Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме

В наше время на людей науки уже не смотрят с прежним страхом и подозрением. Они сделались союзниками духа эпохи, они — своего рода передовая партия радикалов среди образованных.

Что до нашего времени, оптимизм по поводу благодеяний науки и техники поугас. Мы видели и обратную их сторону. Сейчас ситуация больше похожа на ту, о которой вспоминал Максвелл, — ту, что была в пору его детства.

Максвелл внес огромный вклад в физику и астрономию. Он окончательно доказал, что кольца Юпитера состоят из мельчайших частиц, обнаружил упругость твердых тел, разработал теорию движения газов и статистическую механику. Он первым доказал, что огромное количество крошечных молекул, которые двигаются независимо и сталкиваются друг с другом, не порождают хаос, но подчиняются точным статистическим законам. Свойства газа, состоящего из таких частиц, можно предсказать и описать. (Колоколообразная кривая, отражающая скорости молекул газа, названа именами Максвелла и Больцмана.) Изобрел Максвелл и мифическое существо — «демона Максвелла», чьи действия приводят к парадоксу, подвластному лишь современной теории информации и квантовой механике.

Природа света оставалась тайной со времен античности. Не утихали ожесточенные споры, состоит ли свет из частиц или волн. Широкая публика доходила в пародиях на эти споры до лозунга: «Свет — это вспыхнувшая тьма». Главным вкладом Максвелла в науку стало открытие, что электрические и магнитные силы совместно порождают свет. Привычное ныне понимание электромагнитного спектра волн — от гамма-лучей до рентгеновских, от ультрафиолетового до видимого света, от инфракрасного до радиоволн — заслуга Максвелла. И в конечном счете его заслуга — радио, телевидение и радар.

Но Максвелл вовсе не гнался за этими открытиями. Он хотел разобраться, каким образом электричество порождает магнетизм, а магнетизм — электричество. Я хотел бы разъяснить тут, что именно сделал Максвелл, но его исторические заслуги заключены в математические формулы, и на этих страницах я могу передать разве что вкус этих открытий. Если не вполне поймете, вы уж меня извините. Нам никак не понять работу Максвелла без капельки математики.

Месмер, изобретатель «месмеризма», верил, что ему удалось обнаружить магнитное излучение, «нечто подобное электрическому излучению» и пронизывающему все. Он и в этом ошибался: теперь нам известно, что особого магнитного излучения не существует, и всякий магнетизм, в том числе сила, заключенная в полосе или подкове магнита, порождается движением электричества. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед провел небольшой эксперимент: пропустил электрический ток по проволоке, и в находившемся рядом с проволокой магните задергалась, затанцевала игла. (Проволока и компас не соприкасались.) Великий английский физик Майкл Фарадей провел дополнительный опыт: включая и выключая магнитное поле, вызывал в проволоке электрический ток. Переменный электрический ток каким-то образом выходил за пределы проволоки и порождал магнитное поле, а переменное магнитное поле каким-то образом выходило за пределы магнита и порождало электричество. Это явление назвали «индукцией». Оно казалось таинственным, чуть ли не волшебным.

Фарадей высказал предположение, что магнит обладает невидимым силовым «полем», которое распространяется в пространстве вокруг магнита, и действует сильнее возле магнита, а в отдалении от него ослабевает. Форму поля можно проследить, насыпав на лист бумаги железные опилки и проведя под листом магнитом. Также и наши волосы после основательного расчесывания в засушливый день порождают электрическое поле, незримо окружающее голову и способное даже притягивать клочки бумаги.

Теперь мы знаем, что электричество в проволоке — это движение микроскопических частиц, электронов, на которые воздействует электрическое поле. Провод изготавливают из меди или материала с похожими свойствами, в котором много свободных, подвижных электронов. Большинство материалов, в отличие от проволоки, не являются хорошими проводниками — это изоляторы, «диэлектрики». В них мало свободных электронов, которые могли бы прийти в движение под действием электрического или магнитного поля, т. е. по ним не проходит ток. Разумеется, даже в этих материалах какое-то движение, «смещение» электронов наблюдается, и чем сильнее электрическое поле, тем заметнее такое движение.

Максвелл изобрел способ записать все то, что его современники выяснили об электричестве и магнетизме, подвести итоги всех этих экспериментов с проводами, электрическим током и магнитами. Вот они, четыре уравнения Максвелла, описывающие поведение электрических и магнитных сил: