Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме - Карл Саган

Но что же такое эти переменные магнитные и электрические поля, охватывающие все пространство? Что значат эти Е и В? Нам куда ближе представление о вещах, соприкасающихся, толкающихся, тянущих друг друга, чем о каких-то полях, которые будто по волшебству двигают предметы на расстоянии, и уж вовсе чужды обычному разумению математические абстракции. Фейнман, однако, напоминает: бытовое восприятие «солидных физических реалий» — берешь, скажем, кухонный нож в руку и держишь — с физической точки зрения ошибочно. Что мы подразумеваем под физическим контактом? Что на самом деле происходит, когда берешь в руки нож, толкаешь качели, давишь на водяной матрас, и по нему пробегают волны? Глубинное исследование показывает, что физического контакта в привычном смысле слова нет: электрические заряды в руке влияют на электрические заряды рукояти ножа, качелей, водяного матраса, и это влияние взаимно. Вопреки повседневному опыту и здравому смыслу даже тут речь идет исключительно о взаимодействии электрических полей. Напрямую ничто ни с чем не соприкасается.

Никто из ученых не пускается в свой нелегкий путь, одержимый страстью побороть здравый смысл и заменить его какими-нибудь математическими абстракциями, понятными лишь парочке теоретиков. Нет, ученые люди, как и все, начинают со стандартных, подсказанных здравым смыслом и удобных представлений. Вот только природа не желает подстраиваться под наше удобство. И как только мы перестаем требовать, чтобы природа вела себя как полагается, а вместо этого с открытым и непредвзятым разумом всмотримся в природу, выяснится, что наш «здравый смысл» тут неприменим. Почему? Потому что наши представления о природе — и унаследованные, и благоприобретенные — складывались в те миллионы лет, когда наши предки были собирателями и охотниками. Они могли положиться на здравый смысл, ибо жизнь собирателей и охотников никак не зависит от теории переменных электрических и магнитных полей. За незнание уравнений Максвелла эволюция наказаний не предусматривала. В наше время все обстоит по-другому.

Уравнения Максвелла показывают, что быстро меняющееся электрическое поле (большое Е) порождает электромагнитные волны. В 1888 г. немецкий физик Генрих Герц провел эксперимент и обнаружил новый вид излучения — радиоволны. Семь лет спустя кембриджским ученым удалось передать радиосигнал за километр. В 1901 г. итальянец Маркони уже общался с помощью радиоволн с другим берегом Атлантического океана.

Экономическими, культурными, политическими связями, которые пронизывают весь современный мир, от радиовышки к радиовышке, а также радиорелейными линиями и спутниками связи мы обязаны гениальному решению Максвелла: включить в уравнения для вакуума ток смещения. Отсюда же родом и телевидение, с его не всегда удачными наставлениями и развлечениями, и радар, сыгравший решающую роль в Битве за Британию[135] и в конечном поражении нацистов (тот мальчик-ботан, не вписывавшийся в свою среду, дотянулся в будущее и спас потомков своих насмешливых одноклассников). Отсюда же — навигационная система самолетов, кораблей и ракет, радиоастрономия и поиски внеземного разума, всевозможные применения электричества, микроэлектроника.

Более того, разработанная Фарадеем и Максвеллом теория поля оказала огромное влияние на концепцию атомного ядра, на квантовую механику и представление о тонкой структуре материи. Объединив электричество, магнетизм и свет во взаимосвязанных математических уравнениях, Максвелл вдохновил физиков на дальнейшие поиски единства физического мира в целом. Отчасти эти усилия объединить все силы, в том числе гравитацию и ядерные взаимодействия, оказались успешными, отчасти еще только начинаются. Максвелла с полным правом можно именовать родоначальником физики новой эры.

Современные представления о безмолвном мире, где работают просчитанные Максвеллом вектора переменного электрического и магнитного поля, Ричард Фейнман подытоживает в следующих словах:

Попытаемся вообразить, как выглядят электрическое и магнитное поле в данный момент, в пространстве этого лекционного зала. Прежде всего, здесь действует постоянное магнитное поле, происходящее от потоков внутри Земли. Это постоянное магнитное поле Земли. Далее нерегулярные, почти статичные электрические поля, порождаемые трением людей о сидения, соприкосновением рукавов с подлокотниками кресел.

