Первооткрыватели. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
– Заставив работать демона Максвелла, можно сделать бесплатный холодильник! – засмеялась Галатея.
– И бесплатный кипятильник! – поддержал её Андрей.
– Учёные потратили немало сил на обсуждение хитроумного демона Максвелла, пока не поняли, что ни один демон даром работать не будет, всё равно потребует плату.
Максвелл очень увлёкся математической задачей описания электромагнитных явлений, но никак не мог связать покоящиеся заряды и токи в проводах. Он был хорошим математиком, любил создавать математические теории для природных явлений и говорил: «Если вы окажетесь где-то неправы, природа сама скажет вам об этом».
Много усилий Максвелл потратил на запись уравнений, которые описывали бы все известные магнитные и электрические явления. В конце концов ему это удалось!
– Все-все явления? – недоверчиво спросила Галатея.
– Все-все, причем не только известные, но и ещё не открытые.
Труды Максвелла, Герца и других физиков доказали, что электричество наблюдается в природе в самых разных формах: накапливается в атмосферных тучах и разряжается молниями при грозах, течёт в подземной расплавленной магме, заставляя компасы смотреть на север, и возникает в кипении звёздной материи. Тучи пепла электризуются не хуже дождевых облаков, поэтому извержения вулканов тоже сопровождаются мощными молниями. Электричество – удивительный природный феномен, который человек сумел приручить и превратил в самую распространенную технологию современной цивилизации.
– Что же такое электрический ток? – спросила Галатея.
– Это одновременно очень простой и сложный вопрос. В учебниках написано, что электрический ток – это направленное движение электронов по проводам. Более того, некоторые так и думают! Но, если щелкнуть выключателем на стене, электроны из него дойдут до люстры – предположим, что мы используем постоянный, то есть не меняющий своего направления ток – часов за десять.
– Как же так? – опешила Галатея. – Лампочка-то зажигается сразу!
– Верно! Но факт остается фактом – электроны двигаются со скоростями примерно миллиметр в секунду. А если мы учтём, что в обычной бытовой сети электрический ток переменный, со сменой направления пятьдесят раз в секунду, электроны из выключателя вообще никуда не денутся, а будут дергаться туда-сюда на ничтожном (с нашей точки зрения) участке провода.
– И как лампочка узнала, что ей пора зажигаться? – недоумевала Галатея.
– Чтобы понять, что такое электрический ток, давайте расставим десять солдат по десятикилометровой линии на расстоянии километра друг от друга. Все они смотрят в одну сторону, как и полагается в строю, и внимательно прислушиваются. Последний солдат кричит: «Марш!» – и начинает двигаться вперед. Следующий солдат, уловив еле слышную команду первого, прилетевшую сзади, немедленно громко её повторяет: «Марш!» – и тоже начинает шагать – и так до конца, пока первый в строю солдат не начнёт маршировать, услышав команду предыдущего. Звук проходит километровую дистанцию за три секунды (попробуйте понаблюдать издали за человеком, который рубит дрова), то есть команда «Марш!» пройдёт десять километров за полминуты.
За это время первый солдат прошагает всего метров сорок. Если приравнять медленных солдат к электронам, а быструю команду, которую они передают друг другу, – к электромагнитному полю, мы поймём, почему электроны двигаются медленно, но начинают движение по всему проводу довольно дружно. Поэтому и лампочка, не дожидаясь медлительных электронов из розетки, загорается сразу – вернее, электроны, получив команду электромагнитного поля, которое распространяется по проволоке со скоростью триста тысяч километров в секунду, начинают двигаться по всему металлическому проводу – и по самой лампе – практически одновременно.
– Триста тысяч километров в секунду? – прищурился Андрей. – Это же всем известная скорость света! Она случайно оказалась равна скорости распространения электричества по проводам?
– Конечно, нет! – воскликнула Никки.
Главная заслуга Максвелла заключается не только в том, что он привёл в порядок известные законы электродинамики. Создавая свою систему уравнений, Максвелл заметил, что ей не хватает красоты. Поэтому он добавил в одно из уравнений слагаемое, приводившее к симметрии между электрическим и магнитным полями! Ни один из выполненных к тому времени экспериментов не вынуждал его к такому шагу. Но математически красивая теория имеет больше шансов оказаться правильной. Красота и симметрия стали путеводными звездами физиков-теоретиков, указывающими дорогу в мир неизведанного.
После дополнения Максвеллу открылось чудо: оказывается, для существования электрических и магнитных полей не обязательно наличие зарядов и токов! Электрические и магнитные поля, не привязанные к зарядам и токам, могут перемещаться даже в пустом пространстве, в чистейшем вакууме. Такие поля имеют вид бегущих волн, причем электрическое и магнитное поля в такой волне не существуют одно без другого – они тесно переплетаются, перетекают друг в друга во время полёта в пространстве. Уравнения Максвелла утверждали, что скорость распространения данной волны равна скорости света в вакууме.
Тогда Максвелл решился на удивительное утверждение: заявил, что эти электромагнитные волны и есть свет, который рождается Солнцем и свечой, молнией и светляком.
– Ух! – выдохнула взволнованная Галатея. – Значит, красивый светлячок – тоже электрическое явление!
– Но ведь это всего лишь предположение Максвелла, – Андрей был настроен скептически. – Откуда мы знаем, что Максвелл прав, и его уравнения верно описывают солнечный свет?
– Правильный вопрос! – похвалила Никки. – Хорошая теория должна не только описывать уже известные факты, но и предсказывать новые, причем предсказание должно быть конкретным, чтобы сказать экспериментаторам: «Ищите!» И если результат эксперимента согласуется с предсказанием теории, это подтверждает правоту теоретика.
Галатея с укоризной посмотрела на Андрея. Она не сомневалась, что предсказания такого умного физика, как Максвелл, который повелевает даже демонами, выдержат самую суровую экспериментальную проверку.
Для подтверждения гениальной догадки Максвелла остался один шаг: породить электромагнитные волны экспериментально, управляя зарядами и токами с помощью проводов, магнитов и батареек. Эту задачу решил другой гениальный физик – Генрих Герц. Он сумел создать и зарегистрировать электромагнитные волны более низкой частоты, чем световые. Такие волны мы теперь называем радиоволнами. В честь Герца частота колебаний стала измеряться в «герцах» – это количество колебаний в секунду.
Например, в герцах измеряется частота тока в обычной бытовой электросети. Там течет переменный ток, меняющий своё направление с частотой 50 герц.
Никки посмотрела на внимательно слушавшую её
