28 октября 1831 г. Фарадей записал в лабораторном журнале замечательное наблюдение. В момент щелчка тумблера, включающего ток в проводе, намотанном на железное кольцо, чтобы намагнитить железо, возникал короткий всплеск тока в другом проводнике, намотанном на то же самое железное кольцо. Было ясно, что простое присутствие поблизости магнита не могло вызвать электрический ток в проводнике, но вот включение и выключение этого магнита – могло. Немного позже Фарадей показал, что эффект наблюдается и в том случае, когда магнит движется вблизи проводника. Когда магнит приближается к проводу или удаляется от него, в проводе возникает ток. Точно так же, как движущийся заряд становится магнитом, движущимся магнитом – или магнитом переменной силы – каким-то образом порождает электродвижущую силу и ток в близлежащем проводнике.
Если глубокие теоретические следствия из этого простого и удивительного факта не очевидны вам с первого взгляда, можно это простить, поскольку следствия эти весьма тонкие и для их понимания потребовался величайший теоретический ум XIX столетия.
Чтобы как следует обозначить проблему, нам необходима концепция, которую ввел сам Фарадей. Он почти не имел формального образования и был практически самоучкой, а потому всегда испытывал трудности с математикой. В другом, также, вероятно, недостоверном анекдоте ученый даже хвастался тем, что во всех своих публикациях лишь однажды использовал математическое уравнение. Разумеется, он никогда не описывал свое важнейшее открытие магнитной индукции на математическом языке.
Из-за проблем с абстрактной математикой Фарадей вынужден был думать в картинках и воспринимать физические законы, стоящие за его наблюдениями, интуитивно. В результате он сформулировал идею, ставшую краеугольным камнем всей современной физической теории, и разрешил загадку, мучившую Ньютона до конца дней.
Фарадей спрашивал себя: как один электрический заряд «узнаёт» о присутствии на некотором расстоянии другого электрического заряда, чтобы на него отреагировать? Этим же вопросом в отношении гравитации задавался в свое время и Ньютон: как Земля «узнаёт», что надо именно так отзываться на гравитационное притяжение Солнца? Как гравитационная сила передается от одного тела к другому? На это Ньютон дал свой знаменитый ответ: «Hypotheses non fingo» («Гипотез не измышляю»), имея в виду, что он сформулировал закон, определяющий силу притяжения между телами, показал, что его предсказания соответствуют наблюдениям, и этого достаточно. Впоследствии многие из нас, физиков, прибегали к подобной защите, когда нас просили объяснить различные странные физические результаты, особенно в квантовой механике, где математика работает, а вот физическая картина зачастую выглядит безумно.
Фарадей вообразил, что каждый электрический заряд может быть окружен электрическим «полем», которое вполне можно мысленно представить. Он видел это поле как пучок линий, радиально расходящихся от заряда. Линии поля, по идее, следовало снабдить стрелками, указывающими наружу, если заряд положителен, и внутрь, если отрицателен.
Далее он представил себе, что число линий поля увеличивается с ростом величины заряда.
Теперь благодаря этим мысленным картинкам Фарадей мог интуитивно представить, что произойдет, если поднести к этому заряду другой заряд, пробный, и почему должно произойти именно это. (Всякий раз, когда я употребляю разговорное вопросительное слово «почему», я на самом деле подразумеваю «каким образом».) Пробный заряд должен почувствовать «поле» первого заряда, где бы этот пробный заряд ни находился, причем величина силы взаимодействия будет пропорциональна числу линий поля в соответствующей области, а направлена эта сила будет вдоль линий поля. Так, к примеру, здесь тестовый заряд будет отталкиваться в указанном направлении.
С картинками Фарадея можно делать не только это. Представьте два заряда, помещенных рядом друг с другом. Поскольку линии поля начинаются на положительном заряде, а заканчиваются на отрицательном и к тому же никогда не пересекаются, интуитивно почти понятно, что линии поля между двумя положительными зарядами должны отталкивать друг друга и, соответственно, раздвигаться, тогда как между положительным и отрицательным зарядами они должны соединяться между собой.
Опять же, если где-то поблизости от этих двух зарядов поместить пробный заряд, на него будет действовать сила, направленная вдоль этих линий поля и пропорциональная по величине числу линий в соответствующей области.
Таким образом, Фарадей наглядно изображал природу электрических сил, действующих между частицами, что освобождало его от необходимости решать алгебраические уравнения, описывающие электрические силы. И что самое поразительное в этих картинках – математика в них отражена точно, а не приближенно.
Аналогичный графический способ отображения можно применить и к магнитам с магнитными полями, представляющими силы взаимодействия между магнитами (их экспериментально подтвердил Кулон), и к проводникам с током (законы взаимодействия для них вывел Андре-Мари Ампер). (До Фарадея все основные исследования законов электричества и магнетизма осуществлялись французами.)
Воспользовавшись этими ментальными костылями, мы можем попробовать заново описать открытое Фарадеем явление магнитной индукции следующим образом: возрастание или убывание числа линий магнитного поля, проходящих через проволочную рамку, вызовет в ней появление тока.
Фарадей быстро понял, что его открытие даст возможность преобразовывать механическую энергию в электрическую. Если прикрепить проволочную рамку к лопасти, которую заставляет вращаться, скажем, сила текущей воды, как в случае водяного колеса, и все это вместе окружить магнитом, то при повороте лопасти число линий магнитного поля, проходящих сквозь рамку, будет непрерывно меняться и в рамке станет постоянно возбуждаться ток. Вуаля – дальше идут Ниагарский водопад, гидроэнергетика и современный мир!
Одного этого было бы вполне достаточно, чтобы закрепить репутацию Фарадея как величайшего физика-экспериментатора XIX века. Но Фарадея мотивировала не технология как таковая, что еще возвышает его в моих глазах; больше всего я уважаю его за глубокое благоговение перед тайнами природы и готовность делиться своими открытиями со всеми, кто пожелает. Я уверен, он согласился бы, что главная польза, приносимая наукой, – изменение наших фундаментальных представлений о месте человека в мироздании. И в конечном итоге именно в этом был результат деятельности Фарадея.
Не могу не вспомнить о другом великом физике-экспериментаторе, более близком к нам по времени, – о Роберте Уилсоне, который уже в возрасте двадцати девяти лет возглавил Исследовательский отдел в Лос-Аламосе, где в ходе Манхэттенского проекта разрабатывалась атомная бомба. Много лет спустя он стал первым директором Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс). Когда Лаборатория Ферми еще строилась, в 1969 г. Уилсона вызвали в конгресс, чтобы он обосновал необходимость расходования значительных сумм на этот экзотический новый ускоритель, который должен был исследовать фундаментальные взаимодействия элементарных частиц. На вопрос о том, полезен ли будет этот ускоритель для национальной безопасности (что с легкостью оправдало бы расходование средств в глазах членов комитета конгресса), он храбро ответил: «Нет», – но:
Он имеет отношение всего лишь к тому уважению, с которым мы относимся друг к другу, к человеческому достоинству, к нашей любви к культуре… Он имеет отношение к вопросу о том, являемся ли мы
