Третий раздел физики, мимо которого мы не можем пройти равнодушно, касается электричества. В 1600 году придворный врач английской королевы Уильям Гильберт придумал этот термин, произведя его от греческого названия янтаря — «электрон». Еще древним грекам было известно, что если потереть янтарь, то он начинает притягивать к себе мелкие предметы. С тех пор содержание термина «электричество» много раз видоизменялось и пополнялось, пока не стало обозначать всю совокупность чрезвычайно разнообразных явлений, связанных с существованием, движением и взаимодействием электрических зарядов.
К середине XIX века исследователи накопили уже немало сведений о таинственной электрической силе. Во-первых, было несколько ее сортов, различавшихся по способу получения: обыкновенное электричество, которое получали прежде всего трением; атмосферное электричество; гальваническое, получавшееся с помощью гальванических батарей; животное, магнитное и прочее, и прочее…
Правда, тут были еще, по-видимому, неисчерпанные возможности. В 1820 году датский физик Христиан Эрстед обнаружил, что протекающий по проводнику электрический ток (гальваническое электричество) поворачивает магнитную стрелку так, что она стремится стать перпендикулярно к проволоке. Интересное наблюдение, оно намекало на какую-то связь между электричеством и магнетизмом.
Это было тем более интересно, что Эрстед находился под сильным влиянием учения немецкого философа Шеллинга, утверждавшего, что все природные силы имеют единую основу. Это единство природных сил носило у Шеллинга характер довольно умозрительный, туманный и откровенно идеалистический, не связанный с формами движения материи. Но сама по себе мысль была безусловно плодотворной…
Загадка связи электричества с магнетизмом заинтересовала многих ученых того времени. Но особенное впечатление она произвела на тридцатилетнего английского химика Майкла Фарадея. Впрочем, вряд ли стоит называть так определенно область его интересов. Фарадей начал с химии, обучаясь у знаменитого сэра Гемфри Дэви. Но затем стал обнаруживать все большую и большую склонность к физике.
М. Фарадей в своей лаборатории о Королевском институте в Лондоне
Загадка опытов Эрстеда полностью захватила его. И в 1821 году он записывает в своем дневнике: «превратить магнетизм в электричество».
Десять лет жизни посвятил Фарадей решению этой задачи. И добился своего.
В 1831 году он пришел к выводу, что «электрическая волна возникает только при приближении (при движении) магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое». Несколькими днями спустя после этой записи он установил между полюсами магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи контактов можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый в мире генератор электрического тока, созданный человеком.
Фарадей сравнивал в своих опытах действие разных «сортов» электричества и пришел к мысли, что все они представляют собой одно и то же и различаются лишь по количеству электричества и по величине потенциала (напряжения).
Это был очень важный вывод, который лег в основу дальнейшего развития теории электричества.
Вторая руководящая идея Фарадея касалась среды, в которой находятся наэлектризованные или намагниченные тела.
Насыпьте железных опилок на бумагу и поднесите снизу магнит. Тотчас же опилки выстроятся между полюсами, образовав в пространстве рисунок четких силовых линий. А теперь второй опыт: насыпьте мелкие продолговатые кристаллики хорошего диэлектрика (например, хинина) в какую-нибудь вязкую жидкость. Чтобы опыт шел по классическим канонам, возьмите для этой цели касторовое масло. Тщательно взболтайте и поместите между обкладками заряженного конденсатора. И снова кристаллики выстроятся друг за другом от одной обкладки к другой, демонстрируя силовые линии, определяя направление и величину сил.
Фарадей назвал среду, через которую передается воздействие электрических сил, «полем», пронизанным магнитными и электрическими «силовыми линиями».
Но такое представление противоречило концепции дальнодействия, которая была принята тогда в теории электричества. Дело в том, что законы взаимодействия зарядов слишком напоминали законы Ньютона. Его точка зрения была автоматически перенесена и на область электричества и дала превосходные результаты.
Фарадей же принял концепцию близкодействия. Дальше ему понадобилась материальная среда, заполняющая любое пространство, через которое передается действие электрических и магнитных сил. Передается от точки к точке, шаг за шагом…
Такой средой, в которой могло быть создано поле электрических сил, мог быть только эфир. Вы спросите: «Опять эфир?» Конечно, это будет уже не тот «оптический эфир», который понадобился после открытий Юнга и Френеля, а новый, «электрический эфир».
У Фарадея не было академического образования, и он почти не был знаком с математикой. Это была одна из причин, по которой многие ученые не доверяли ни его интуиции, ни его логическим построениям.
Рассказывают, что Джемс Максвелл, подготавливаясь к профессорскому званию, вставал в семь утра. Рабочий день его продолжался до пяти часов пополудни. После чего он ложился спать. Просыпался в десять и снова садился за работу до двух часов ночи.
Ровно в два он вставал из-за стола, до половины третьего занимался гимнастикой и бегал по коридорам преподавательского общежития, вызывая проклятия коллег. Затем снова ложился спать, чтобы в семь часов начать новый рабочий день.
Д. Максвелл — создатель теории электромагнитного поля
Сам Фарадей никогда не принижал роли математики. Когда ему исполнилось шестьдесят лет, он писал молодому двадцатилетнему бакалавру Тринити-колледжа Джемсу Клерку Максвеллу (1831 —1879), имеющему блестящую математическую подготовку: «Математики могли бы сослужить нам хорошую службу, представляя свои результаты не только в удобной форме, но и в более популярном виде».
Максвелл внимательно изучал «Экспериментальные исследования по электричеству», принадлежащие перу Фарадея. Он безоговорочно принял фарадеевскую концепцию «поля» и «силовых линий». «Не следует смотреть на эти линии, — писал он, — как на чисто математические абстракции. Это направления, в которых среда испытывает натяжение, подобное натяжению веревки или, лучше сказать, подобно натяжению собственных наших мускулов».
Целый год напряженной работы по невероятному распорядку, составленному Максвеллом самим для себя, привел в конце концов его к результатам.
Максвелл составил четыре строчки уравнений, описывавших все, что было известно об электромагнитных процессах. Уравнения получились простыми, строгими и изящными. Более того, они таили в себе неожиданности даже для самого Максвелла.
Так, в них, например, входила некоторая постоянная величина, которую следовало определить. Вы же знаете, что в некоторые формулы входят такие постоянные, как «пи» или ускорение падающего тела. А что же собой представляла постоянная, входящая в его уравнения? Максвелл определил ее величину. И оказалось, что она равна 300 000 километров в секунду. Но ведь это не что иное, как скорость света? Получалось, что свет имел общую природу с электрическими и магнитными явлениями… При этом волны света, как электромагнитные колебания, должны были носить характер не продольный, а поперечный, а энергия магнитного поля переходить в энергию электрического и наоборот.
Не сразу новая теория получила признание. Но получила. Корпускулярная теория света была окончательно оставлена. Электричество и свет, породнившись, дружно излучали в мир свои электромагнитные волны, которые распространялись в эфире.
Итак, видимый свет, ультрафиолетовый и инфракрасный, а также электромагнитные волны имеют одну и ту же природу. Какую?..
Максвелл предполагал, что вызывает их некая колеблющаяся электрическая частичка. Как камертон вызывает колебания окружающего воздуха и создает звук, так и электрическая частица вызывает возмущения в эфире…
Что собой представляла загадочная частица, никто не знал. Что собой представлял эфир, никто не знал тоже.