Чтобы понять, в чём состоят трудности, нужно познакомиться с электромагнитным полем поближе. Хотя оно постоянно окружает нас и используется, например, в телевидении и радио, большинство людей знают о нём меньше, чем о гравитационном.
Начнём с электричества и магнетизма. Известно, что положительно или отрицательно заряженный заряд окружает область, в которой действует электрическая сила (она влияет только на другие заряды), точно так же, как Земля окружена областью, в которой действует сила притяжения. И в том и в другом случае сила по мере удаления от источника ослабевает. Магнитное поле ведёт себя примерно так же. Вспомните опыт, который делают в школе с магнитом и железными опилками, насыпанными на бумагу. Опилки располагаются по силовым линиям, идущим от одного полюса – северного, к другому – южному.
Учёным прошлого были знакомы и электричество, и магнетизм, но они считали эти явления различными и не связанными одно с другим. Связь между ними обнаружил датский учёный X. Эрстед. Однажды, показывая в аудитории опыт с электрическим током, он заметил, что каждый раз, когда провод подключался к источнику питания, стрелка лежащего рядом компаса вздрагивала. Объяснить это можно было только появлением магнитного поля. Так в результате счастливой случайности Эрстед обнаружил, что электрический ток создаёт магнитное поле.
Следующий шаг было сделать уже легче, так как ток есть не что иное, как движение зарядов, а зарядам сопутствует электрическое поле; иными словами, изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле. Новость быстро распространилась; через несколько месяцев все европейские учёные уже знали об опыте Эрстеда и лихорадочно ставили свои эксперименты.
Может показаться странным, что столь важное открытие было сделано с такой лёгкостью, но ведь научные исследования того времени сильно отличались от нынешних. Я уверен, что многие из современных учёных, собирающих установки с помощью могучих кранов, иногда тоскуют по тем временам, когда оборудование было куда миниатюрней, а сделать выдающееся открытие было намного легче.
Вскоре после открытия Эрстеда учёные задались таким вопросом: если изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле, то, может быть, изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, создаёт электрическое поле? Через несколько лет Майкл Фарадей поставил решающий опыт, которым доказал, что это предположение верно.
Фарадей родился в 1791 году неподалёку от Лондона и вскоре переехал в столицу. Рос он в бедности и большую часть времени проводил на улице. Образования почти не получил и едва умел читать и писать. В 12 лет Майкл поступил посыльным к переплётчику и через несколько лет стал у него подмастерьем. С того времени в его жизни наступили перемены. Переплетаемые книги произвели на него огромное впечатление, ему хотелось все их прочесть, но мешал недостаток образования. Майкл был упорен и старался читать как можно больше. Попадались ему и научные издания – о магнетизме, электричестве, химии. В свободное время, до того как переплести книгу и отправить её заказчику, он старался сделать для себя как можно больше выписок. В этих книгах описывались различные опыты, и почти всё своё скромное жалованье Фарадей тратил на аппаратуру для их выполнения.
Майкл Фарадей (1791-1867)
Поворотным пунктом в его жизни стали четыре публичных лекции, прочитанные Хэмфри Дэви, известным учёным того времени. Лекции так поразили Фарадея, что он твёрдо решил стать учёным. Он переплёл конспект этих лекций и послал его Дэви вместе с просьбой о месте ассистента. Сначала Дэви колебался и даже уговаривал Фарадея, что переплётчиком быть гораздо надёжней и спокойней. Но вскоре место ассистента освободилось, и Дэви предложил его Фарадею, который с радостью согласился.
Примерно через год Фарадей сопровождал Дэви в турне с лекциями по Европе. Он помогал учёному в подготовке экспериментов и впервые получил доступ к его научной библиотеке. Он жадно поглощал книги, которые значительно расширили его и без того солидную «базу знаний». Вскоре после возвращения в Англию Дэви предложил Фарадею самостоятельно проводить опыты. Отныне ему предстояло рассчитывать только на себя, и поначалу Фарадея это пугало. Однако он решил принять вызов, принялся упорно трудиться и в конце концов изобретательностью и настойчивостью превзошёл самого Дэви.
Как и многие его предшественники, Фарадей решил проверить, не вызывает ли изменение магнитных силовых линий появление электрических силовых линий. Его классическая установка состояла из витка провода – приспособления для измерения тока – и магнита. Он заметил, что при прохождении магнита сквозь виток, в нём возникает ток, а значит, и силовое электрическое поле.
Это означало, что как изменение магнитного поля создаёт электрическое поле, так и изменение электрического поля создаёт магнитное, Фарадей не только продемонстрировал этот эффект, но и дал простое математическое выражение для напряжённости возникающего поля, хотя и не смог пойти дальше, так как ему не хватало математической подготовки.
Как ни странно, одно из крупнейших достижений Фарадея многие годы не принимали всерьёз. Вместе с другими учёными, работавшими в этой области, он задался вопросом: что же на самом деле представляют собой электрические и магнитные силовые линии? Математики считали, что соответствующие поля подобны полю тяготения – представляют собой разновидность дальнодействующих сил. Но Фарадея такое объяснение не устраивало; и он ввёл понятие «поля». Линии есть представление поля; чем они ближе друг к другу, тем сильнее поле, причём эти линии служили не просто для наглядности. По мнению Фарадея, поле обладало физической реальностью. Математики не соглашались с его взглядами, а он, естественно, был не согласен с математиками.
Фарадей продолжал свои опыты и чтение лекций, но сказывался возраст, и его здоровье ухудшалось. В 1841 году он так ослаб от переутомления, что ему пришлось на четыре года прервать работу. Тем временем его имя стало известно во всей Европе. Фарадея избрали в Королевское общество и предложили стать его президентом, но он отказался, объяснив свой отказ так: «Я должен до конца остаться просто Майклом Фарадеем». В 1845 году он снова приступил к работе и продолжал выполнять важные эксперименты, но его здоровье всё ухудшалось, и в 1867 году он умер.
Фарадей не был математиком и не смог представить свои открытия в математической форме. Однажды на его работы обратил внимание Джеймс Клерк Максвелл, крупнейший специалист по математической физике того времени. Максвелл был на 40 лет моложе Фарадея, он родился в тот год, когда Фарадей объявил о результатах своего знаменитого опыта по созданию изменяющимся магнитным полем электрического тока.
Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879)
Детство Максвелла резко отличалось от детских лет Фарадея. У родителей Джеймса было немалое состояние, и рос он в поместье Гленэр, неподалёку от Эдинбурга. Максвелла, как и Ньютона и Галилея, завораживали всевозможные механизмы, и в детстве он смастерил множество оригинальных механических игрушек. До 10 лет он жил в Гленэре, а потом поехал учиться в Эдинбургскую академию. Его математические способности проявились очень скоро, и уже в 14 лет он получил медаль Эдинбургской академии за работу, в которой приводился способ построения овальных кривых. Эта статья была зачитана в Эдинбургском королевском обществе, что считалось весьма почётным.
Через десять лет Джеймс поступил в Эдинбургский университет. Ему ничуть не мешало, что он проучился в школе всего шесть лет. К 16 годам он, как и Эйнштейн, уже размышлял над математическими проблемами, которые были ему, казалось бы, не по годам. Он жадно читал и так умел сосредоточиться, что временами его дразнили, говоря, что он «не от мира сего». Иногда он «отключался» за обедом и, не обращая внимания на разговоры, проделывал какой-нибудь опыт со светом и звуком, используя подвернувшиеся под руку столовые принадлежности.