Перепечатка из журнала «Знание – сила» №9 за 2012 год

Электричество, магнетизм и электромагнетизм

 

Слово «электромагнитный» возникло В 1820 году, за десять лет до рождения Максвелла, когда датский физик Эрстед обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями. Делая опыт с электрическим током, он заметил, что магнитная стрелка - случайно оказавшаяся рядом, - слегка поворачивается при включении и выключении тока. То, что новое явление открыл именно Эрстед, было случайностью, но само открытие было долгожданным. Впрочем, не так уж и долго, - около трёх десятилетий. А сами электрические и магнитные явления были известны уже более двух тысячелетий, и ничто не указывало на их связь. Они совершенно непохожи. Электричество возникало при натирании, например, янтаря мехом, а магнитным свойством обладали некоторые «камни».

За три десятилетия до открытия Эрстеда в изучении электричества и магнетизма произошло важное событие - появились количественные законы. Французский физик Кулон измерил силу, действующую между двумя электрическими зарядами, и силу, действовавшую между двумя магнитными задами-полюсами. Оказалось, что эти два закона одинаково определяют притяжение и отталкивание соответствующих зарядов, что намекало и на какую-то общность двух разных явлений. Намек оправдался лишь в 1820 году. Действие электрического тока на магнит, открытое Эрстедом, было лишь новым явлением. Следовало найти закон, как это действие зависит от силы тока и от расположения магнита.

Следующий шаг сделал французский физик Ампер. Он обнаружил, что магнит действует на ток, а ток, идущий по проволочной спирали, действует как постоянный магнит. Отсюда он сделал вывод, что никакого магнетизма в сущности нет, что каждый магнит - это множество внутренних круговых токов, скажем, молекулярного масштаба. Приняв эту новейшую идею, знакомый уже нам философ Конт назвал «Электрологией» всю область электрических и магнитных явлений.

Придумать название области проще, чем открыть законы, управляющие ею. Закон взаимодействия двух токов удалось сформулировать, но был он гораздо сложнее закона Кулона и никак с ним не связан. Получалось, что неподвижные заряды взаимодействуют по одному закону, а, начиная двигаться, - по-другому.

Ещё одна странность была в том, что закон Кулона в точности повторял закон всемирного тяготения с тем лишь отличием, что тяготение – всегда притяжение, а в электричестве и магнетизме бывает ещё и отталкивание. Взаимодействие токов напоминало гравитацию своим действием на расстоянии. Иного и не допускали - под впечатлением великих успехов Ньютона.

Сам-то Ньютон, размышляя над движением планет, принял дальнодействие отнюдь не с легким сердцем. Не зря с этой идеей конкурировала очень наглядная вихревая гипотеза, - идея близкодействия. Видя на ровной поверхности реки крутящуюся щепку, резонно думать, что в данном месте водоворот, который и движет щепку. Аналогично, видя вращение планет, предполагали, что в пространстве вокруг Солнца вихри чего-то невидимого несут с собой все планеты. На роль источника такого небесного вихря претендовало Солнце, вращение которого обнаружил еще Галилей. А саму невидимую материю называли «эфир» - аристотелевское слово для небесного материала. Оставалось выяснить законы эфирного движения. Главным автором вихревой идеи был Рене Декарт - великий французский математик. физик и философ.

Несколько десятилетий Британию и континент разделяло, помимо пролива Ламанш, ещё и различие в представлениях о причинах планетного движения. Наука Британии приняла неприглядный, но точный закон всемирного тяготения, а наука континентальной Европы надеялась найти наглядное вихревое объяснение. Бесплодность этих надежд и плодотворность ненаглядного закона сделали свою дело, отправив невидимые вихри в архив истории.

Полтора века спустя, ко времени Максвелла, континентальные физики стали большими ньютонианцами чем сам Ньютон, и думали о законах электричества и магнетизма только в Ньютоновых пределах. Они готовы были как угодно усложнять законы, лишь бы не выйти за эти проверенные рамки.  

Самой впечатляющей проверкой стало открытие планеты Нептун в 1846 году - открытие почти чисто теоретическое; как говорилось – на кончике пера. «Почти», потому что началось открытие с малых нестыковок наблюдений и теории. Планета Уран двигалась не совсем так, как ей полагалось. Тогда предположили, что причина нестыковок - неизвестная планета, своим притяжением сбивающая Уран с «пути истинного». За дело взялись астрономы-теоретики и, пользуясь лишь законами Ньютона, вычислили, куда надо направить телескоп, чтобы увидеть новую планету. Астрономы-наблюдатели направили и увидели!

