Таємниці походження всесвіту - Лоуренс Максвелл Краусс 4 стр.

Знов-таки, якщо будь-де поблизу цих двох зарядів помістити тестовий заряд, він відчує на собі силу, спрямовану в напрямку силових ліній, і її величина буде пропорційна кількості силових ліній на цій ділянці.

Отже, Фарадей змалював природу електричних сил між частинками таким чином, який не потребував розвязання алгебраїчних рівнянь, що описують електричні сили. І найдивніше в цих рисунках те, що вони відображають математику строго як вона є, а не лише приблизно.

Аналогічні графічні прийоми можна застосувати до магнітів і магнітних полів, відтворивши закон магнітної сили, що виникає між магнітами, який експериментально підтвердив Кулон, чи дротами під напругою, який вивів Андре-Марі Ампер (до Фарадея всю важку роботу з відкриття законів електрики та магнетизму виконували французи).

За допомогою цих уявних милиць можна перевиразити Фарадеєве відкриття магнітної індукції так: збільшення чи зменшення кількості магнітних силових ліній, що перетинають закільцьований провідник, спричинить протікання цим провідником струму.

Фарадей швидко усвідомив, що його відкриття дасть змогу перетворювати механічну енергію на електричну. Якщо приєднати закільцьований провідник до лопаті, яка має обертатися, скажімо, потоком води, як водяне колесо, і оточити всю цю штуку магнітом, то в процесі обертання лопаті кількість силових ліній, що проходять крізь дріт, постійно змінюватиметься, і в дроті постійно генеруватиметься струм. І ось вам, будь ласка, Ніагарський водоспад, гідроенергетика й сучасний світ!

Цього вже було б цілком досить, щоб закріпити за Фарадеєм репутацію найвидатнішого фізика-експериментатора ХІХ століття. Але в моїх очах Фарадей посідає настільки високе місце тому, що керувався не технологією; найбільше я шаную його глибоке відчуття цікавості та прагнення якнайширше поділитися своїми відкриттями. Я переконаний: він би погодився, що головна вигода від науки полягає в її впливі у вигляді зміни фундаментального розуміння нашого місця в космосі. І врешті-решт саме це він і зробив.

Тут я просто не міг не згадати ще одного більш сучасного видатного фізика-експериментатора Роберта Р. Вільсона, який у віці 29 років очолював науково-дослідний відділ у Лос-Аламосі, де в рамках Мангеттенського проекту розробляли атомну бомбу. Багато років по тому він став першим директором Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі (скорочено Фермілаб) у Батавії, штат Іллінойс. Під час будівництва Фермілабу 1969 року Вільсона викликали на слухання в Конгресі для обґрунтування витрати значних коштів на цей екзотичний новий прискорювач, що його мали застосовувати для вивчення фундаментальних взаємодій елементарних частинок. Коли його запитали, чи сприяє це підвищенню національної безпеки (що легко б виправдало витрати в очах членів комітету Конгресу), він хоробро відповів, що ні. Натомість він сказав: «Це стосується лише поваги, з якою ми ставимося один до одного, людської гідності, нашої любові до культури Це стосується того, чи гарні ми художники, гарні скульптори, видатні поети? Я маю на увазі все те, що ми дійсно поважаємо й шануємо в нашій країні, що викликає в нас патріотизм. У цьому сенсі це нове знання напряму стосується слави та країни, але воно ніяк безпосередньо не стосується захисту нашої країни, хіба що сприяє тому, що вона є гідною захисту».

Відкриття Фарадея дали нам змогу живити й творити нашу цивілізацію, освітити наші міста й вулиці та користуватися нашими електричними пристроями. Важко уявити собі відкриття, глибше вкорінене в житті сучасного суспільство. Проте якщо поглянути глибше, настільки видатним його внесок у нашу оповідь робить те, що він відкрив відсутній шматочок головоломки, який змінив наше сучасне сприйняття практично всього у фізичному світі, починаючи від самого світла. Якщо Ньютон був останнім із чарівників, то Фарадей був останнім із сучасних науковців, які стосовно світла жили в темряві. Після його праці ключ до розкриття істинної природи нашого головного вікна у світ лежав на видноті, чекаючи, доки його знайде потрібна людина.

