Если признать все проведенные рассуждения справедливыми, а похоже, что ничего другого не остается, то окажется, что мы столкнулись с некоторым новым видом энергии, распределенным в пространстве. При этом сразу многое становится неясным. Вся ли электрическая энергия распределена в поле или она как-то делится между полем и заряженными частицами? Электрическая энергия, распределенная в поле, и энергия, связанная с зарядами, представляют собой одно и то же или это различные физические сущности? Возможны ли взаимные преобразования между различными видами энергии, и если да, то по каким законам они совершаются? Все это вопросы отнюдь не простые, и мы попытаемся до конца этой главы дать на них хотя бы частичные ответы.
Как построить поле?
В предыдущей главе мы, казалось бы, полностью разделались с силой, а в этой главе, похоже, снова вернулись к этому понятию и пользуемся им для определения характеристик электромагнитного поля. Еще раз повторяем: мы не имеем ничего против понятия силы. Очень часто оно оказывается весьма плодотворным. Понятием силы пользуются авторы самых современных учебников физики. Но важно отдавать себе отчет и в другом. Существует наука описательная (говорят, феноменологическая) и существует наука фундаментальная, ставящая себе цель не столько описать те или иные явления, Сколько вскрыть их взаимосвязи, понять причины и следствия. Обе части составляют вместе единое целое и не мыслимы одна без другой. Понятие силы удобно при феноменологических описаниях, хотя бы потому, что оно позволяет относительно легко перекинуть мостик от описываемого явления к нашим ощущениям. Но понятие силы совершенно непригодно, когда следует выявить взаимосвязь явлений, поскольку, поверив в физическую сущность, которая может произвольно исчезать и появляться, теряешь основу для логических рассуждений. Остается лишь повторять: мир таков, потому что он таков.
Представьте себе два электрических заряда, разнесенных на очень большое расстояние друг от друга. Если заряды одноименные, они взаимно отталкиваются и сблизить их можно, лишь преодолевая это отталкивание. Если все-таки их сблизить, а потом отпустить, заряды вновь разойдутся на весьма большое (теоретически бесконечное) расстояние. При этом будет проделана определенная работа. Что это значит? Система, состоящая из двух зарядов, находящихся на заданном расстоянии друг от друга, обладает энергией, численно равной работе, которая обязательно совершится, если заряды предоставить самим себе. Можно даже сказать, во что превратится эта работа. Разлетаясь в разные стороны, заряды приобретут скорости, а следовательно, и кинетическую энергию.
Итак, если предоставить самим себе два электрических заряда, находящихся на заданном расстоянии друг от друга, то в конечном итоге они приобретут кинетическую энергию. Энергия системы из двух зарядов и равна этой суммарной кинетической энергии. Где хранится эта энергия? Поскольку с самими зарядами как при сближении их, так и при их самопроизвольном разлете ничего не происходит, ясно, что энергия хранится в поле, образованном двумя одноименными зарядами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга.
Как же энергию подсчитать иначе? Зная, что взаимодействие зарядов пропорционально произведению их величин и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, можно вычислить, что энергия системы из двух зарядов равна произведению их величин, деленному на расстояние между ними. В случае разноименных зарядов все точно так же, только на удаление зарядов на бесконечно большое расстояние друг от друга нужно затратить определенную работу. По этой причине энергии двух разноименных зарядов, находящихся на данном расстоянии друг от друга, присваивают знак минус.
Пойдем дальше. Добавим к системе из двух зарядов, первого и второго, находящихся друг от друга на некотором расстоянии, третий заряд. Электрические поля обладают очень важным свойством, получившим название свойства суперпозиции. В чем оно состоит? Третий заряд взаимодействует с первым так, как будто второго не существует, а со вторым так, как будто не существует первого. Это значит, энергия системы из трех зарядов равна произведению величин первого и второго зарядов, поделенному на расстояние между первым и вторым зарядами {будто третьего не существует), плюс произведение величин первого и третьего зарядов, поделенное на расстояние между первым н третьим зарядом (будто второго не существует) плюс произведение величин второго и третьего зарядов, поделенное на расстояние между вторым и третьим зарядом (будто первого не существует). Уверенно суммируем полученные значения, потому что знаем: энергия всегда аддитивна. Знаем мы и то, что с зарядом никогда ничего не случается и поэтому, например, величина первого заряда останется неизменной независимо от того, с каким количеством других зарядов он взаимодействует.