Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Однако моя наилюбимейшая демонстрация maglev-технологии – замечательный маленький волчок, известный как левитрон. Вы можете увидеть разные версии на сайте www.levitron.com. У меня в кабинете хранится одна из ранних моделей, приводящая в восторг сотни моих посетителей.

Поезда на магнитной подвеске обладают также неоспоримым преимуществом с точки зрения защиты окружающей среды – они относительно эффективно используют электричество и не выделяют при выхлопе газов, вызывающих парниковый эффект. Но их использование, увы, затратно. Поскольку большинство колей для маглевов несовместимы с существующими железнодорожными линиями, строительство этих систем требует огромных авансовых капиталовложений, чем и объясняется тот факт, что они до сих пор не нашли широкого коммерческого применения ни в одной стране мира. А между тем разработка более эффективных и экологически чистых систем массового транспорта, нежели имеющиеся ныне, – абсолютное условие нашего дальнейшего выживания, если только мы не хотим сварить всмятку свою собственную планету.

Максвелл и его экстраординарное достижение

По мнению многих физиков, Джеймс Клерк Максвелл – один из самых великих физиков всех времен, уступающий, возможно, только Ньютону и Эйнштейну. Это ученый внес вклад в широчайший диапазон областей физики, от анализа колец Сатурна до исследования поведения газов, термодинамики и теории цвета. Но самым значимым достижением Максвелла стали четыре уравнения, описывающие и связывающие электричество с магнетизмом, известные ныне как уравнения Максвелла. Хотя они кажутся простыми, в их основе лежат довольно сложные математические концепции. Если вас не пугают интегралы и дифференциальные уравнения, пожалуйста, посмотрите мои лекции или поищите их в интернете, чтобы лучше с ними познакомиться. А мы с вами в рамках данной книги ограничимся более простым обсуждением достижений Максвелла.

Прежде всего он объединил теорию электричества и магнетизма, показав, что, по сути, это не два отдельных явления, а одно – электромагнетизм – только с разными проявлениями. За одним чрезвычайно важным исключением четыре уравнения Максвелла не являются его «законами» или изобретениями, в той или иной форме они существовали и до него. Но именно Максвелл объединил их в то, что теперь принято называть теорией электромагнитного поля.

Первое уравнение – это закон Гаусса для электричества, описывающий взаимосвязь между электрическими зарядами и силой и распределением создаваемых ими электрических полей. Второе уравнение – закон Гаусса для магнетизма – самое простое из четырех и касается сразу нескольких аспектов. В частности, данный закон не допускает существования магнитных монополей. У магнита всегда есть северный и южный полюс (мы называем их диполями), в отличие от электроэнергии, что делает возможными электрические монополи (монополь – это либо положительно, либо отрицательно заряженная частица). Если вы разломаете магнит (у меня на холодильнике их много) на две части, каждая из них будет иметь северный и южный полюс, а если разбить магнит на десять тысяч кусочков, то северный и южный полюс будет у каждого обломка. И способа остаться в итоге с магнитом только с северным магнитным полюсом в одной руке и только с южным магнитным полюсом в другой не существует. А вот если у вас есть электрически заряженный объект (например, положительно) и вы разобьете его на две части, то обе могут быть заряжены положительно.

А дальше начинается нечто действительно интересное. Третье уравнение Максвелла – это уже закон Фарадея, описывающий, как переменные магнитные поля приводят к созданию электрического поля. Совершенно очевидно, что именно этот закон послужил теоретической основой для электрогенераторов, о которых я рассказывал ранее. И наконец, последнее уравнение – это закон Ампера, модифицированный Максвеллом с помощью очень важного уточнения. Оригинальный закон Ампера гласил, что электрический ток генерирует магнитное поле. Но Максвелл окончательно расставил точки над «i», добавив уточнение, что изменение электрического поля также создает магнитное поле.

Экспериментируя с этими четырьмя уравнениями, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в пустом пространстве. Более того, он смог вычислить их скорость. Утверждение, что она равна скорости света, повергла его коллег в настоящий шок. Иными словами, Максвелл пришел к выводу, что свет сам должен быть электромагнитной волной!

Эти ученые – Ампер, Фарадей и Максвелл – безусловно, знали, что стоят на пороге масштабной революции в физике. Другие исследователи на протяжении целого столетия изо всех сил пытались разъяснить природу электричества, а эти трое раз за разом открывали совершенно новые горизонты. Я иногда задаюсь вопросом, удавалось ли им вообще спать по ночам?

Уравнения Максвелла, объединенные в общую теорию в 1861 году, стали истинным венцом физики XIX века и уж, безусловно, всей физики в период между Ньютоном и Эйнштейном. И, как все великие открытия, указали путь для дальнейших усилий в деле унификации фундаментальных научных теорий.