* * *

Не минуло й десяти років, як молодий шотландський сіромашний фізик-теоретик зробив наступний крок.

Розділ 3Ніби в дзеркалі, у світлі

Найвидатніший фізик-теоретик ХІХ століття Джеймс Клерк Максвелл, чий вплив на фізику Ейнштейн пізніше порівнював із впливом Ньютона, за збігом обставин народився того ж року, коли Майкл Фарадей зробив своє видатне експериментальне відкриття індукції.

Як і в Ньютона, наукова карєра Максвелла розпочалася із захоплення кольором і світлом. Ньютон вивчав спектр видимих кольорів, на які розкладається біле світло при проходженні призми, а от Максвелл, іще будучи студентом, досліджував обернене питання: якою є мінімальна комбінація первинних кольорів, що її буде достатньо для відтворення людському оку всіх видимих кольорів, які містяться в білому світлі? За допомогою набору кольорових обертальних дзиґ він продемонстрував, що практично всі кольори, які ми сприймаємо, можна отримати із сумішей червоного, зеленого та синьогофакт, знайомий кожному, хто встромляв у кольоровий телевізор RGB-кабелі. Максвелл використав це для виготовлення першого у світі кольорового фотознімка. Пізніше він захопився поляризованим світлом, одержаним зі світлових хвиль, чиї електричне й магнітне поля коливаються лише в певних напрямках. Він затискав між здатними поляризувати призмами блок желатину та пропускав крізь них світло. Якщо призми пропускали лише світло, поляризоване в різних перпендикулярних напрямках, то з розміщенням їх одна за одною крізь них не проходило ніяке світло. Проте якщо в желатині були наявні деформації, то в результаті проходження крізь нього світла його вісь поляризації могла обертатися, тож певна кількість світла могла пройти й крізь другу призму. Вишукуючи такі інтерференційні смуги світла, що проходило крізь другу призму, Максвелл мав змогу виявляти наявність деформацій у желатині. Сьогодні це стало корисним інструментом виявлення можливих деформацій матеріалу в складних спорудах.

Проте навіть ці хитромудрі експерименти не є адекватним відображенням могутності ненаситного інтелекту Максвелла та його математичних здібностей, які проявилися в напрочуд юному віці. На превеликий жаль, Максвелл помер у віці лише сорока восьми років і мав занадто мало часу для завершення всіх своїх починань. Його допитлива натура відображена в пасажі, який його мати дописала до листа його батька своячці, коли Максвеллу було лише три роки: «Він дуже щаслива людина, і відколи розпогодилося, почувається набагато краще; він чудово вправляється з дверима, замками, ключами тощо, і ми постійно чуємо від нього покажи, як це робе. Він також вистежує приховані русла струмків та дзвінкових дротів і те, як вода просочується крізь стінку басейну».

Після передчасної смерті матері (від раку шлунка, жертвою якого пізніше в цьому ж віці стане сам Максвелл) освіта хлопчика перервалася, проте у віці тринадцяти років він увійшов у колію в престижній Единбурзькій академії, де здобув відзнаку з математики, а також з англійської мови та поезії. Після цього, коли йому було лише 14, він опублікував свою першу наукову статтю на тему властивостей математичних кривих, яку було представлено в Королівському товаристві Единбурга.

Після такого не за віком стрімкого старту Максвелл розквіт в університеті. Він закінчив Кембридж, упродовж року після випуску (значно раніше середнього для більшості випускників) ставши членом коледжу. Уже незабаром він пішов звідти й повернувся до рідної Шотландії, діставши посаду на кафедрі натурфілософії Абердинського університету.

У віці лише 25 років він був головою відділу й викладав пятнадцять годин на тиждень, плюс читав додаткову безкоштовну лекцію в сусідньому коледжі для робочого люду (для нинішнього штатного професора це було б нечувано, і навіть мені самому важко уявити, як би я це все робив і мав наснагу ще й на дослідження). Утім, попри все, це Максвелл знайшов час для розвязання задачі, якій тоді виповнилося вже двісті років: «Як кільцям Сатурна вдається лишатися стійкими?» Він дійшов висновку, що кільця мають складатися з маленьких частинок, що зробило його лауреатом престижної премії, установленої для заохочення пошуку відповіді на це запитання. Його теорія підтвердилася більш ніж сто років по тому, коли космічний апарат «Вояджер» передав на Землю перші знімки цієї планети крупним планом.