Этот триумф ньютонианства ещё более упрочил рамки Дальнодействия. Конечно, электричество – не гравитация, но и в «электрологии» закон Кулона и закон Ампера были законами дальнодействия.

Лишь среди соотечественников Ньютона нашлись такие, для которых наблюдаемые явления были важнее унаследованных рамок. Ключевым стало новое электромагнитное явление, открытое в год рождения Максвелла. Открытие сделал Майкл Фарадей.

 

От силовых линий Фарадея до поля Максвелла

 

Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже его недостаток. Фарадею недоставало университетского образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, он был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного британского физика и химика Г. Дэви. Начав работать его ассистентом в лаборатории Британского королевского института, через 12 лет - в 1825 году - Фарадей стал ее директором. Самоучку продвинули успехи его экспериментальных исследований.

Электромагнитные открытия 1820 года сразу притянули Фарадея, и уже в следующем году он написал исторический обзор электромагнетизма, повторив все важнейшие опыты. А попутно придумал, как сделать, чтобы провод с током вращался вокруг магнита.

Его главное открытие не было случайным - с 1824 года он пытался получить электрический ток в проводе при помощи магнита или тока в другом проводе. В 1831 году 40-летний экспериментатор обнаружил, что движение магнита порождает ток в проводнике. Он не просто открыл новое явление экспериментально, но и выяснил закон этого явления - закон электромагнитной индукции.

Помог ему недостаток знаний математики и тогдашней теоретической «электрологии», держащей себя в рамках дальнодействия. Для формулировки закона Фарадей придумал свой собственный язык, где главным стало понятие «силовых линий». Эти линии он видел своими глазами. И каждый может увидеть, если насыплет железные опилки на лист картона, а снизу поднесёт магнит. Линии, вдоль которых опилки выстраиваются и которые Фарадей назвал силовыми, показывают направление магнитной силы, а густота линий - величину этой силы. После трехмесячных исследований он пришёл к выводу, что в замкнутом проводнике ток пропорционален изменению числа силовых линий, проходящих через контур проводника в единицу времени.

Опыт Фарадея немедленно повторили физики разных стран и убедились, что он действительно открыл новое явление. Но его самодельный язык не приняли и стали искать «более научный». По словам Максвелла, полвека спустя, «теоретики, забраковав фарадеевский язык, так и не придумали никакой иной, чтобы описать явление, не вводя гипотезы о вещах несуществующих, как, например, токи, которые вытекают из ничего, затем текут по проводу и утекают опять в ничто».

В таком состоянии была наука об электромагнетизме, когда за неё взялся 24-летний Максвелл. В самодельных понятиях Фарадея он увидел больше, чем изощрённых математических построениях континентальных теоретиков: «Введённые Фарадеем понятие «силовое поле», «силовые линии», «индукция» выражает его подход к науке: тщательное наблюдение избранных явлений, исследование полученных представлений и, наконец, изобретение понятий, приспособленных для обсуждения этих явлений. Огромная роль Фарадея в науке об электромагнетизме может вызвать сомнение, поскольку эта наука приняла чисто математическую форму ещё до Фарадея, который вовсе не был математиком. В его описаниях не найти дифференциальных и интегральных уравнений, которые многим кажутся сутью точной науки. В трудах Пуассона и Ампера, вышедших до Фарадея, или Вебера и Неймана – после него, каждая страница пестрит формулами, ни одну из которых Фарадей не понял бы».

Максвелл, однако, прекрасно понимал, что все эти формулы лишь развивали методы Ньютона и вовсе не исчерпывали возможности математического языка, на котором написана книга Природы: «То, как Фарадей с помощью своей идеи силовых линий описал явление электромагнитной индукции, доказывает, что он был мощным теоретиком, у которого можно черпать плодотворные методы».

Первая работа Максвелла по электромагнетизму «О силовых линиях Фарадея» начинается так: «Нынешнее состоянии науки об электричестве кажется особо неблагоприятным для теории». Действительно, законы некоторых электрических и магнитных явлений, выведенные из экспериментов, были выражены математически, но не связаны между собой, хотя в поведении зарядов, токов и магнитов взаимосвязь проявлялась. «Чтобы овладеть этой наукой, - пишет Максвелл, - надо узнать такой объём сложнейшей математики, что простое удержание его в памяти существенно мешает продвижению.  Первым делом поэтому надо упростить результаты предыдущих исследований и свести их к форме, которую можно охватить».