Другие магнитные поля возникают из-за колеблющихся токов в электропроводке. Эти поля изменяются с частотой 60 циклов в секунду синхронно с генератором на электростанции на плотине Гувера. Интереснее электрические и магнитные поля, меняющиеся с гораздо большей частотой. Например, пока луч света проходит от окна до пола и от стены к стене, на его пути возникают крошечные электрические и магнитные поля, движущиеся со скоростью 300 000 км/с. Существует также инфракрасное излучение — от теплых тел к холодной доске. И не будем забывать ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и радиоволны — все они проходят сквозь эту комнату.

Через помещение проходят электромагнитные волны, несущие музыку джаз-банда. Другие волны, модулируемые цепочкой импульсов, передают картины событий, которые происходят в других частях света, или демонстрируют, как воображаемая таблетка аспирина растворяется в воображаемом желудке. Чтобы доказать реальность этих волн, всего-то и требуется — включить электронное оборудование, которое превратит их в картины и звуки.

Если мы углубимся в детали, пытаясь анализировать малейшие колебания, то вспомним и о малюсеньких электромагнитных волнах, которые доносятся к нам с огромного расстояния. Сейчас тут имеются, например, маленькие всплески, гребни которых разделены десятками сантиметров, а явились они, преодолев миллионы километров, с борта космического корабля «Маринер», который только что прошел мимо Венеры. Эти сигналы передают информацию о планетах (информацию, которая, в свою очередь, получена из электромагнитных волн, движущихся от планет к космическому кораблю).

И есть совсем незаметные электрические и магнитные поля, порожденные волнами, которые возникли миллиарды лет тому назад в дальних галактиках, в неведомых уголках Вселенной. Мы установили это, «заполнив пространство прослушкой» — построив антенны величиной с этот зал. С их помощью были обнаружены радиоволны из тех районов Вселенной, которые недоступны для крупнейшего оптического телескопа.

Да и функция оптических телескопов сводится все к тому же улавливанию электромагнитных волн. «Звезды» — экстраполяция той единственной физической реальности, с который мы соприкасаемся: мы вычисляем их, тщательно изучая сложнейшие колебания электрических и магнитных полей, достигающих Земли.

И список можно продолжить: поля, порожденные ударившей в десятках километров от нас молнией, поля заряженных космических частиц, проносящихся через комнату, и многое, многое другое. Какая сложная штука — окружающее нас электрическое поле!

Если бы королева Виктория созвала своих советников и министров и распорядилась срочно изобрести радио и телевидение, едва ли кто-нибудь из них мог бы предугадать, какой путь поведет от открытий Ампера, Био[136], Эрстеда и Фарадея, четырех векторных уравнений и решения сохранить ток замещения в вакууме. Полагаю, в 1860 г. проект «Вестминстер» не осуществился бы. А тем временем, сам по себе, руководствуясь лишь любопытством и почти ни гроша не стоя властям, ботан набрасывал свои формулы и даже не догадывался, к какому технологическому прорыву они приведут. Застенчивый, не умеющий вести себя в обществе мистер Максвелл вряд ли замахнулся бы на «общественно полезные» изобретения, а решись он, правительство разъяснило бы ему, над чем следует работать, а над чем не стоит, и не помогло бы его исследованиям, а сорвало бы их.

Но под конец жизни Максвелл и впрямь удостоился аудиенции у королевы Виктории.

Он готовился к этой встрече с большим волнением, прикидывал, как объяснить научные загадки непосвященному, но королева не слишком-то заинтересовалась, и аудиенция вскоре закончилась. Максвелл так и не удостоился рыцарского звания, как и четверо других его великих современников — Майкл Фарадей, Чарльз Дарвин, Поль Дирак[137] и Фрэнсис Крик[138]. Лайелю[139] Кельвину[140], Дж. Дж. Томсону[141], Резерфорду[142], Эддингтону[143] и Хойлу в этом отношении повезло больше. Максвелла нельзя было даже упрекнуть в разногласиях с Англиканской церковью: он был полностью привержен тогдашнему традиционному христианству, многих даже превосходил набожностью. Наверное, все дело в том, что он — ботан.