Со времен Максвелла физики потратили немалые усилия в попытке разработать единую теорию четырех фундаментальных сил природы: электромагнитных сил, сильного и слабого ядерного взаимодействия и гравитации. Альберт Эйнштейн последние тридцать лет своей жизни пытался объединить электромагнетизм и гравитацию в теорию, которая впоследствии получила название единой теории поля, но все же не успел этого сделать.

Поиски продолжаются и доныне. В 1979 году физики Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг получили Нобелевскую премию за объединение электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия в то, что теперь известно как единое электрослабое взаимодействие. Многие физики по-прежнему пытаются объединить электрослабое и сильное ядерное взаимодействие в то, что назвали теорией великого объединения. Достижение такой степени унификации станет великим научным прорывом, на одном уровне с теорией Максвелла. А если каким-то образом, где-то когда-то кому-то из физиков посчастливится включить в теорию великого объединения гравитацию и создать то, что уже сегодня многие называют теорией всего, то это, безусловно, станет святым Граалем физики. Унификация – великая и мощная мечта.

Вот почему во время чтения курса «Электричество и магнетизм» я, описав уравнения Максвелла во всем их великолепии и простоте, проецирую их на стены и потолок лекционного зала и праздную эту важную веху со своими студентами, даря им цветы. Подождите еще немного и вы узнаете об этом больше в главе 15.

9. Сохранение энергии. Ничто не ново под луною…

Одна из самых популярных демонстраций, которые я показываю студентам вот уже много лет, заключается в том, что я, рискуя собственной жизнью, сую голову прямо под своего рода снаряд для сноса зданий – мини-версию шарового тарана, но такую, которая легко может убить, уверяю вас. Если настоящие тараны, используемые командами по сносу, обычно представляют собой огромную гирю, или сферический груз, весом 1000 килограммов, то я сделал свой из груза весом в 15 килограммов. Стоя в одной части лекционного зала с головой, прижатой к стене, я держу груз в руках прямо у подбородка. Отпускать его следует очень осторожно, чтобы не дать ему ни малейшего толчка, даже самого крошечного. Любой толчок непременно приведет к тому, что я буду травмирован, а то и убит, – так я говорю студентам. Я прошу их не отвлекать меня, не шуметь и даже прекратить на какое-то время дышать, в противном случае, сетую я, это может стать последней лекцией в моей жизни.

Должен признаться, что каждый раз, выполняя эту демонстрацию, я и правда чувствую мощный прилив адреналина, когда тяжелый шар пролетает рядом с моей головой. Я, конечно, совершенно уверен, что моя любимая физика меня спасет, но все равно всегда нервничаю, когда шар со свистом проносится совсем близко от моего подбородка. Инстинктивно я даже стискиваю зубы. И, если честно, всегда зажмуриваюсь! Что же, спросите вы, дает мне силы раз за разом проводить этот эксперимент? Полная и абсолютная уверенность в одной из самых важных концепций всех областей физики – законе сохранения энергии.

Среди самых замечательных особенностей нашего мира можно отметить способность одной формы энергии превращаться в другую, а затем в следующую и следующую, и даже обратно в исходную. Энергия может трансформироваться, но никогда никуда не исчезает и не появляется ниоткуда. По сути, такое преобразование происходит постоянно. Все цивилизации мира, не только развитые, но и самые технологически отсталые, зависят от этого процесса во множестве вариаций, что наиболее очевидно на примере еды. Химическая энергия пищи, в основном содержащаяся в углероде, преобразуется в химическое соединение аденозинтрифосфат (АТФ), который сохраняет энергию, а наши клетки используют ее для выполнения различных видов работ. То же самое происходит, когда мы зажигаем костер, превращая химическую энергию, хранящуюся в древесине или древесном угле (в процессе соединения углерода с кислородом), в тепло и углекислый газ. Именно это заставляет стрелу, выпущенную из лука, лететь по воздуху, преобразуя потенциальную энергию, увеличивающуюся при натяжении тетивы, в кинетическую, которая и движет стрелу вперед. В пистолете химическая энергия пороха превращается в кинетическую энергию быстро расширяющегося газа, выталкивающего пулю из ствола. А когда вы едете на велосипеде, энергия, толкающая педали, зарождается изначально как химическая энергия вашего завтрака или обеда, которую ваше тело преобразует в другую форму химической энергии (АТФ). Потом ваши мышцы используют ее, превращая некоторую ее часть в механическую энергию, чтобы сокращаться и расслабляться, благодаря чему вы и толкаете педали. Химическая энергия, хранящаяся в аккумуляторе вашего автомобиля, преобразуется в электрическую при повороте ключа зажигания. Часть электрической энергии идет к цилиндрам, где она воспламеняет смесь бензина, высвобождая химическую энергию горящего бензина. Затем эта энергия превращается в тепло, увеличивающее давление газа в цилиндре, который, в свою очередь, толкает поршни. Они вращают коленчатый вал, и трансмиссия направляет энергию в колеса, заставляя их крутиться. Благодаря этому удивительному процессу химическая энергия бензина позволяет нам ехать на автомобиле.