Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Ньютон знал, что его уравнения не описывают все силы, существующие в природе. Есть силы, действующие между телами, отличные от гравитации. Предметы движутся не только тогда, когда они падают. Первым вопросом, который оставила открытым теория Ньютона, было объяснение других сил, которые определяют то, что происходит вокруг нас. Ответа на этот вопрос человечеству пришлось ждать до XIX столетия, в котором его ждало два удивительных сюрприза.

Первый сюрприз состоит в том, что почти все явления, которые мы наблюдаем, определяются единственной силой, отличной от гравитации: это сила, которую сегодня мы называем электромагнетизмом. Именно она скрепляет вещество, составляющее твердые тела, и удерживает вместе атомы в молекулах и электроны в атомах. Эта сила заставляет работать химические и биологические механизмы. Она действует в нейронах нашего мозга и отвечает за обработку информации о мире, которая нами воспринимается, и за мысли в наших головах. Эта же сила создает трение, которое останавливает скользящие предметы, смягчает приземление парашютиста, приводит в движение электрические моторы и двигатели внутреннего сгорания[44], позволяет нам включать свет и слушать радио.

Понимание того, каким образом работают электромагнитные силы, было достигнуто другим британцем, а точнее двумя: это была самая странная научная пара – Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.

Майкл Фарадей происходил из обедневшей лондонской семьи и даже не закончил школу. Поначалу он работает в переплетной мастерской, а затем попадает в лабораторию, где преуспевает, завоевав доверие своего работодателя, и вырастает в самого блистательного физика-экспериментатора XIX века и величайшего провидца. Не имея знаний по математике, он создает одну из лучших в мире книг по физике, которая практически не содержит уравнений. Он видит физику своим внутренним взором и создает миры силой своего воображения. Джеймс Клерк Максвелл – богатый шотландский аристократ, один из величайших математиков своего столетия. Несмотря на разделяющую их пропасть в части стиля мышения и социального происхождения, они достигают взаимопонимания и, объединив вместе два гениальных ума, открывают новые пути к современной физике.

Сведения об электричестве и магнетизме в начале XVIII века, по сути, ограничивались несколькими развлекательными трюками: стеклянные стержни, притягивающие кусочки бумаги; магниты, которые отталкиваются и притягиваются. Исследования электричества и магнетизма неспешно велись в течение всего XVIII века и продолжились в XIX веке; но здесь в игру вступает Фарадей, работающий в лондонской лаборатории, полной катушек, игл, ножей и железных клеток, который изучает притяжение и отталкивание наэлектризованных и намагниченных предметов. Как истинный ньютонианец, он пытается понять силу, которая действует между заряженными и намагниченными предметами. Очень медленно, на ощупь, постоянно анализируя взаимодействие этих предметов, он приходит к догадке, которая легла в основу всей современной физики. Он «видит» нечто новое.

Рис. 2.3. Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл

Догадка Фарадея состоит в следующем: мы не должны считать, что силы действуют напрямую между удаленными объектами, как предполагал Ньютон. Вместо этого мы должны предположить, что есть некая сущность, разлитая в пространстве, которая изменяется наэлектризованными и намагниченными телами и которая, в свою очередь, воздействует на эти тела (отталкивает и притягивает их). Сущность эта, о наличии которой догадался Фарадей, сегодня называется полем.

Что же такое поле? Фарадей видит его как пространство, образованное пучками очень тонких (бесконечно тонких) линий: невидимая гигантская паутина, заполняющая всё вокруг нас. Он говорит о «силовых линиях», поскольку, в некотором смысле, эти линии «переносят силу»: они передают электрические и магнитные воздействия от одного тела к другому, как если бы это были тянущие и толкающие тросы (рис. 2.4).

Объект, имеющий электрический заряд (например, натертый стеклянный стержень) искажает электрическое и магнитное поля (линии) вокруг себя, и, в свою очередь, эти поля вызывают силы, действующие на каждый погруженный в них заряженный объект. Таким образом, два удаленных друг от друга заряженных тела притягиваются или отталкиваются не напрямую, а только через расположенную между ними среду.

Рис. 2.4. Линии поля заполняют пространство. Благодаря им происходит взаимодействие двух электрически заряженных объектов. Сила взаимодействия этих объектов «переносится» силовыми линиями поля

Когда вы берете в руки два магнита и играете с ними, попеременно сближая и удаляя их друг от друга, то чувствуете силу, с которой они притягиваются или отталкиваются. Благодаря этим эффектам вы «ощущаете» поле, находящееся между магнитами, и можете прийти к той же догадке, что и Фарадей.