Максвелл, очевидно, верил в выполнимость этой задачи, но одной лишь веры для успеха мало. Почему путеводную идею Максвелл усмотрел в подходе Фарадея, логически не объяснить: подобный выбор пути обычно делает интуиция. Можно лишь указать факторы, которые помогали Максвеллу.

Прежде всего он слишком хорошо понимал ньютонову физику и область ее применимости, чтобы надеяться на ее всемогущество. Фарадеевское понятие силовой линии не только позволило описать явление электромагнитной индукции, оно указывало на новый характер взаимодействия. Силовые линии, увиденные Фарадеем с помощью железных опилок, не зависели от размера опилок. Мысленно уменьшая этот размер до нуля, получим свойство в данной точке пространства в данный момент времени. Но свойство чего?

Десять лет спустя Максвелл, как и нынешние физики, сказал бы: «Свойство электромагнитного поля». Десять лет ему понадобились, чтобы выработать точный - научный - смысл этого понятия, использованного в заглавии его работы 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля».

О «магнитном поле» говорил еще Фарадей, но у него «поле» - слово обыденного, ненаучного, языка - синоним понятий «область», «сфера» (чего-либо). Выражение Фарадея означало просто «область пространства, где действуют магнитные силы». Так в русском языке говорят о «поле зрения» и «поле действия». В английском - «поле» применяется еще шире; скажем, «область физики» переводится с участием слова fie1d - поле.

Максвелл также начинал с обыденного смысла этого слова. Он искал закон взаимосвязи электрических и магнитных свойств в каждой точке «поля действия электромагнетизма», - искал закон, переходящий в частных случаях в известные законы Кулона, Ампера, Фарадея. Максвелл не знал, что не хватает ещё одного закона, который ему предстоит открыть.

Свойств в каждой точке четыре: электрическая и магнитная сила, заряд и ток. Столько же должно было быть и взаимосвязей, или, на математическом языке, уравнений. Тот, кто видел четыре лаконичные уравнения Максвелла в нынешних учебниках, очень удивится, заглянув в статьи Максвелла 1855, 1861 и 1865 годов, в которых тот прошел путь к своим уравнениям. В каждой статье более полусотни страниц. И удивительное различие материала. В первой статье механизм поведения силовых линий представлен движением невесомой и несжимаемой жидкости. Во второй - появляются в огромном количестве некие «молекулярные вихри» И две «эфирные среды», в которых происходят электромагнитные и световые явления. В третьей статье уже никаких вихрей, два эфира совпадают, и свет назван электромагнитным явлением.

Непоследовательность? Максвелл объяснил свой метод исследования в самом начале поиска - в статье 1855 года. Выбрав отправной точкой идеи Фарадея, Максвелл сравнил два метода - «чисто математическое формулирование или физическая гипотеза»: в первом случае теряется физическая природа явления, во втором - явление рассматривается через узкий окуляр избранной гипотезы. И Максвелл избрал третий путь «офизичить» математическое описания с помощью подходящих физических аналогий, делая математический язык более наглядным, но не привязывая себя к этим аналогиям намертво и сохраняя свободу в поиске адекватного описания. Речь шла об иллюстрациях, помогающих воображению без претензий на раскрытие сути явления. Такой метод позволял переходить с одного уровня описания на другой без необходимости объяснять все причины перехода. Ведь кроме объективно-уважительных причин действуют субъективно- интуитивные, которые и самому исследователю не всегда понятны.

По словам Эйнштейна, «понятия никогда нельзя вывести из опыта логически безупречным образом», как «невозможно построить дом без использования лесов, которые сами вовсе не являются частями здания».

Такими лесами у Максвелла были потоки несжимаемой жидкости, силовые линии, молекулярные вихри, две эфирные среды. Построив здание теории электромагнитного поля, или электродинамики, леса он удалил. Почти все. Осталась единая эфирная среда, еще несколько десятилетий помогая воображению физиков, хоть в уравнениях Максвелла никакие ее свойства не участвовали.

Возможно, кто-то настороженно ждет, не связано ли это - одно из величайших в истории физики - достижение с чем-нибудь библейским. Спешу успокоить, никаких свидетельств такого рода Максвелл не оставил. И предлагаю читателям самим решить, можно ли подобным свидетельством посчитать отношение к уравнениям Максвелла его младшего современника и сподвижника в статистической физике - Больцмана, который свои чувства по поводу уравнений Максвелла выражал строками «Фауста»:

Не Бог ли эти знаки начертал?

