Высший замысел - Стивен Хокинг

На развитие нашего современного понимания электричества и магнетизма ушло примерно сто лет, с середины XVIII до середины XIX века. В этот период физики разных стран проводили тщательные экспериментальные исследования электрических и магнитных сил. Одним из самых важных стало открытие взаимосвязи между электрическими и магнитными силами: движущийся электрический заряд порождает магнитную силу, а движущийся магнит порождает электрические заряды. Первым, кто обнаружил наличие определенной связи, был датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851). Готовясь к лекции, которую он должен был читать в университете в 1820 году, Эрстед заметил, что электрический ток от батареи, которую он использовал, отклоняет стрелку расположенного неподалеку компаса. Вскоре он понял, что движущееся электричество создает магнитную силу, и ввел термин «электромагнетизм». Несколько лет спустя британский ученый Майкл Фарадей (1791–1867) пришел к выводу, что — пользуясь современной терминологией — если электрический ток может порождать магнитное поле, то и магнитное поле должно порождать электрический ток. Он продемонстрировал это в 1831 году. А еще через четырнадцать лет Фарадей открыл связь между электромагнетизмом и светом, показав, что сильное магнитное поле может влиять на природу поляризованного света.

Фарадей не получил хорошего общего образования. Он родился близ Лондона, в семье бедного кузнеца. В возрасте тринадцати лет бросил школу, поскольку вынужден был пойти работать посыльным и переплетчиком в книжной лавке. Там на протяжении нескольких лет он занимался самообразованием, читая переплетаемые им научные труды, а в свободное время проводил дома простые и недорогие опыты. Со временем он получил место ассистента в лаборатории великого английского химика сэра Гемфри Дэви (1778–1829). Фарадей оставался в этой лаборатории в течение всех последующих сорока пяти лет, а после смерти Дэви занял его пост. Не получив достаточного образования по математике, Фарадей испытывал в ней затруднения, что создавало для него сложности в понимании теоретической картины тех странных электромагнитных явлений, которые он наблюдал в своей лаборатории. Тем не менее он во всем разобрался.

Одним из величайших интеллектуальных достижений Фарадея стала идея о силовых полях. В наши дни, благодаря книгам и фильмам о пучеглазых инопланетянах и их звездолетах, большинство людей знакомо с этим термином, так что Фарадею, пожалуй, причитается авторский гонорар. Но в течение столетий, прошедших от Ньютона до Фарадея, одной из великих загадок физики было то, что законы, казалось, свидетельствовали: силы могут действовать через пустое пространство, разделяющее объекты. Фарадею это не нравилось. Он считал, что для приведения объекта в движение нечто должно войти с ним в контакт, и потому предположил, что пространство между электрическими зарядами, как и между полюсами магнита, заполнено невидимыми силовыми линиями — упругими трубками, изменение натяжения которых способно физически осуществлять притягивание или отталкивание. Совокупность этих трубок Фарадей назвал силовым полем. Хорошим способом для визуализации силового поля служит демонстрационный школьный опыт, при котором плоское стекло кладут на стержневой магнит, а поверх стекла насыпают железные опилки. После нескольких потряхиваний, необходимых, чтобы преодолеть трение, опилки начинают двигаться, как будто их толкает невидимая сила, и выстраиваются в форме дуг, протянувшихся от одного полюса магнита к другому. Этот рисунок дает картину невидимой магнитной силы, пронизывающей пространство. Сегодня мы считаем, что все силы передаются полями. Это важная концепция современной физики, как, впрочем, и научной фантастики.

Силовые поля. Силовое поле стержневого магнита, прорисованное железными опилками, которые выстроились вдоль силовых линий между полюсами магнита.

В течение нескольких десятилетий наше понимание электромагнетизма оставалось без развития и ограничивалось знанием нескольких эмпирических законов: мы догадывались, что электричество и магнетизм тесным, хотя и загадочным, образом связаны; понимали, что они имеют какое-то отношение к свету; имелось первичное понятие о силовых полях. Существовало по меньшей мере одиннадцать теорий электромагнетизма, и ни одна из них не оказалась удовлетворительной. Затем, в 1860-х годах, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) за несколько лет развил взгляды Фарадея в математическую структуру, которая объяснила глубинную и загадочную взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и светом. В результате был получен набор уравнений, описывающих электрическую и магнитную силы как проявление одной и той же физической сущности — электромагнитного поля. Максвелл объединил электричество и магнетизм в одну силу. Более того, он доказал, что электромагнитные поля могут распространяться в пространстве в виде волн. Скорость этих волн определяется числом, вытекающим из его уравнений, которые он вывел на основе своих экспериментальных данных, полученных несколькими годами ранее. К удивлению ученого, рассчитанная им скорость совпала со скоростью света, которую тогда знали по экспериментальным определениям, с точностью в один процент. Так Максвелл открыл, что свет представляет собой электромагнитную волну.

