В 1800 году, пытаясь воспроизвести способ получения электричества, который используют некоторые рыбы (например, скат), Алессандро Вольта изобрел химическую батарею. Изобретение стало настоящим подарком исследователям: имея под рукой источник постоянного тока, можно было конструировать цепи, а это открывало огромное поле для экспериментов. Приведем лишь один пример: без химической батареи был бы невозможен электролиз – один из главных производственных процессов, во время которого с помощью электрического тока вещества расщепляются на составные части.
Благодаря этому изобретению ученые открыли, что электричество и магнетизм, до тех пор шедшие разными дорогами, имеют тайную связь. В 1820 году датчанин Ганс Кристиан Эрстед (1777-1851) продемонстрировал своим студентам – которые, впрочем, выказывали не слишком много энтузиазма к учению, – что электрический ток заставляет отклоняться стрелку компаса. Ранее считалось, что таким эффектом обладают только постоянные магниты. В отличие от студентов Эрстеда, ученое сообщество бурно отреагировало на его открытие: с первого момента существования мира сила магнетизма проявляла себя исключительно во взаимодействии между массами, заряженными телами и магнитами.
Поскольку вещество, соединяющее между собой атомы, имеет электрическую природу, прохождение сквозь него тока может оказать противоположный эффект и разделить компоненты. На протяжении XVIII и XIX веков были чрезвычайно популярны различные методы разложения материи и попытки идентифицировать ее основные элементы, и электролиз стал мощнейшим из них. Он впервые позволил расщепить вещество до таких элементов, которые до того противились любому чисто химическому воздействию. Процесс заключается в помещении полярных электродов в емкость с веществом, которое необходимо расщепить. Для создания токопроводящей среды вещество растворяется в воде либо расплавляется. Рассмотрим электролиз обыкновенной соли (NaCI). При комнатной температуре отрицательные ионы хлора (CI-) и положительные ионы натрия (Na+) образуют структуру твердого вещества. Сначала необходимо нагреть соль примерно до 800 °С, чтобы она расплавилась, а связи между ионами ослабли. Затем, при наличии достаточного напряжения, отрицательные ионы хлора благодаря притяжению элекронов начнут двигаться к положительному электроду. Здесь они превратятся в нейтральные молекулы ядовитого газа – хлора. Положительные ионы натрия соберутся у отрицательного электрода, где получат недостающие электроны, чтобы превратиться в простой натрий (2Na), который всплывет на поверхность. Английский химик Хамфри Дэви (1778-1829) подверг электролизу карбонат калия, карбонат натрия и оксид кальция (негашеную известь), в первый раз выделив в чистом виде натрий, калий (щелочные металлы) и кальций (щелочноземельный металл). Фарадей вывел формулы законов, описывающих процесс электролиза и позволяющих вычислить количество вещества, получаемого или высвобождаемого на каждом из электродов.
Результат этого опыта пробудил любопытство в Андре Мари Ампере (1775-1836), который выяснил, что электрические токи также могут взаимодействовать, притягиваться и отталкиваться благодаря силам магнетической природы. Как и Кулон, к своим открытиям Ампер пришел с помощью математических уравнений, в которых связывал величины, доступные для наблюдения в любой лаборатории.
На первый взгляд эти законы не предполагали никаких особо сложных теоретических построений. Ученые-физики, исследуя окружающий их универсум, со временем собрали небольшое количество принципов и идей, которых, казалось, было вполне достаточно для того, чтобы представить полную, точную и логичную картину мира. С одной стороны, существовали точечные частицы, которые взаимодействовали между собой при помощи центральных сил, то есть сил, направленных вдоль прямой линии, соединяющей точечные массы. Такое взаимодействие происходило мгновенно и на расстоянии. С другой стороны, существовали волны, которые распространялись в материальной среде, состоящей из частиц, взаимодействующих между собой.
Как мы видим, ученые, анализируя реальность, опирались на образы, взятые из повседневной жизни: камень, брошенный в пруд (частица), и круги, появляющиеся от него на поверхности (волны). Однако, как бы ни были знакомы человеческому воображению эти волны и частицы, сама идея мгновенного действия на расстоянии была довольно странной. «Вне физики,- говорил Эйнштейн, – наш разум не знает никаких сил, которые оказывали бы действие на расстоянии». Похожую критику уже вызывала ньютоновская формулировка закона тяготения, которая описывала с математической точностью все эффекты, но умалчивала об их причине. Ответ самого Ньютона на подобные упреки известен: «Hypotheses non jingo» – «Я не выдумываю гипотез».
Восхищение, которого заслуживал труд Ньютона, не могло заслонить собой некоторую неловкость перед вытекающими из него выводами. Следуя логике рассуждений ученого, оказывается, что мы могли бы отправлять мгновенные послания на другой конец планеты, придав движение некой массе: ее движение изменило бы расстояние между ней и нами, а вместе с этим и силу, действующую на любое тело на Земле. Аппарат с достаточной чувствительностью должен был бы уловить это воздействие, а разные изменения силы можно было бы организовать по принципу языка Морзе.
Теория центральных сил начала давать трещины, когда опыты показали, что электромагнитные взаимодействия зависят не только от расстояния, но также от скорости и ускорения. Если заряды находились в состоянии покоя, классическая схема работала отлично, но как только они начинали двигаться, величины в уравнениях умножались, а вектора силы отклонялись от прямой, соединяющей частицы (см. рисунок).
Вектора сил между двумя зарядами, в статическом положении (слева) и в динамике (справа). В первом случае вектор силы по отношению к каждому из зарядов совпадает с вектором соединяющей их прямой (Felect). Когда заряды приобретают скорость (v4 и v2 ), появляется магнитная сила (Fmag), перпендикулярная вектору скорости. Равнодействующая сила (Ftotal), действующая на каждый из зарядов, то есть сумма электрической и магнитной сил, не совпадает по своему вектору с прямой линией, соединяющей оба заряда.
Постепенно стало ясно, что существующая система понятий терпит фиаско и не способна описать только что открытые законы. Было необходимо найти новые инструменты. Английский ученый Майкл Фарадей (1791-1867) первым сумел увидеть невероятную экспериментальную картину, созданную Кулоном, Ампером и Эрстедом, с подходящего угла зрения.
Фарадей был выдающимся человеком во многих смыслах. Он вырос в такой бедности, которая не позволяет мечтать ни о каких научных достижениях. Тем не менее, работая переплетчиком, юноша выучился химии и физике – он просто читал все те книги, которые попадали ему в руки.
Сегодня более 99% электроэнергии в мире производится на атомных, тепловых, водных, ветровых, приливных и других электростанциях. Все они работают на базе генераторов тока, в основе которых лежит электромагнитная индукция – явление, открытое и описанное Фарадеем. 17 октября 1831 года он сделал в своем дневнике запись о том, что если рядом с проводом поместить магнит, то в проводе появится электрический ток. Это открытие замыкало круг, начатый Эрстедом: когда-то в Дании электрический ток заставил двигаться намагниченную стрелку компаса, а теперь в подвале Королевского института Великобритании, где ставил свои опыты Фарадей, движение магнита порождало электрический ток.
Тот же Фарадей подобрал ключ к закрытому замку современной теоретической физики – им стало понятие поля. Его можно ясно себе представить, если посмотреть на рисунок, который образуют железные стружки вокруг полюсов магнита или вблизи электрического тока. Однако этот простой эксперимент влечет целую вереницу вопросов. Какой силе подчиняются металлические стружки? На что ориентированы так называемые силовые линии, по формулировке Фарадея – завихрения вокруг зарядов и полюсов магнита?