Таинственен их скрытый дар!

Они npupoды силы раскрывают

И сердца блаженством наполняют.

Атеист Больцман похоже, мог поблагодарить Всевышнего за помощь Максвеллу изобретении понятия поля и помощью этого понятия (разумеется, с Божьей помощью) системы законов электромагнетизма.

Не менее сильные чувства испытывали фундаментальные физики следующего поколения. Макс Планк причислил успех Максвелла к «величайшим триумфам человеческого стремления к познанию», к «наиболее удивительным свершениям человеческого духа» и к проявлениям того, что «между законами природы и законами духа имеются какие-то очень тесные связи».

Эйнштейн подытожил проще, но не менее сильно: «Одна научная эпоха закончилась, и другая началась».

В эпоху Максвелла и при его прямом участии произошло объединение физики, до того состоявшей из весьма автономных частей: механика, теплота и оптика. Статистическое объяснение теплоты объединило ее с механикой, а оптика оказалась проявлением электромагнитных сил. Но подлинно эпохальную роль Максвелл сыграл в том, что фундамент физики был впервые капитально перестроен. Величественное здание, заложенное Галилеем и возведенное Ньютоном, вместило новую физику молекулярно-тепловых явлений, но оказалось тесным, чтобы вместить - без перестройки - физику электромагнетизма.

 

Глобальное электромагнитное объединение

 

Из достижений Максвелла физиков более всего поразило раскрытие электромагнитной природы света - древнейшего, важнейшего и общедоступного физического явления, ничем не напоминавшего электричество и магнетизм.

Первый намек увидел Фарадей, обнаружив в 1845 году, что магнитное поле влияет на свет. К тому времени уже было известно, что свет - это волны, то есть распространение колебаний, и что колебания эти поперечны: происходят поперек направлению распространения. Считалось, что колеблется «светоносный эфир» - незаметная среда, похожая, однако, на твердые тела, в которых лишь и бывают поперечные колебания, а в газах и жидкостях возможны лишь продольные, как, например, звук. Из естественного света можно выделить часть, в которой колебания происходят лишь в одном направлении, - поляризованный свет. Наблюдая распространение такого света в магнитном поле, Фарадей обнаружил, что направление поляризации поворачивается, и заподозрил влияние магнитного поля на светоносный эфир.

Лишь когда Максвелл получил систему уравнений электромагнитного поля, он обнаружил, что одно из решений этих уравнений - распространение поперечных колебаний притом со скоростью, всего на один процент отличающейся от скорости света. Максвеллу понадобилось ещё несколько лет, чтобы прийти к выводу, что величина скорости, полученная из электромагнитных измерений, и величина, полученная в опытах со светом - это два разных способа измерения одного и того же. И что свет - это частный случай электромагнитных колебаний, когда за одну секунду происходит миллион миллиардов колебаний. Электромагнитное объяснение света, как бы впечатляюще оно ни было, говорило об уже известном явлении. А предсказание электромагнитных волн самой разной частоты открывало совершенно новую область физических явлений и, главное, дало возможность проверить саму теорию, которую скептически встретили не только в Германии и Франции, где царила теория дальнодействия. Ее не принял и Уильям Томсон, самый знаменитый тогда в Британии физик, притом расположенный к Максвеллу. Одобрив промежуточную теорию Максвелла, основанную на молекулярных вихрях, Томсон в штыки встретил то, что Максвелл убрал эти вихревые леса, оставив свои уравнения без объяснения.

За проверку взялся германский физик Генрих Герц, имевший свои причины сомневаться в максвелловской теории. Заставить электрический заряд делать миллион миллиардов колебаний в секунду и проверить, появится ли свет, было задачей невыполнимой, но проверить теорию можно было и колебаниями гораздо меньшей частоты.

Электромагнитные колебания в проводной цепи к тому времени уже исследовали экспериментально и поняли теоретически. Началось все с эффектного опыта германского физика Феддерсена, показавшего, что электрическая искра, или разряд - это на самом деле очень быстрый колебательный процесс. Период колебаний определяется свойствами проводной цепи, как следовала из тогдашней электромагнитной, домаксвелловской теории, обходящейся без теории поля.

Одно дело – колебания в проводной цепи, совсем другое – распространение колебаний без проводов из одной цепи в другую. Герц придумал, как создать сильные электромагнитные колебания и обнаружить их с помощью так называемого осциллятора Герца. Это – петля из проводника с маленьким разрывом, в котором проскакивает искра, с периодом колебаний в миллиард раз больше световых. В 1888 году Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, подтвердив их свойства, аналогичные свету.