Можна було б вирішити, що після такого видатного здобутку посада професора гарантована Максвеллу пожиттєво. Проте 1860-го, того ж року, коли Лондонське королівське товариство присудило Максвеллу престижну медаль Румфорда за праці, присвячені кольору, коледж, де він читав лекції, обєднали з іншим коледжем, залишивши тільки одну посаду професора натурфілософії. Унаслідок того, що безсумнівно має увійти в історію як одне з найдурніших академічних рішень усіх часів (а щоб очолити цей список, треба дуже постаратися), Максвеллу безцеремонно вказали на двері. Він спробував обійняти посаду в Единбурзькому університеті, але це місце знов-таки віддали іншому кандидатові. Зрештою він знайшов посаду далеко на півдні, у Королівському коледжі Лондона.

Можна було б очікувати, що всі ці події пригнітять Максвелла чи змусять зневіритися, проте навіть якщо так, це аж ніяк не позначилося на його роботі. Наступні пять років у Королівському коледжі були найпліднішим періодом його життя. Саме впродовж цього часу він змінив світ чотири рази.

Першими трьома його внесками були розробка першої світлостійкої кольорової фотографії; розробка теорії поведінки частинок у газах (що сприяло закладенню основ галузі, нині відомої як статистична механіка, істотно важливої для розуміння властивостей матерії та радіації); і, нарешті, розробка «аналізу розмірностей»інструмента, яким, імовірно, найчастіше користуються сучасні фізики для встановлення глибоких взаємозвязків між фізичними параметрами. Наприклад, ми з моїм колегою Френком Вільчеком використовували його лише торік для демонстрації фундаментальної властивості гравітації, суттєвої для розуміння створення нашого всесвіту.

Кожного з цих здобутків самого по собі було б достатньо, щоб міцно закріпити за Максвеллом статус одного з найвидатніших фізиків свого часу. Проте його четвертий внесок кінець кінцем змінив абсолютно все, зокрема наші уявлення про простір і час.

Упродовж роботи в Королівському коледжі Максвелл часто навідувався до Королівського інституту, де сконтактувався з Майклом Фарадеєм, який був на сорок років старший, проте досі натхненний. Не виключено, саме ці зустрічі надихнули Максвелла знову зосередитися на захопливих досягненнях у царині електрики й магнетизмутемах, які він почав розробляти пятьма роками раніше. Максвелл використав свій значний математичний талант для опису та розуміння феномену, що його досліджував Фарадей. Він почав із того, що поставив гіпотетичні силові лінії Фарадея на твердий математичний фундамент, що дало йому змогу дослідити явище індукції значно глибше. Упродовж дванадцяти років, з 1861 до 1873, Максвелл відшліфовував свою найвидатнішу роботуповну теорію електрики й магнетизму.

Для цього Максвелл скористався відкриттям Фарадея як ключем для встановлення факту, що звязок між електрикою й магнетизмом симетричний. Експерименти Ерстеда та Фарадея просто показували, що потік рухомих зарядів створює магнітне поле й що зміна магнітного поля (унаслідок пересування магніту чи просто увімкнення струму для отримання магніту) породжує електричне поле.

Уперше Максвелл виразив ці результати математично ще 1861 року, проте швидко збагнув, що його рівняння неповні. Магнетизм видавався відмінним від електрики. Магнітне поле створюється рухомими зарядами, проте магнітне поле може створювати електричне поле, навіть не рухаючись, а просто змінюючись. Як виявив Фарадей, увімкнення струму, унаслідок чого в міру наростання його сили створюється змінне магнітне поле, породжує електричну силу, яка викликає протікання струму в іншому, сусідньому дроті.

Максвелл зрозумів, що для створення повної та узгодженої системи рівнянь для електрики й магнетизму треба додати до них іще один член, який позначатиме те, що він називав «струмом зміщення». Міркував він так: рухомі заряди, себто струм, породжують магнітне поле, і рухомі заряди являють собою один зі способів створення змінного електричного поля (оскільки поле кожного заряду в процесі його переміщення змінюється в просторі); отже, можливо, змінне електричне поле, себто таке, яке сильнішає чи слабшає, на ділянці без жодного рухомого заряду може породжувати магнітне поле.

