Все результаты Ньютона, включая и первоначальный, можно объяснить очень просто, если считать, что белый свет действительно представляет собой набор различных цветов, – это он понял верно. Но их невозможно объяснить, если считать, что свет состоит из разноцветных частиц. На самом деле правильнее сказать, что свет состоит из волн разной длины.
Оппоненты Ньютона не собирались сдаваться, несмотря даже на растущую популярность Ньютона и смерть его главного соперника Гука. Они не сдались даже после избрания Ньютона президентом Королевского общества в 1703 г. – в том самом году, когда он опубликовал наконец результаты своих исследований по свету в грандиозном труде «Оптика». Более того, споры о природе света продолжали бушевать еще целый век.
Проблема волновой картины света отчасти заключалась в вопросе: «Волной чего, собственно, является свет?» И если свет – волна, то, поскольку все известные волны требуют для своего распространения какой-то среды, в какой именно среде распространяется световая волна? Эти вопросы ставили всех в тупик настолько, что сторонникам волновой теории пришлось вновь возродить идею некоей невидимой субстанции, пронизывающей все пространство, – идею эфира.
Решение этой головоломки, как часто бывает в подобных ситуациях, пришло из совершенно неожиданного уголка физического мира – уголка, полного искр и вращающихся колес.
Когда я стал молодым профессором Йельского университета, мне повезло получить в свое распоряжение громадный старинный кабинет, освободившийся после ухода в отставку столь же почтенного возраста коллеги, который оставил висящую на стене фотографию Майкла Фарадея, сделанную в 1861 г. С тех пор я бережно храню ее.
Меня не привлекает культ героев, но если бы привлекал, то Фарадей оказался бы в моем списке героев в числе первых. Возможно, именно ему больше, чем любому другому ученому XIX века, мы обязаны технологиями, приводящими в движение нашу нынешнюю цивилизацию. При этом он не имел почти никакого формального образования и в четырнадцать лет стал учеником переплетчика. Много позже, получив уже всемирное признание за вклад в науку, он продолжал держаться своих скромных корней; Фарадей отказался от рыцарского звания и дважды – от поста президента Королевского общества. Позже он отказался консультировать британское правительство по вопросу производства химического оружия для использования в Крымской войне, сославшись на этические соображения. Кроме того, на протяжении более чем тридцати трех лет читал в Королевском институте серию рождественских лекций, призванных внушить молодым людям интерес к естественным наукам. Можно ли этим не восхищаться?
Хотя как человек Фарадей заслуживает всяческого уважения, для нашего рассказа важен ученый. Первый научный урок Фарадея, о котором я всегда рассказываю своим студентам, звучит так: всегда старайтесь угодить своим профессорам. В возрасте двадцати лет Фарадей, отработав семь лет подмастерьем переплетчика, стал посещать лекции знаменитого химика Хэмфри Дэви, тогдашнего главы Королевского института. После цикла лекций Фарадей преподнес Дэви красиво переплетенную книгу в триста страниц, содержавшую сделанные Фарадеем конспекты лекций. Не прошло и года, как Фарадей стал секретарем Дэви, а вскоре после этого получил место ассистента-химика в Королевском институте. Позже Фарадей узнал, что́ бывает, если поступить противоположным образом. После серии ранних, но весьма значительных проведенных им экспериментов Фарадей сгоряча забыл, публикуя результаты, отметить вклад Дэви. Именно этой случайной обидой объясняется, вероятно, то, что Дэви перевел Фарадея на другие работы и тем самым на несколько лет задержал его исследования, которым суждено было изменить мир.
До перевода на другой участок Фарадей работал в «горячей» области научных исследований: вдохновившись результатами датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, он изучал новооткрытые связи между электричеством и магнетизмом. Эти две силы кажутся совершенно разными, но обладают странными сходными чертами. Электрические заряды могут притягиваться или отталкиваться. То же делают и магниты. Но при этом у магнитов, судя по всему, всегда имеется по два полюса – северный и южный, которые невозможно отделить друг от друга и изолировать, тогда как электрические заряды могут быть положительными или отрицательными по отдельности.
Ученые и философы уже некоторое время задумывались над тем, нет ли каких-то скрытых связей между этими двумя силами, и первое эмпирическое свидетельство этого обнаружил Эрстед, по существу случайно. В 1820 г., читая лекцию, он заметил, что стрелка компаса отклоняется от направления север – юг, когда рядом включается электрический ток от батареи. Через несколько месяцев Эрстед продолжил свои наблюдения и обнаружил, что поток движущихся электрических зарядов, который мы сегодня называем просто электрическим током, порождает магнитное притяжение, заставляющее стрелку компаса вставать по касательной к окружности, проведенной вокруг провода с током.
Так Эрстед проторил новую тропу. Среди ученых известия распространяются быстро; новость разошлась по континенту, затем перелетела Ла-Манш. Движущиеся электрические заряды порождают магнитную силу. Может быть, есть и другие связи? Могут ли магниты, в свою очередь, оказывать влияние на электрические заряды?
Некоторое время ученые безуспешно занимались поисками такой возможности. Дэви и один из его коллег пытались построить электрический двигатель на основе обнаруженной Эрстедом связи, но не преуспели в этом. Фарадей же в конечном итоге заставил проводник с протекающим в нем током двигаться вокруг магнита, в результате чего действительно получил своего рода примитивный мотор. Именно об этом интереснейшем открытии он сообщил без упоминания имени Дэви.
Следует признать, что отчасти это «открытие» было просто забавным трюком. Фарадей не открыл здесь никаких новых фундаментальных явлений. Возможно, именно эта история послужила рациональной основой для одного из моих любимых исторических анекдотов о Фарадее (скорее всего, недостоверного). Рассказывают, что Уильям Глэдстоун, позже ставший премьер-министром Британии, услышал про лабораторию Фарадея, полную странных причудливых устройств, и задал в 1850 г. вопрос о том, какую практическую ценность имеют все эти исследования электричества. Фарадей, как утверждается, ответил на это: «Вполне возможно, сэр, что скоро вы сможете обложить это налогом».
Достоверна эта история или нет, в остроумном ответе экспериментатора содержится одновременно и великая ирония, и великая истина. Исследования, движимые человеческим любопытством, могут показаться занятием эгоистичным и далеким от сиюминутной общественной пользы. Однако, по существу, все наше нынешнее качество жизни (для тех, конечно, кто живет в так называемом первом мире), включая и электричество, питающее чуть ли не все используемые нами устройства, представляет собой плоды именно таких исследований.
Через два года после смерти Дэви в 1829 г. и через шесть лет после того, как Фарадей стал директором лаборатории Королевского института, он сделал открытие, навсегда закрепившее за ним репутацию величайшего физика-экспериментатора XIX столетия, – он открыл магнитную индукцию. Начиная с 1824 г. он пытался понять, может ли магнетизм изменять ток, идущий по расположенному рядом проводнику, или иным способом порождать электродвижущую силу, действующую на заряженные частицы. В первую очередь он хотел понять, может ли магнетизм порождать электричество, подобно тому, как, согласно исследованиям Эрстеда, электричество (и, в
