Истина и красота. Всемирная история симметрии. - Стюарт Иэн

Еще до того, в «Трактате о Свете», написанном в 1678 году, голландский физик Христиан Гюйгенс предложил другую теорию: свет — это волна. Эта теория четко объясняла отражение, преломление и дифракцию, ведь те же явления можно наблюдать, например, с волнами на воде. Эфир играл для света ту же роль, что вода — для волн в океане, т.е. роль того, что остается, когда волна прошла. Но Ньютон счел нужным на это возразить. Спор принял крайне запутанный характер, поскольку оба ученых мужа делали неверные допущения о природе обсуждавшихся волн.

Все изменилось, когда в дело вмешался Максвелл. И он стоял на плечах еще одного гиганта.

Электрические нагреватели, освещение, радио, телевидение, кухонные комбайны, микроволновые печи, холодильники, пылесосы и бесконечное количество промышленных машин и механизмов — все это возникло благодаря открытиям одного человека — Майкла Фарадея. Фарадей родился в 1791 году в Ньюингтон Батс в предместье Лондона (ныне — Слон и Замок). Он был сыном кузнеца и достиг высокого положения в науке в викторианскую эпоху. Отец его был сандеманианцем — членом небольшой протестантской секты.

В 1805 году Фарадей стал помощником переплетчика и принялся проводить научные опыты, в особенности по химии. Его интерес к науке заметно возрос, когда в 1810 году он вступил в городское Философское общество, представлявшее собой группу молодых людей, собиравшихся с целью поговорить о науке. В 1812 году ему достали приглашение на заключительные лекции, которые читал в Королевском Институте самый крупный британский химик сэр Гэмфри Дэви. Вскоре после того он обратился к Дэви на предмет работы; он получил аудиенцию, но вакансии в наличии не было. Однако после того, как ассистента Дэви, помогавшего ему в химической лаборатории, уволили за затеянную им драку, место досталось Фарадею.

С 1813 по 1815 годы Фарадей ездил по Европе с Дэви и его женой. Наполеон успел выдать Дэви паспорт, в который был вписан камердинер, так что Фарадею пришлось принять эту роль. Определенное беспокойство ему доставлял тот факт, что жена Дэви Джейн воспринимала эту должность буквально и требовала, чтобы он выполнял обязанности ее слуги. В 1821 году судьба повернулась к Фарадею лицом: его повысили, и он женился на Саре Барнард, дочери видного сандеманианца. Более того, его исследования по электричеству и магнетизму начали приносить интересные результаты. Развивая более ранние исследования датского ученого Ханса Эрстеда, Фарадей открыл, что электричество, протекающее через виток проволоки вблизи магнита, создает силу[51]. На этом основана работа электрического двигателя.

Интенсивность его исследований несколько уменьшилась в силу свалившихся на него административных и преподавательских обязанностей, хотя в том была и положительная сторона: в 1826 году он организовал чтение вечерних лекций по науке, а также учредил Рождественские лекции для молодежи; и те и другие продолжаются и поныне. В наши дни Рождественские лекции передают по телевидению, которое само по себе составляет еще одно благо, в конечном счете ставшее возможным благодаря открытиям Фарадея. В 1831 году, вернувшись к своим опытам, он открыл электромагнитную индукцию. Это открытие изменило промышленный ландшафт девятнадцатого столетия, потому что привело к созданию электрических трансформаторов и генераторов. Эксперименты привели Фарадея к выводу, что электричество должно быть не флюидом, как это тогда считалось, а некоторой силой, действующей между частицами материи.

Известность в науке, как правило, сопряжена с честью занятия какой-либо административной должности, что немедленно убивает ту самую научную активность, признанием которой эта должность и явилась. Фарадей стал научным советником в Тринити Хаус, основной задачей которого было следить за безопасностью британских морских путей для судоходства. Он изобрел новую, более эффективную масляную лампу, которая давала более яркий свет.

В 1840 году он стал старостой в сандеманианской секте, но здоровье его начало ухудшаться. В 1858 году ему предоставили бесплатное проживание в бывшем королевском дворце Хэмптон Корт — «Красе и Гордости» Генриха VIII.