Тогда, собственно, и началась эпоха Максвелла, десять лет спустя после смерти 48-летнего физика - величайшего физика всех времен и народов, если оценивать науку с чисто практической точки зрения. Сам Максвелл, как фундаментальный теоретик, конечно, так не смотрел на науку. Но век спустя Ричард Фейнман на лекции по электромагнетизму сказал студентам: «Когда из будущего, скажем, через десять тысяч лет, будут смотреть на историю человечества, самым значительным событие в XIX веке несомненно сочтут открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии поблекнет до периферийной незначительности».

Так Фейнман отозвался на столетний юбилей этих двух событий. История не знает, что было бы, победи в той войне рабовладельческие южные штаты, но, если сравнивать роли разных научных открытий в мировой истории, первенство электродинамики Maксвелла вполне вероятно.

Социальная роль инженерной науки в Европейской истории проявилась в «век пара», который начался в ХVII веке и длился около двух столетий. Однако главный тогдашний инструмент прогресса – паровой двигатель - возник не из физических исследований. Физики подключились к его совершенствованию лишь много позже.

Зато следующий инструмент прогресса, давший имя «веку электричества», - подсказан именно физикой. Из опытов с электрическими зарядами возникла идея передавать сигнал между пунктами, соединенными проводом. Открытие магнитного действия токов добавило возможностей инженерам - изобретателям, и в 1830-е годы были созданы несколько типов электромагнитного телеграфа. Тридцать лет спустя телеграфные линии связали развитые страны Европы и Америки, в 1870 году только в США было послано более 9 миллиардов телеграмм, а к началу ХХ века телеграф связал практически весь мир.

Особо драматичным этапом стала прокладка трансатлантического кабеля в 1856-1866 годах. Научным руководителем этой работы был Томсон, удостоенный за свои достижения дворянского звания, а затем и титула лорда. Время прокладки подводного кабеля совпало с работой Максвелла по созданию теории электромагнитного поля. А Томсон все электромагнитные расчеты делал на основе предыдущих – частичных – законов электромагнетизма, то есть обошёлся без теории Максвелла. Дело в том, что Томсон имел дело с проводными цепями и с полями, меняющимися медленно. Ему под силу была задача об электромагнитных колебаниях в замкнутой цепи, но не распространение колебаний в пространстве – электромагнитные волны. Это явление без теории Максвелла понять невозможно.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в опытах Герца стало событием не только в истории науки, но и в мировой истории, о чём сам Герц не подозревал. Его можно понять. Он с трудом довёл чувствительность своей экспериментальной установки до еле уловимой величины. И ему, фундаментальному физику, трудно было разглядеть в своей установке новый тип телеграфа, не требующего проводов, и тем более – радиопередатчик и радиоприёмник.

Для этого нужны были глаза инженера-изобретателя и предпринимателя, восприимчивых к новейшим достижениям науки. Через семь лет после опытов Герца, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии изобрели радиотелеграф. Оба использовали новый приемник колебаний, более чувствительный, чем был у Герца, - стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками. Этот новый «радиоприемник», изобретенный во Франции в 1890-м, усовершенствовали в Англии в 1894 году.

Отсюда ясно, насколько стремительным и международным стало развитие науки в эпоху Максвелла, в эпоху электромагнетизма. Люди науки и техники осознавали это уже тогда, о чем говорит текст первой радиотелеграммы Попова: «Генрих Герц». Если бы не стремление к телеграфной краткости, Попов, наверняка, помянул бы и Максвелла. Ведь именно труды Максвелла, объединив электричество, магнетизм и оптику в стройное целое, предопределили глобальную связь людей в единое человечество. Электромагнитные волны сделали возможными телевидение и Интернет, что увеличили потоки информации в миллионы раз. Ныне один компьютер получает и передаёт сведений больше. чем вся почта и телеграф во времена Попова и Маркони. И конкурентом электромагнитной связи не видно. А значит, не видно конца и эпохе электромагнетизма в мировой истории.

В истории же науки эпоха Максвелла длилась всего несколько десятилетий. На смену ей пришли почти одновременно две эпохи, начатые открытиями Планка и Эйнштейна. Максвелл дал им не только исходную теорию, но и поучительный пример. Решая поставленную перед собой проблему, он ввёл в физику первое после Ньютона новое фундаментальное понятие.

 

 

Королёв В.А.

Киев

2015-03-05