Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс Страница 10

Это очень счастливый человечек, он многому научился с тех пор, как погода успокоилась; он обожает возиться с дверями, замками, ключами и тому подобное, то и дело от него слышится: «Покажи мне, как это делают». Кроме того, он исследует скрытые пути ручьев и проволоки от звонков и способ, каким вода попадает из пруда к нам через стенку.

После безвременной смерти матери (от рака желудка, жертвой которого станет позже и он сам, в том же возрасте) его обучение прервалось, но к тринадцати годам он нашел свой путь и учился в престижной Эдинбургской академии, где завоевал награду по математике, а также по английскому языку и поэзии. Именно тогда Максвелл опубликовал свою первую научную работу о свойствах математических кривых; она была представлена в Королевском обществе Эдинбурга, когда автору было всего четырнадцать лет.

В университете после этого раннего старта Максвелл буквально расцвел. Он получил диплом Кембриджа и менее чем через год – намного раньше, чем это происходит обычно, – стал членом совета своего колледжа. Вскоре после этого он ушел из университета ^[4] и вернулся в родную Шотландию, чтобы принять кафедру натуральной философии в Абердине.

Он возглавил ее в двадцать пять лет и преподавал по пятнадцать часов в неделю, а сверх того читал дополнительную бесплатную лекцию в соседнем колледже для работающих студентов (сегодня это было бы неслыханно для профессора, возглавляющего кафедру; мне вообще трудно представить, что при такой нагрузке у меня, к примеру, оставалась бы еще энергия на исследования). Тем не менее Максвелл нашел время, чтобы решить задачу, над которой ученые бились больше двух столетий: как сохраняют устойчивость кольца Сатурна? Он пришел к выводу, что кольца должны состоять из мелких частиц, что принесло ему крупный приз, объявленный с целью стимулирования исследований по этому вопросу. Через сто с лишним лет, когда «Вояджер» прислал на Землю первые снимки этой планеты с близкого расстояния, теория Максвелла полностью подтвердилась.

Можно было бы подумать, что столь замечательные результаты позволяли Максвеллу чувствовать свою профессорскую позицию неуязвимой. Однако в 1860 г. – в том же году, когда Королевское общество удостоило его престижной медали Румфорда за работы по цвету, – колледж, где он читал лекции, объединился с другим колледжем, и нужда в двух профессорах натуральной философии отпала. Максвелла бесцеремонно отправили в отставку, и это научно-административное решение может считаться одним из самых тупых в истории (а там, поверьте, есть из чего выбирать). Он попытался получить кафедру в Эдинбурге, но и это место досталось другому кандидату. В конце концов ему удалось найти место на юге страны, в лондонском Королевском колледже.

Можно было бы ожидать от Максвелла разочарования или подавленности таким ходом событий, но, если что-то такое и было, на его работе это никак не отражалось. Следующие пять лет в Королевском колледже стали самым продуктивным периодом его жизни. За это время он успел изменить мир, причем четырежды.

Первыми тремя достижениями были: создание цветной фотографии; разработка теории поведения частиц газа (что заложило фундамент такой научной области, как статистическая физика, которая необходима для понимания свойств вещества и излучения); наконец, разработка «метода размерностей» – инструмента, которым, наверное, чаще всего пользуются современные физики для установления глубоких связей между физическими величинами. Я сам использовал его в прошлом году вместе с коллегой Фрэнком Вильчеком, чтобы продемонстрировать одно фундаментальное свойство гравитации, важное для понимания происхождения Вселенной.

Каждого из этих достижений в отдельности было бы достаточно, чтобы надежно обеспечить Максвеллу место среди величайших физиков своего времени. Однако его четвертое достижение полностью изменило все, включая наши представления о пространстве и времени.

В период пребывания в Королевском колледже Максвелл часто бывал в Королевском институте. Там он познакомился с Майклом Фарадеем, который был на сорок лет старше, но по-прежнему полон идей. Возможно, эти встречи побудили Максвелла вновь перенести фокус своего внимания на интереснейшие новые открытия в области электричества и магнетизма, где он пятью годами ранее начинал исследования. Максвелл воспользовался своим немалым математическим талантом, чтобы описать открытые Фарадеем явления и разобраться в них. Он начал с того, что подвел под гипотетические силовые линии Фарадея более прочную математическую основу, что позволило ему глубже исследовать открытую Фарадеем индукцию. За двенадцать лет, с 1861 по 1873 г., Максвелл создал свою величайшую работу – полную теорию электричества и магнетизма.

Воспользовавшись открытием Фарадея как ключом, он показал, что отношения между электричеством и магнетизмом симметричны. Из экспериментов Эрстеда и Фарадея явствовало, что поток движущихся зарядов порождает магнитное поле и что изменяющееся магнитное поле (при движении магнита или просто при включении электрического тока, что тоже проявляется как магнит) порождает электрическое поле.

Впервые Максвелл выразил эти результаты математически в 1861 г., но вскоре понял, что его уравнения неполны. Магнетизм в них выглядел иначе, чем электричество. Движущиеся заряды порождали магнитное поле, но магнитное поле могло порождать электрическое даже без движения – просто изменяясь. Вспомним, что обнаружил Фарадей: при включении и нарастании электрического тока появляется переменное магнитное поле, а оно порождает электродвижущую силу, которая вызывает ток в другом близко расположенном проводнике.

Максвелл понял, что для полноты и непротиворечивости системы уравнений, описывающих электричество и магнетизм, нужно добавить к уравнениям дополнительный член, представляющий нечто, названное им «током смещения». Он рассуждал так: движущиеся заряды, то есть ток, порождают магнитное поле, и движущиеся заряды – это способ получить переменное электрическое поле (поскольку поле от каждого заряда изменяется в пространстве при перемещении этого заряда). Быть может, переменное – то есть усиливающееся или ослабевающее – электрическое поле в области пространства, где нет никаких движущихся зарядов, тоже может породить магнитное поле.

Максвелл представил, что если подключить две параллельные пластины к противоположным полюсам батареи, то от батареи потечет ток и каждая из пластин будет набирать противоположный по отношению ко второй заряд. Это породит растущее электрическое поле между пластинами, а также магнитное поле вокруг подсоединенных к ним проводников. Но Максвелл понял: чтобы его уравнения были совершенно корректны, растущее электрическое поле между пластинами должно также порождать магнитное поле в пустом пространстве между пластинами. И это поле должно быть точно таким же, как если бы оно порождалось реальным током, текущим через пространство между пластинами.

Поэтому Максвелл изменил свои уравнения, добавив новый член – ток смещения, чтобы добиться математической стройности. По существу, этот член проявлял себя как воображаемый ток, текущий между пластинами и порождающий переменное электрическое поле, точно соответствующее по величине реальному переменному электрическому полю в пустом пространстве между пластинами. Он также соответствовал магнитному полю, которое возбудил бы реальный ток, если бы протекал между пластинами. Такое магнитное поле действительно возникает при проведении эксперимента с параллельными пластинами, в чем постоянно убеждаются студенты-физики в учебных лабораториях по всему миру.