Фарадей умер в 1867 году и похоронен на кладбище Хайгейт.

Изобретения Фарадея произвели революцию в викторианском мире, но (быть может, из-за отсутствия должного начального образования) Фарадей был не силен в теории, и его объяснения изобретений основывались на забавных механических аналогиях. В 1831 году — в год, когда Фарадей открыл, как превратить магнетизм в электричество — в семье шотландского юриста родился сын (как оказалось, единственный). Юрист главным образом интересовался управлением своими земельными владениями, однако же достаточно серьезно отнесся к образованию молодого Джеймси, официально известного как Джеймс Клерк Максвелл.

Джеймси был смышленым мальчиком, которого занимали механизмы. «Как это? — постоянно спрашивал он. — Как оно такое делает?» Другим вопросом был «Какая от этого польза?» Его отец, разделявший подобные пристрастия, изо всех сил старался дать объяснение. И если это объяснение не вполне удовлетворяло Джеймси, то он задавал дополнительный вопрос: «Какая именно от этого польза?»

Мать Джеймса умерла от рака, когда мальчику было девять; потеря сблизила отца и сына. Мальчика отдали в Эдинбургскую Академию, которая специализировалась по классическим дисциплинам и где от учеников требовалось быть аккуратными и подтянутыми, хорошо знать стандартные предметы и ни в коем случае не позволять себе никаких оригинальных мыслей, потому что таковые нарушали ровное течение образовательного процесса. Джеймси не вполне соответствовал пожеланиям учителей; не помогло даже то, что его отец, одержимый идеей практичности, придумал сыну специальные одежду и обувь, включая сборчатую тунику, украшенную тесьмой. Дети прозвали Джеймса Дуралей. Но Джеймс отличался упорством и добился уважения к себе, хоть и продолжал порой вызывать недоумение у своих сверстников.

По крайней мере одно в школе положительно повлияло на Джеймса: у него возник интерес к математике. В письме к отцу он сообщает, что сделал «тетра эдр, додека эдр и еще два других эдра, которые я точно не знаю как называются». (Надо полагать, окта и икоса.) К 14 годам он получил премию за независимое изобретение определенного класса математических кривых, известных как Декартовы овалы — по имени их первооткрывателя Декарта. Его статью прочли на заседании Эдинбургского Королевского Общества.

Джеймс, кроме того, писал стихи, но математические способности все же превалировали. В возрасте 16 лет он поступил в Эдинбургский университет, а потом продолжил обучение в Кембриджском университете — лучшем университете в Британии в том, что касалось математики. Уильям Хопкинс, готовивший его к экзаменам, говорил, что Джеймс был «самым необыкновенным человеком из всех, кого мне доводилось встречать».

Джеймс получил диплом и остался в Кембридже в аспирантуре, занимаясь опытами со светом. Там он прочитал «Экспериментальные исследования» Фарадея и начал изучать электричество. Если отбросить все подробности, то в конце концов он взял фарадеевы механические модели электромагнитных явлений и к 1864 году отфильтровал их в систему из четырех математических законов. (В применявшихся тогда обозначениях их число было больше четырех, но в используемых в наши дни векторных обозначениях их четыре. Есть варианты формализма, в которых все сводится к одной формуле.) Эти законы описывают электричество и магнетизм в терминах двух «полей» — электрического и магнитного, — которые пронизывают все пространство. Эти поля описывают не просто интенсивность электричества или магнетизма в каждой конкретной точке, но и их направления.

Четыре уравнения имеют простой физический смысл. Два из них говорят нам, что электричество и магнетизм нельзя ни создать, ни уничтожить. Третье описывает, как изменяющееся во времени магнитное поле создает окружающее электрическое поле; это уравнение в математическом виде воплощает открытие индукции Фарадеем. Четвертое описывает, как изменяющееся во времени электрическое поле воздействует на окружающее магнитное поле. Даже будучи просто выражены в словах, эти уравнения не лишены изящества.