Фарадей учился у самого Дэви. Когда Дэви отправился в полуторагодичный тур на континент, он взял с собой Фарадея, который познакомился там, среди прочих, с Ампером и Вольтой. Когда Дэви работал в Париже с Луи Гей-Люссаком, изучая новый химический элемент — йод, им помогал Фарадей. Впрочем, и дома в его служебные обязанности входило проведение химических опытов.
Рис. 13.4. Майкл Фарадей (1791–1867), портрет Томаса Филлипса.
Если не считать временного интереса к электромагнетизму, вызванного открытием Эрстеда, Фарадей до 1830 года был профессиональным химиком. В 1833 году он стал профессором химии в Королевском институте. Но к этому моменту его научные интересы уже поменялись. Фарадей был убежден, что если электрический ток может быть причиной возникновения магнитных сил, то и магнит должен быть способен создавать электрический ток. Это мнение разделяли многие, среди которых был и Ампер, не сумевший, однако, подтвердить эту захватывающую идею.
В течение 10 лет Фарадей проводил различные опыты по электромагнетизму. В 1831 году он вложил одну катушку внутрь другой. Когда по одной из катушек пускали ток, она становилась электромагнитом. Фарадей хотел выяснить, способен ли магнит вызвать появление электрического тока во второй катушке. Действительно, ток возникал, но лишь на мгновение — только при включении или выключении электромагнита. Это привело Фарадея к важному открытию: изменение магнита — например, изменение силы магнита или его вращение — генерирует электрический ток в соседней катушке. Ключевым моментом здесь было изменение магнита.
Это позволило Фарадею сконструировать электрический генератор — простое динамо, ставшее в будущем основой электротехники. Однажды он демонстрировал свое открытие Уильяму Гладстону, который в то время был министром финансов, и тот спросил: «Ну и как же это можно использовать?» Фарадей ответил: «Вполне возможно, сэр, что когда-нибудь вы сможете обложить это налогом».
Одним из важнейших достижений Фарадея стала предложенная им новая интерпретация того, как сила передается от одного тела к другому. Вместо действия на расстоянии он представлял себе силовые линии, пронизывающие пространство. В 1830-е и 1840-е годы Фарадей продолжал разрабатывать свою идею магнитных и электрических силовых линий. Но поскольку эта новая идея не имела математической формы, большинство ученых отвергло ее. Однако было два важных исключения — Уильям Томсон и Джеймс Клерк Максвелл. Томсон дал силовым линиям Фарадея математическую интерпретацию и показал, что концепция силовых линий согласуется с теорией тепла и механикой; тем самым был заложен математический фундамент теории поля. Фарадей осознавал важность поддержки этими «двумя очень талантливыми джентльменами и выдающимися математиками»; он говорил: «для меня это источник большого наслаждения и поддержки — чувствовать, что они подтверждают справедливость и универсальность предложенного мной представления».
Для Фарадея идея о силовых линиях естественно вытекала из его опытов с магнитами. Когда он бросал иглообразные железные опилки на лист бумаги, лежащий на куске магнита, то замечал, что опилки выстраиваются по линиям, идущим в определенном направлении, в зависимости от их положения относительно магнита (рис. 13.5). Он думал, что магнитные полюсы связаны магнитными линиями и что эти линии становятся видимыми с помощью железных опилок, которые выстраиваются параллельно линиям. Для Фарадея эти линии были реальными, хоть и невидимыми. Свою идею о силовых линиях Фарадей распространил и на электрические силы; он считал, что и гравитацию можно интерпретировать подобным способом. Вместо утверждения, что планета каким-то неведомым образом узнает, как она должна двигаться по орбите вокруг Солнца, Фарадей ввел понятие гравитационного поля, которое управляет планетой на орбите. Солнце генерирует поле вокруг себя, а планеты и другие небесные тела ощущают влияние поля и ведут себя соответственно. Точно так же заряженные тела генерируют вокруг себя электрические поля, а другие заряженные тела чувствуют это поле и реагируют на него. Существуют и магнитные поля, связанные с магнитами.
Рис. 13.5. Магнитные силовые линии полосового магнита, обозначенные железными опилками на листе бумаги.
Ньютон считал, что основные объекты — это частицы, связанные между собой силами; а пространство между ними пустое. Фарадей представил себе и частицы, и поля, взаимодействующие друг с другом; а это вполне современная точка зрения. Нельзя сказать, что частицы более реальны, чем поля. Обычно мы изображаем поля в виде линий, указывающих направление силы в каждой точке пространства (рис. 13.6). Чем плотнее расположены линии, тем больше сила. Возьмем в качестве примера гравитацию Солнца. Можно сказать, что, приходя со всевозможных направлений, все силовые линии оканчиваются на Солнце. Мы можем нарисовать сферы разных радиусов с центром в Солнце, при этом каждая силовая линия будет пересекать каждую сферу. Площадь сфер возрастает как квадрат их радиуса, поэтому плотность линий уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояний. Таким образом, идея о силовых линиях прямо приводит нас к закону гравитации Ньютона (а также и к кулоновскому закону обратных квадратов для электрического поля постоянного заряда; рис. 13.7).