Максвелл уявляв, що якщо до протилежних полюсів батареї приєднати дві паралельні пластини, то в міру витікання струму з батареї вони зарядяться протилежними зарядами. Це спричинить виникнення між пластинами зростаючого електричного поля, яке також викличе появу магнітного поля навколо приєднаних до пластин дротів. Максвелл збагнув, що для повного узгодження його рівнянь зростаюче електричне поле між пластинами також має породжувати магнітне поле в порожньому проміжку між пластинами. І це поле буде таким самим, як і будь-яке інше магнітне поле, породжене справжнім струмом, що тече крізь цей проміжок між пластинами.

Тож Максвелл змінив свої рівняння, додавши ще один член (струм зміщення) заради математичної узгодженості. Цей член поводився, по суті, як уявний струм, що протікав між пластинами й породжував у порожньому проміжку між ними змінне електричне поле, ідентичне за величиною до справжнього змінного електричного поля. Він також був ідентичний магнітному полю, яке породив би справжній струм, якби протікав між пластинами. І це магнітне поле, як щодня демонструють студенти у фізичних лабораторіях по всьому світу, дійсно виникає, якщо провести експеримент із паралельними пластинами.

У фізиці математична узгодженість та здорова фізична інтуїція зазвичай себе виправдовують. Це хитромудре виправлення в рівняннях може здатися дрібницею, проте воно має суттєве фізичне значення. Щойно з розгляду зникають реальні електричні розряди, ви одразу ж дістаєте змогу описувати будь-що стосовно електрики й магнетизму суто в термінах гіпотетичних «полів», які слугували Фарадею винятково як уявні милиці. Таким чином, взаємозвязок між електрикою та магнетизмом можна сформулювати дуже просто: змінне електричне поле породжує магнітне поле; змінне магнітне поле породжує електричне поле.

Зненацька в рівняннях зявляються поля як реальні правомочні фізичні обєкти, а не лише як спосіб вираження в кількісній формі сили взаємодії між зарядами. Електрика й магнетизм стали нероздільними. Неможливо говорити про самі лише електричні сили, адже, як я незабаром покажу, електрична сила однієї людини є магнітною силою іншої залежно від умов, у яких перебуває спостерігач, та від того, чи змінюється поле в його системі відліку.

Недарма ми нині описуємо цей феномен терміном електромагнетизм. Після Максвелла електрику й магнетизм більше не розглядали як окремі сили природи. Вони були різними проявами однієї й тієї ж сили.

Максвелл опублікував свою повну систему рівнянь 1865 року, а пізніше, 1873-го, виклав їх у спрощеному вигляді в підручнику. Вони стали відомі як чотири рівняння Максвелла й нині (звісно, переписані сучасною математичною мовою) прикрашають футболки студентів-фізиків по всьому світу. Таким чином, 1873 рік можна визнати таким, коли у фізиці було затверджено друге Велике обєднання (першим було Ньютонове усвідомлення, що рух небесних тіл і падіння земних яблук зумовлені однією й тією ж силою). Це видатне досягнення людського інтелекту, яке бере початок з експериментальних відкриттів Ерстеда й Фарадея, завершив Максвеллсумирний молодий фізик-теоретик із Шотландії, котрий потрапив до Англії через несталість академічного життя.

Відкриття нової точки зору на космос завжди приносить або принаймні має приносити невимовне задоволення. Проте наука додає до цього ще одну величезну вигоду. Нове розуміння породжує відчутні та випробовувані наслідки, причому нерідко миттєво.

Саме так сталося з максвеллівським обєднанням, яке зробило гіпотетичні поля Фарадея в буквальному сенсі такими ж реальними, як ніс у вас на обличчі. У буквальному сенсі, оскільки, виявляється, без них ви не в змозі побачити свого носа.

Геній Максвелла не зупинився на самій лише кодифікації принципів електромагнетизму в елегантній математичній формі. Він використав математику для відкриття прихованої природи найфундаментальнішої з усіх фізичних величин, яка вислизала з рук видатних натурфілософів від Платона до Ньютона включно. Ідеться про найспостережуванішу річ у природі: світло.