Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
Шрифт:
Его идеи звучали потрясающе революционно для той эпохи, потому что они предполагали, что мир наполнен невидимыми силовыми полями. Это было то же самое, что утверждать, будто существует иной мир, параллельный нашему измерению. Как можно было ожидать, коллеги Фарадея из Королевского института сочли такие теории совершенно безосновательными и вежливо отвергли их. По этой причине ученый всегда медлил перед тем, как сделать свои теории достоянием общественности. Это колебание перед распространением новых научных парадигм, способных изменить установленные научные принципы, было свойственно и многим другим ученым, например Чарльзу Дарвину с его теорией естественного отбора. Фарадей 12 марта 1831 года составил записку с изложением своих новых теоретических идей, запечатал
«Когда магнит воздействует на магнит, расположенный на некотором расстоянии, или на кусок железа, индукционная причина (которую я сейчас назову магнетизмом) постепенно переходит с намагниченных тел, при этом сам переход занимает определенное время […]. Я склонен утверждать, что распространение магнитных сил от магнитного полюса можно сравнить с колебаниями, производимыми небольшим возмущением на поверхности воды, или колебаниями в воздухе от акустических явлений. То есть я предполагаю, что теория колебаний будет применима к этим явлениям, как она применима к звуку. Вероятно также, что она применима и к свету».
Научные опасения Фарадея имели причину. Шел только 1832 год, а ученый уже предполагал, что магнитным силам требуется время для перемещения в пространстве, что противоречило ньютоновой концепции мгновенного действия на расстоянии. Также Фарадей говорил о волновом движении и даже обнаружил некоторую поверхностную связь электромагнетизма со светом.
Наконец, применив физические аналогии, восполнившие пробелы в его математических знаниях, 19 января 1844 года, в возрасте 52 лет Фарадей представил свои теории на суд публики. Возможно, одной из причин, подтолкнувших его к такому решению, стал нервный кризис, который ученый пережил в 1830-х годах. Он был связан с переутомлением от постоянной интеллектуальной работы, которой Фарадей изнурял свой организм: он осознал, что может умереть в любой момент, и единственным его наследием станет запечатанная записка, хранящаяся в архиве Королевского общества. Темой его выступления, сделанного в Королевском институте в рамках Вечерних лекций по пятницам, стала природа атомов. Атомы он представлял в виде сгустков на силовых линиях, составляющих силовую подструктуру: силовые магнитные, электрические и даже гравитационные линии распространяются в пространстве и соединяют между собой все тела во Вселенной. Несмотря на то что данные аналогии достаточно четко отражают современное описание мира с позиции теоретической физики, в 1844 году это звучало очень странно и поэтому не впечатлило аудиторию.
Фарадей усовершенствовал первый электромагнитный генератор, повторил свой эксперимент и сформулировал открытие одной фразой: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется».
Это было очень красноречиво, однако научное сообщество отвергло это открытие, поскольку оно было выражено словами. С тех пор как Ньютон в XVII веке ввел в науку формулы, считалось, что такого рода заявления должны выражаться на однозначном и универсальном языке математики. Фарадей плохо знал математику, гораздо важнее для него были результаты экспериментов, которые обеспечили ему блестящую карьеру в Королевском институте. Фарадей решил, что коллеги не воспринимают его идеи из-за снобизма, считая его всего лишь бедным выходцем из села без академического образования. Фарадей упорно защищал свою позицию, согласовывающуюся с его поэтическим и религиозным миропониманием, и говорил о том, что наука должна выражаться на языке, понятном для обычных людей.
Когда Фарадей изобрел первый электромагнитный генератор, он открыл, что на концах проводника, двигающегося в магнитном поле, возникает разность потенциалов. Это можно сформулировать так: если в двух точках имеется разность потенциалов, и они соединяются проводником, возникает поток электронов (электрический ток). Часть заряда, который получается в
Наконец, молодой шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879) через три десятилетия перевел открытие Фарадея на язык математики в виде элегантного и точного уравнения, опубликованного в статье «Динамическая теория электромагнитного поля». Уравнение было следующим:
Знак минус поставлен согласно закону Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей его.
Максвелл выразил отношение к трудам Фарадея, которого он называл Ньютоном электричества, в предисловии к первому изданию своего «Трактата об электричестве и электромагнетизме» (1873, A treatise on electricity and magnetism):
«По мере изучения Фарадея я осознал, что его подход к пониманию явления тоже является математическим, хотя и не представлен в общепринятой форме через математические символы. Я нашел также, что его методы могут быть выражены в обычных математических формах и, таким образом, сопоставлены с методами признанных математиков. Так, например, Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие все пространство силовые линии там, где математики видели лишь центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде» [2] .
2
Цитируется по изданию Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. B двух томах. Том I. Перевод Б. М. Болотовского, И. Л. Бурштейна, М. А. Миллера, Е. В. Суворова. Москва: Наука, 1989.
ФАРАДЕЙ, НЬЮТОН И ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ
Хотя Фарадей часто использовал Библию, находя в ней утешение и вдохновение, он получил некоторое подобие одобрения своих революционных теорий о полях из одного письма. По иронии судьбы, его написал Исаак Ньютон — ученый, в трудах которого находили столько поводов для критики теорий Фарадея.
В 1693 году, когда Ньютон уже превратился в старика, он написал молодому кембриджскому теологу Ричарду Бентли, признаваясь ему, что, возможно, пустота на самом деле не является такой пустой, как он сам утверждал. Вероятно, писал ученый, гравитационные силы тянут свои невидимые щупальца к телам. Эта идея Ньютона не получила известности, потому что казалась несколько крамольной для той эпохи, в том числе на теологическом уровне: неужели Бог недостаточно могуществен, чтобы беспрепятственно пересекать пространство? Ньютон пишет:
«Идея о том, чтобы тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, представляется мне столь нелепой, что нет, как я полагаю, человека, способного мыслить философски, кому она пришла бы в голову».
Бентли написал Ньютону ответ, в котором заинтересовался этой идеей, но Ньютон не захотел более подробно обсуждать ее, указывая, что это всего лишь его старческие измышления.
Фарадей осознал, что такой гений, как Ньютон, предлагает теории, подобные его собственной, и почувствовал, что должен идти дальше, несмотря на недоверие коллег. Он был уверен, что однажды кто-нибудь найдет практическое применение для его догадок, и почти в 70 лет стал свидетелем этого. Кроме первых электрогенераторов и начала Эры электричества, которые смог увидеть Фарадей, он также участвовал в первых революционных преобразованиях сферы телекоммуникаций. Он писал своему молодому другу, шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу, 13 ноября 1857 года: