная в ее центре, создает точно такую же гравитацию, как реальная Земля.

Точно такие же рассуждения применимы и к электрическому полю. Но поскольку существует два вида электрического заряда — положительный и отрицательный, — то при изменении знака заряда направление силовых линий меняется на противоположное. Силовые линии начинаются у положительного заряда и заканчиваются у отрицательного (как видно на рис. 13.6).

Силовые линии Фарадей ввел в науку интуитивно, но он не смог оформить свое открытие в виде математической теории. Это в полном объеме сделал Джеймс Клерк Максвелл, великий физик-теоретик XIX века. Максвелл получил прекрасное образование: он поступил в Эдинбургский университет, когда ему было всего 15 лет, а через три года перешел в Кембриджский университет, который закончил в 1854 году. Еще через два года он стал профессором физики в Университете Абердина в Шотландии, откуда и переехал в Лондон. В 1865 году он перебрался в свое поместье Гленлэр близ Эдинбурга, где и написал свою знаменитую работу «Трактат об электричестве и магнетизме», изданную в 1873 году (рис. 13.8).

Тем временем Кембриджский университет получил крупное пожертвование от наследников Генри Кавендиша (1731–1810), известного своими исследованиями электричества. Деньги были предназначены для создания физической лаборатории. До того времени физики Университета проводили свои опыты в собственных кабинетах. На вновь учрежденную профессорскую должность в 1871 году был избран Максвелл. Он стал первым в знаменитой плеяде кавендишских профессоров, о которых мы поговорим позднее: Джон Стретт, более известный как лорд Рэлей, а также Джозеф Томсон и Эрнест Резерфорд. Около 30 ученых Кавендишской лаборатории стали в разные годы лауреатами Нобелевской премии по физике, химии и физиологии.

Рис. 13.8. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), предвидевший электромагнитные волны, и Генрих Герц (1857–1894), продемонстрировавший их существование.

Максвелл объединил отдельные законы электромагнетизма, открытые Кулоном, Ампером и Фарадеем, в то, что теперь известно как уравнения Максвелла, представляющие электричество и магнетизм как единый феномен — электромагнетизм. Из уравнений Максвелла можно увидеть, что колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут распространяться в пространстве с большой скоростью, которую вычислил Максвелл. Ее значение оказалось столь близким к скорости света, что Максвелл в длинном письме Фарадею (1861) писал: «Независимо от того, верна моя теория или нет, я думаю, мы сейчас имеем все основания считать, что светоносная и электромагнитная среда едина…» А в более позднем письме он говорил: «Совпадение результатов, по-видимому, доказывает, что свет и магнетизм являются свойствами одной и той же субстанции и что свет есть электромагнитное возмущение, распространяющееся по полю в соответствии с законами электромагнетизма».

Таким образом, свет состоит из электрического и магнитного полей, которые колеблются перпендикулярно к направлению распространения в соответствии с ранее обнаруженной поляризацией. В знаменитом эксперименте 1887 года Генрих Герц проверил гипотезу Максвелла об электромагнитных волнах. Он сумел создать и зарегистрировать иной вид электромагнитного излучения — радиоволны. Единственное различие между радиоволнами и светом состоит в том, что в потоке света колебания электрического и магнитного полей происходят с гораздо большей частотой, чем в радиоволне. При быстрых колебаниях длина волны получается малой: у обычного света гребни волн разделены половиной микрометра (= 0,0005 мм). В радиоволнах гребни волн разделены расстоянием от 1 мм и больше, вплоть до волн длиной в километры.

Между радио и светом находится инфракрасное тепловое излучение с длиной волн от микрометра до миллиметра. Очень короткие, невидимые глазу волны, лежащие сразу же за границей фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) случайно открыл рентгеновские лучи, легко проходящие сквозь любое вещество. Положив руку перед источником этих лучей и экраном, Рентген был удивлен, увидев кости своей руки (первое рентгеновское обследование). Но и рентгеновское излучение тоже оказалось электромагнитным с длиной волн короче ультрафиолетового. Самое коротковолновое излучение называется гамма-излучением; его открыли несколькими годами позже при исследовании радиоактивных элементов (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Разные типы электромагнитных волн и их длина (рисунок: NASA).