Приключения радиолуча - Валерий Родиков

Со школы мы помним опыты Галилея, когда он бросал с Пизанской башни разные предметы. Ученый пришел к выводу, что без учета сопротивления воздуха все предметы вне зависимости от своей массы и характера материалов, из которых они изготовлены, падают на Землю с одинаковым ускорением. Спустя столетие Ньютон использовал результаты Галилея при создании теории всемирного тяготения. И вот фундаментальная основа принципа сегодня группой физиков из американского университета в Пердью ставится под сомнение. Высказывается предположение о существовании ранее неизвестной пятой силы, противодействующей силе тяжести, в результате чего различные по химическому составу предметы падают с неодинаковым ускорением. Правда, разница очень незначительна — на уровне одной стомиллионной, — и замерить ее сложно.

Для объяснения феномена физики предположили существование «антигравитационной» силы, которая зависит от гиперзаряда, или, иначе, барионного заряда. К барионам относятся протон, нейтрон и другие «тяжелые» элементарные частицы. Чем больше барионный заряд атома вещества (а он равен суммарному числу протонов и нейтронов в атомном ядре), тем сильнее силы «антигравитации». То есть чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем сильнее они отталкиваются от протонов и нейтронов другого предмета.

Полагают, что пятая сила в сто тысяч раз слабее гравитации и действие ее проявляется на расстоянии не более 180 метров.

В результате действия пятой силы такие вещества, как железо, с большим числом протонов и нейтронов, будут сильнее отталкиваться Землей, чем, скажем, падающая вода, поскольку в молекулах воды меньше этих частиц. Отсюда: капля воды будет падать быстрее, чем кусок железа.

Эксперименты пока не могут ответить однозначно: быть или не быть пятой силе. Вопрос остается открытым…

О ПОЛЬЗЕ ИНТУИЦИИ

Согласно уравнениям Максвелла, изменяющееся магнитное поле создает меняющееся вихревое электрическое поле. И не только в окружающей среде, но и в пустоте. Оказалось, что электрические силовые линии тоже могут быть замкнутыми, а не обязательно начинаться и кончаться на зарядах. Это означает, что электромагнитное поле может существовать без зарядов. Электрические заряды требуются лишь для возбуждения поля, но в них нет необходимости, чтобы поддерживать его в дальнейшем. Если провести аналогию с волнами на воде, то заряды играют роль камня. Мы видим, как бежит волна по поверхности пруда, несмотря на то, что камень, вызвавший ее, уже покоится на дне.

Электрическое вихревое поле, в свою очередь, рождает магнитное. Таким образом, электрические и магнитные поля, генерируя друг друга, могут свободно распространяться в виде электромагнитной волны и в отсутствие каких-либо зарядов и токов.

Уравнения Максвелла вовлекли электрические и магнитные поля в своего рода общий танец — электромагнитную волну. Неразрывно, мертвой хваткой соединены поля друг с другом, вытаскивают один другого, можно сказать, с «того света». Они заботливо сохраняют друг друга. Допустим, исчезает магнитное поле, но, умирая, оно рождает электрическое поле. Такое же самопожертвование свойственно электрическому полю. Исчезая, оно воскрешает магнитное поле. И пока бежит волна, происходит непрерывная перекачка полей.

Волна может существовать вечно, если не будет поглощена какой-либо средой, в которой рассеет свою энергию. Пример долгожительства электромагнитной волны — так называемое реликтовое излучение, порожденное Большим взрывом, создавшим Вселенную. Реликтовым оно названо именно потому, что несет информацию о давнем ее прошлом.

Когда Максвелл определил скорость распространения электромагнитной волны, то она получилась близкой к скорости света. Что это? Случайное совпадение? Максвелл не прошел мимо него… Ведь еще Фарадей показал, что магнит влияет на луч света. А еще ранее англичанин Юнг и француз Френель доказали волновую природу света. Значит, свет тоже электромагнитная волна! Так Максвелл совершил одно из великих обобщений в физике.

Не просто было прийти к такому выводу. Дело в том, что скорость света была в то время определена ошибочно и принималась равной 193 118 миль в секунду. Максвелл тоже счастливо ошибся и нашел, что скорость распространения электромагнитных колебаний в эфире равна 193 088 миль в секунду.