Сегодня уравнения, описывающие электрические и магнитные поля, называют уравнениями Максвелла. Мало кто слышал о них, но из всех известных нам уравнений они, вероятно, являются самыми важными в коммерческом отношении. Они не только управляют работой различных приборов — от простых бытовых устройств до компьютеров, — но еще и описывают другие (не световые) волны, такие как микроволны, радиоволны, инфракрасные и рентгеновские лучи. Все они отличаются от видимого света только одним — длиной волны. У радиоволн длина (расстояние от гребня одной волны до гребня другой) составляет метр и более, тогда как длина волн видимого света — несколько десятимиллионных долей метра, а у рентгеновских лучей — менее одной стомиллионной метра.

Наше Солнце излучает волны всех длин, но его излучение интенсивнее всего на тех длинах волн, которые мы можем видеть. Наверное, не случайно мы способны видеть невооруженным глазом именно те лучи, которые преобладают в солнечном излучении: скорее всего, наши глаза приспособились таким образом, чтобы различать электромагнитное излучение именно в этом диапазоне, потому что он подходит им наилучшим образом. Если мы когда-нибудь встретим существ с других планет, они, может быть, смогут «видеть» излучение на иных длинах волн — на тех, которые их солнце излучает наиболее сильно (конечно, с поправкой на светоэкранирующие свойства пыли и газов в атмосфере их планеты). Поэтому те инопланетяне, которые развивались в условиях рентгеновского излучения, могли бы сделать неплохую карьеру в службе безопасности аэропортов.

Согласно уравнениям Максвелла, электромагнитные волны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду, или около 670 миллионов миль в час. Но говорить о скорости бессмысленно, если не указать, относительно чего эта скорость измеряется. В повседневной жизни мы об этом даже не задумываемся. Когда дорожный знак ограничения скорости указывает «60 миль в час», то понятно, что имеется в виду скорость автомобиля относительно дороги, а не черной дыры в центре Млечного Пути. Но даже в повседневной жизни иногда приходится принимать во внимание систему отсчета. Например, если в летящем реактивном самолете вы идете по проходу с чашкой чая, то можете сказать, что ваша скорость 2 мили в час. Однако кто-то, находящийся в это время на земле, может сказать, что вы двигаетесь со скоростью 572 мили в час. Прежде чем решить, кто из вас ближе к истине, учтите, что, поскольку Земля движется вокруг Солнца, некто, наблюдающий за вами с поверхности этого небесного тела, не согласится с обоими и скажет, что ваша скорость около 18 миль в секунду, да еще и позавидует тому, что у вас есть кондиционер. В свете таких разногласий возникает естественный вопрос: а когда Максвелл утверждал, что обнаружил величину скорости света на основании своих уравнений, то относительно чего в этих уравнениях измерялась скорость света?

Длина волны. Микроволны, радиоволны, инфракрасное и рентгеновское излучение, а также видимый свет разного цвета отличаются только длиной волны.

Нет оснований полагать, что параметр скорости в уравнениях Максвелла представляет собой скорость, измеренную относительно Земли. В конечном счете его уравнения применимы ко всей Вселенной. Альтернативный ответ, который одно время рассматривался, состоял в том, что в уравнениях Максвелла указывается скорость света относительно еще не выявленной среды, заполняющей все пространство. Такое вещество назвали светоносным эфиром, для краткости — просто эфиром. Этот термин ввел еще Аристотель для обозначения субстанции, которая, по его мнению, заполняет всю Вселенную за пределами земного шара. Этот гипотетический эфир мог бы представлять ту среду, благодаря которой происходит распространение электромагнитных волн, подобно тому как звук распространяется в воздухе. Если бы эфир существовал, то имелся бы Абсолютный стандарт покоя (покоя по отношению к эфиру), а отсюда и Абсолютный способ определения движения. Эфир обеспечил бы предпочтительную систему отсчета во всей Вселенной, и скорость любого объекта можно было бы измерять относительно этой системы. Поэтому на основе теоретических соображений стали считать, что эфир существует, и поручили нескольким ученым найти способ для его изучения или хотя бы подтвердить его существование. Одним из этих ученых был сам Максвелл.