Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

працював над «гарячою» ділянкою наукових досліджень – щойно відкритими зв’язками між електрикою та магнетизмом, відштовхуючись при цьому від праць данського фізика Ганса Крістіана Ерстеда. Ці дві сили здаються зовсім різними, проте водночас на диво подібні. Електричні розряди можуть притягуватися або відштовхуватися. Магніти можуть те саме. Проте в магнітів, схоже, завжди є два полюси, північ і південь, які не можна відокремити, тоді як електричні розряди можуть бути позитивними чи негативними в індивідуальному порядку.

Якийсь час науковці та натурфілософи розмірковували, чи немає між цими двома силами якихось прихованих зв’язків, і першу емпіричну підказку випадково отримав саме Ерстед. 1820 року, під час лекції, Ерстед помітив, що увімкнення електричного струму від батареї змушувало відхилятися стрілку компаса. Кілька місяців по тому він розвинув це спостереження й відкрив, що потік рухомих електричних зарядів, який ми сьогодні зазвичай називаємо електричним струмом, породжував магнітне тяжіння, яке змушувало піднесені до провідника компасні стрілки крутитися колом.

Ерстед проторував нову стежку. Новина швидко поширилася серед науковців як на континенті, так і на іншому березі Ла-Маншу. Рухомі електричні заряди породжували магнітну силу. Чи є ще якісь зв’язки? Чи можуть магніти, своєю чергою, впливати на електричні заряди?

Науковці шукали, як це зробити, проте безуспішно. Деві з іншим колегою намагалися збудувати на основі виявленого Ерстедом зв’язку електричний двигун, проте зазнали невдачі. Зрештою Фарадею вдалося змусити дріт із пропущеним крізь нього струмом рухатися навколо магніту, що можна було вважати чимось на кшталт двигуна. Саме в доповіді про це захопливе досягнення він забув згадати ім’я Деві.

Почасти це була просто забавка. Ніякого фундаментального феномену при цьому відкрито не було. Імовірно, саме це стало основою однієї з моїх улюблених (скоріш за все, вигаданих) історій про Фарадея. Кажуть, що 1850 року Вільям Ґледстоун, майбутній прем’єр-міністр Великобританії, почув про лабораторію Фарадея, повну химерних пристроїв, і запитав, яку практичну цінність мають усі ці дослідження електрики. Фарадей начебто відповів: «О, сер, вельми ймовірно, що незабаром ви зможете обкласти її податком».

Вигадка чи ні, але ця дотепна відповідь містить як велику іронію, так і велику істину. Дослідження, спричинені цікавістю, можуть видатися далеким від нагальних суспільних потреб сибаритством. Проте, по суті, весь рівень нашого сучасного життя людей першого світу постав зі здобутків таких досліджень, зокрема й електроенергія, яка живить майже всі пристрої довкола нас.

1831-го, через два роки після смерті Деві та через шість після того, як Фарадей став директором лабораторії в Королівському інституті, він зробив відкриття, яке закріпило за вченим репутацію, можливо, найвидатнішого фізика-експериментатора ХІХ століття – відкриття магнітної індукції. Ще з 1824 року Фарадей намагався з’ясувати, чи може магнітне поле змінити напрямок струму в дроті поряд або подіяти на заряджені частинки ще якоюсь електричною силою. Насамперед він хотів перевірити, чи здатне магнітне поле викликати електричний струм, аналогічно до Ерстеда, який показав, що електричне поле, зокрема електричний струм, здатне породжувати магнетизм.

28 жовтня 1831 року Фарадей заніс до лабораторного записника визначне спостереження. Замкнувши перемикач, щоб увімкнути струм у дроті, оберненому навколо залізного кільця для його намагнічування, він помітив, що струм на мить виник в іншому дроті, оберненому навколо цього ж кільця. Зрозуміло, сама лише наявність близького магніту не могла спричинити протікання струму в дроті – а от вмикання чи вимикання магніту могло. Надалі Фарадей показав, що такий самий ефект спостерігався, коли він підсував магніт до дроту. У міру наближення чи віддалення магніту дротом починав текти струм. Точно як рухомий заряд створював магніт, так якимось чином рухомий магніт – чи магніт змінної потужності – створював у близькому дроті електричну силу й породжував струм.

Якщо вам не очевидне ґрунтовне теоретичне значення цього простого та несподіваного результату, не соромтеся, адже це значення вельми хитромудре, і його розкриття підкорилося лише розуму найвидатнішого фізика-теоретика ХІХ століття.

Для того, щоб оформити його належним чином, потрібна концепція, яку ввів усе той же Фарадей. Фарадей мав скромну формальну освіту й був значною мірою самоучкою, тож ніколи не був на короткій нозі з математикою. Інша, скоріш за все, вигадана історія розповідає, що Фарадей хизувався тим, що у своїх публікаціях використав математичне рівняння лише раз. Ясна річ, він ніколи не описував важливе відкриття магнітної індукції в математичних термінах.

Через незлагоди з формальною математикою Фарадей був вимушений мислити рисунками, аби досягти інтуїтивного розуміння фізики, що лежала в основі його спостережень. У результаті він винайшов ідею, що є наріжним каменем усієї сучасної фізичної теорії та розв’язала головоломку, над якою до кінця своїх днів бився Ньютон.

Фарадей спитав себе: «Як один електричний заряд знає, як реагувати на присутність іншого, віддаленого електричного заряду?» Таке саме запитання раніше поставив Ньютон у термінах тяжіння, коли розмірковував, як Земля знає, що треба саме так реагувати на гравітаційне тяжіння Сонця. Як сила тяжіння передається від одного тіла до іншого? На це запитання він дав свою знамениту відповідь: «Hypotheses non fingo» («Я не вигадую гіпотез»), стверджуючи, що вивів закон всесвітнього тяжіння та показав, що його передбачення відповідають спостереженням, і що цього достатньо. Надалі багато хто з нас, фізиків, використовував цей прийом захисту, коли його просили пояснити всілякі дивні фізичні результати, особливо у квантовій механіці, де математика працює, а от фізична картина часто виглядає божевільною.

Фарадей уявив, що кожен електричний розряд оточений електричним «полем», яке він міг подумки зобразити. Він уявляв це поле як купу прямих ліній, які променеподібно виходять із заряду. На ці силові лінії були нанесені стрілки, які вказували назовні у випадку позитивного заряду та всередину у випадку негативного.

Далі він уявив, що в міру збільшення величини заряду збільшується й кількість силових ліній:

Користь цієї уявної картини полягала в тому, що тепер Фарадей мав змогу інтуїтивно зрозуміти, що станеться, якщо поруч із першим зарядом помістити ще один тестовий заряд, і чому це станеться (уживаючи неформальне «чому», я маю на увазі