Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Паркер Барри

Максвелл решил развить идеи Фарадея. Он начал с рассмотрения четырёх основных известных фактов об электричестве и магнетизме.

Электрические заряды притягиваются или отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; этот же закон справедлив для тяготения. Движущийся заряд, или ток, создаёт магнитное поле (закон Эрстеда), а поскольку заряд окружает электрическое поле, можно сказать, что движущееся электрическое поле вызывает появление магнитного поля. Движущийся магнит создаёт ток, а следовательно, и электрическое поле (закон Фарадея). Электрический ток в одной цепи может наводить ток в соседней цепи.

Вскоре Максвелл понял, что представление о поле не просто красиво; оказалось, его можно легко перевести на язык

математики. Сначала он сосредоточил внимание на аналогии между силовыми линиями поля и представлением о потоке, которое использовалось в науке о течении жидкостей – гидродинамике. Используя методы этой науки, он ввёл понятие о «трубках тока», подобных тем, по которым течёт вода, но в данном случае они предназначались для электрического тока. Скорость течения соответствовала силе тока, а разница давлений – электрическому потенциалу (разности напряжений).

Максвелл послал свою первую статью «О фарадеевых силовых линиях» самому Фарадею. Тот поначалу был ошарашен сложностью математических методов, которые потребовались для рассмотрения проблемы, но тщательно изучив их, обрадовался тому, что на многое они позволяют взглянуть по-новому. Позже Максвелл опубликовал вторую работу «О физических силовых линиях», но затем увлёкся решением другой задачи.

Кембриджский университет предложил премию тому, кто определит физические свойства колец Сатурна. Эта задача захватила Максвелла, и он вплотную занялся её решением. Более двух лет он занимался расчётами и убедился, что кольца не могут быть сплошными, жидкими или газообразными; чтобы оставаться устойчивыми, они должны состоять из мелких частиц, каждая из которых вращается вокруг Сатурна по своей орбите. Его работа без труда получила премию, а современные данные показывают, что Максвелл был прав.

Вскоре после того, как ему присудили премию, Максвелл снова занялся электрическим и магнитным полями. В конце концов ему удалось записать каждое из основных свойств этих полей в математическом виде и получить четыре уравнения. Однако вскоре оказалось, что они внутренне противоречивы; чтобы обойти эту трудность, Максвелл добавил к одному из уравнений дополнительный член.

Максвелл проанализировал смысл введения этого члена и обнаружил, что тот соответствует новому типу электрического тока, сейчас он называется током смещения. Когда электрическая сила действует на заряд в изоляторе, он не может двигаться свободно, а лишь слегка смещается. При прекращении действия силы, заряд возвращается к положению равновесия и некоторое время колеблется около него. Отсюда следует, что если периодически изменять электрическую силу (например, многократно включать и выключать её), можно вызвать переменный ток, текущий через изолятор. Сегодня трудно переоценить важность этого открытия.

Четыре уравнения Максвелла – до сих пор основа описания всех электрических и магнитных явлений. Они представляют собой одно из крупнейших достижений физики за всю её историю. Электричество и магнетизм слиты воедино, а связь между ними очень ясно видна из уравнений Максвелла.

Но Максвелл не удовлетворился записью своих уравнений. Он начал исследовать связи между ними и обнаружил, что в определённой комбинации они предсказывают существование волн, волн электричества и магнетизма. Колеблющийся заряд создаёт переменное магнитное поле, оно, в свою очередь, электрическое и так далее. А самым неожиданным и важным оказалось то, что такое комбинированное электромагнитное поле могло существовать самостоятельно – оно отрывалось от колеблющегося заряда и распространялось в пространстве.

Упрощённое изображение электромагнитного поля; показаны его электрическая и магнитная составляющие

Теперь, включая телевизор или слушая радио, вспоминайте с благодарностью Максвелла и его открытие, ведь

эти аппараты существуют именно благодаря ему. Работают они примерно так: к теле- или радиоантенне подаётся ток, ускоренно движущиеся в антенне электроны генерируют электромагнитную волну, которая распространяется в пространстве и принимается теле- или радиоприёмником. В схематическом виде эта волна изображена на рисунке: в одной плоскости – изменяющееся электрическое поле, в перпендикулярной ей – магнитное. Направление распространения волны лежит в третьей плоскости, перпендикулярной первым двум.

Постулировав существование таких волн, Максвелл был вынужден попытаться определить их скорость. При помощи остроумной установки он проделал точные измерения и определил эту скорость. Оказалось, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света.

Неужели это простое совпадение? Максвелл был уверен, что нет. Если электромагнитные волны и свет имеют одинаковую скорость, то разумно предположить, что они как-то связаны. Максвелл сделал смелый шаг и заявил (как оказалось, справедливо), что свет – это электромагнитная волна и к нему применима его система уравнений. Так произошло ещё одно объединение, на этот раз света с электромагнетизмом.

Теперь становится понятно, почему Эйнштейн был убеждён в возможности объединить тяготение с электромагнетизмом. Раз уж удалось связать электричество с магнетизмом, а потом электромагнетизм со светом, то, видимо, всё в природе едино.

Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, но при его жизни их так и не обнаружили. Через десять лет после его смерти Генрих Герц обнаружил первые электромагнитные волны неоптического диапазона – радиоволны. Сейчас известен целый спектр таких волн – радиоволны, микроволны, инфракрасные и волны видимого света. Далее с уменьшением длины волны идут ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Открытие законов, описывающих их поведение, было фундаментальным достижением. Действие подавляющего большинства современных бытовых приборов основано именно на нём.

В 1871 году Максвелл занял кафедру в Кембриджском университете и следующие несколько лет посвятил созданию прославленной Кавендишской лаборатории, ставшей впоследствии самой знаменитой и лучше всего оборудованной в Европе (лаборатория названа в честь Генри Кавендиша, известного учёного, ранее работавшего в Кембридже). В течение ряда лет Максвелл занимался редактированием неопубликованных трудов Кавендиша; они вышли в свет в двух томах в 1879 году.

Все, кто знал Максвелла, отзывались о нём как о человеке дружелюбном и очень самоотверженном; однажды, ухаживая за больной женой, он несколько суток провёл без еды и сна. Впрочем, с возрастом он становился всё более нелюдимым, часто им овладевала депрессия. Друзья безуспешно старались развлечь его. Причина этой перемены стала известна позже: у него был рак. Два года он молчал об этом и ничего не предпринимал. В конце концов боли стали непереносимы, и его увезли в Гленэр, где он через две недели скончался. Не стало величайшего физика своего времени, но в том же 1879 году родился более великий – Альберт Эйнштейн.

Первые попытки объединения

Благодаря открытым Максвеллом законам электромагнитного поля и полученным Эйнштейном уравнениям гравитационного поля появились две важные, но не связанные друг с другом теории. Посвятим несколько минут сравнению этих полей. Есть у них общие свойства, но есть и значительные различия. Оба нуждаются в источнике: источником гравитационного поля является вещество, а электромагнитного – электрический заряд. Когда заряд колеблется, изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле, и образующаяся электромагнитная волна распространяется в пространстве. Точно так же при колебании вещества генерируются гравитационные волны. Однако у электромагнитного поля есть два типа источников – положительные и отрицательные заряды. Здесь аналогия с тяготением кончается – вещество бывает только одного вида.