Да, дерзкой догадке улыбнулся случай. Не всегда он приходит на помощь в науке. Английский физик Джине провел интересную историческую параллель между открытиями Максвелла и Ньютона: «Ситуация была сравнима по своей драматической напряженности с великим моментом, когда Ньютон впервые подверг испытанию свой закон всемирного тяготения путем вычислений, связанных с расстоянием до Луны. По несчастливой случайности Ньютон воспользовался неточным значением для земного диаметра, и это привело к настолько неудовлетворительному численному совпадению, что Ньютон отложил свою теорию почти на двадцать лет. С Максвеллом случилось обратное — оба числа, приведенные выше, совпадают с точностью до 30 миль в секунду. И особенно удивительно то, что оба числа ошибочны, с ошибкой большей, чем 60 миль в секунду… К счастью, Максвелл, по-видимому, осознал, что скорость света была найдена далеко не точно, и поэтому не дал обескуражить себя существенному расхождению в числах, как это случилось с Ньютоном».

И еще одно важное следствие Максвелл извлек из своей теории: он предсказал давление света и даже вычислил его величину: «В ясную погоду солнечный свет, поглощаемый одним квадратным метром, дает 123,1 килограммометра энергии в секунду, он давит на эту поверхность в направлении своего падения с силой 0,41 миллиграмма».

Таким образом Максвелл сам указал, как экспериментально проверить свою теорию — получить электромагнитные волны, подобные свету, и измерить давление света.

Но осуществить предсказания Максвелла оказалось не так-то легко. Сам Максвелл, видимо, не предпринимал ничего, чтобы доказать правильность своей теории — получить электромагнитные волны. Правда, ряд исследователей был очень близок к открытию уже в конце 70-х годов прошлого столетия.

КАК ВЫПУСТИТЬ ДЖИННА ИЗ БУТЫЛКИ

Великие открытия требуют ученых особого склада. Такой исследователь должен обладать, можно сказать, особым экспериментальным инстинктом. Его мысль должна непрестанно интенсивно работать в исследуемой области. Без этих качеств можно пройти мимо нового явления, не заметив его, ведь подчас так невзрачны и незначительны его проявления.

Такие физики вскоре нашлись. Электромагнитные волны получил Генрих Герц, а давление света измерил Петр Николаевич Лебедев. Интересно, что знаменитый физик лорд Кельвин, изумленный изяществом опытов Лебедева, сказал К. А. Тимирязеву: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами…»

Довольно тонкий опыт провел американский физик Генри Роуланд за десять лет до экспериментов Герца. Результат его хотя и не был столь убедительно явным, как у Герца, но тоже сработал в пользу теории Максвелла.

До Максвелла не было полной ясности в том, будет ли механическое перемещение электрически заряженного тела так же вызывать магнитное поле, как и в случае постоянного тока. Экспериментально доказать этот факт было чрезвычайно трудно даже по современным меркам. Ведь ожидаемая величина магнитного поля составляла примерно стотысячную долю от магнитного поля Земли. Роуланд превосходно справился с задачей. Он зафиксировал магнитное поле, создаваемое при движении наэлектризованной поверхности. Его возникновение предвидел Максвелл в своем «Трактате».

Сорок восемь лет прожил человек, предсказавший существование электромагнитных волн. Еще меньше времени судьба отпустила тому, кто получил их экспериментально, — всего 37 лет. Но столь короткой жизни Генриху Герцу оказалось достаточно, чтобы обессмертить свое имя.

Более двух лет охотился Герц за электромагнитными волнами, но отнюдь не для того, чтобы подтвердить теорию Максвелла. В ее правильности ему довелось невольно убедиться, когда он ставил свои бесчисленные опыты. Незамысловатыми были его приборы. Еще одно подтверждение изречения «до гениального просто». Возможные направления поиска были ограничены. На первый взгляд напрашивался самый простой путь — каким пошел Роуланд — получить переменное магнитное или электрическое поле, а, следовательно, и излучение, осуществляя механические колебания магнита или электрического заряда. Но здесь возникли непреодолимые в то время трудности, и главная из них состояла в том, чтобы заставить магнит или заряженное тело механически колебаться очень быстро — сотни тысяч раз в секунду. Даже трепетные камертоны не могли дрожать чаще десятка тысяч раз в секунду. А мы помним, что длина волны равна скорости ее распространения, разделенной на частоту. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн равна 300 тысячам километров в секунду, а частота возможных в то время вращательных и колебательных механизмов была порядка десяти тысяч колебаний в секунду, то и длина волны получалась равной 30 километрам — слишком большой, что бы исследовать ее в лабораторных условиях.