Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

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, взаємозв’язок між електрикою та магнетизмом можна сформулювати дуже просто: змінне електричне поле породжує магнітне поле; змінне магнітне поле породжує електричне поле.

Зненацька в рівняннях з’являються поля як реальні правомочні фізичні об’єкти, 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 об’єднання (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 Максвелл – сумирний 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 об’єднанням, 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.

Розгляньмо такий мислений експеримент. Візьмемо електрично заряджений предмет та погойдаємо вгору-вниз. Що буде?

Ну, заряд оточений електричним полем, і, коли ви рухаєте заряд, змінюється положення силових ліній. Але, за Максвеллом, це змінне електричне поле породить магнітне поле, яке стирчатиме зі сторінки та входитиме в сторінку так, як показано нижче:

Тут силова лінія, що входить у сторінку, позначена хрестиком (хвіст стрілки), а та, що стирчить зі сторінки – крапкою (наконечник стрілки). Коли заряд мінятиме напрямок руху згори донизу на знизу догори, це поле також мінятиме напрямок на протилежний.

Але ми на цьому не зупинимося. Якщо я продовжу гойдати заряджений предмет, електричне поле, а разом із ним і індуковане магнітне поле продовжуватимуть змінюватись. Але змінне магнітне поле породить електричне поле. Таким чином матимемо нові силові лінії індукованого електричного поля, які будуть направлені вертикально та змінюватимуть напрямок угору-вниз одночасно зі зміною на протилежний знака магнітного поля.

Через брак місця я зображу електричну силову лінію тільки праворуч, проте ліворуч матимемо її індуковане дзеркальне відображення.

Проте це змінне електричне поле, своєю чергою, породить змінне магнітне поле, яке існуватиме ще далі ліворуч і праворуч від діаграми, і так далі.

Гойдання заряду викликає послідовність збурень в електричному та магнітному полях, що поширюються назовні, адже, за правилами магнетизму, що їх визначив Максвелл, зміна кожного з полів слугує джерелом виникнення іншого. Верхній рисунок можна розширити до тривимірного зображення (див. нижче), яке в повному обсязі фіксуватиме природу цих змін: