Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Мир, полный демонов наука – как свеча во тьме
.pdf
Максвелл и ботаны ˙ 461
Сами ученые тоже подпадают под стереотип: зануды,
социально неприспособленные люди, занимаются непонятными вопросами, какими ни один нормальный человек
не заинтересуется — даже если бы не пожалел на это времени, но опять-таки у нормального человека на такие глупости
времени нет. Жили бы нормальной жизнью — вот что хочется
этим ботанам посоветовать.
Я попросил некоего эксперта по одиннадцатилеткам из числа моих знакомых кратко перечислить основные характеристики ботанов. Подчеркиваю: эта моя знакомая лишь излагает, но не разделяет ходячие предрассудки.
«Ботаны затягивают ремень прямо под грудью. В нагрудном
кармане рубашки — защитная прокладка, туда они запихивают до ужаса много разноцветных ручек и карандашей. В специальной кобуре на поясе — калькулятор. У них у всех очки с толстыми стеклами, перемычка сломана и склеена пластырем.
Общаться не умеют и сами не замечают за собой этого недостатка или не парятся по этому поводу. Не смеются, а ржут. Болтают друг с другом на непонятном жаргоне. Записываются на все
факультативы, кроме спорта. Смеются над нормальными людьми, а те плевать на них хотели. Зовут их по большей части Норманами [Ага, а Нормандское завоевание — орда высокоподпоясанных и с калькуляторами на поясах ботанов, вторгшихся в Англию.] Ботанами чаще бывают мальчики, чем девочки,
но и девочек тоже хватает. Ботаны не ходят на свидания. Ботаны
не бывают клевыми. И клевые не бывают ботанами, само собой».
Разумеется, это стереотип. Некоторые ученые прекрасно
одеваются, есть среди них и клевые, и потрясные, о свидании
с которыми девушки только мечтают, и далеко не все являются в общество, вооружившись калькуляторами. В иных вы бы
ни за что не опознали ученых, принимая их у себя дома.
Но есть и такие ученые, которые более-менее подходят
под стереотип. У них действительно проблемы с общением.
И вероятно, среди ученых куда больше ботанов, чем среди операторов снегоуборочных машин, дизайнеров модной одежды
и инспекторов дорожного транспорта. Возможно, ученые боль-
462 ˙ Мир, полный демонов
ше похожи на ботанов, чем бармены, хирурги или повара фастфуда. Почему? Например, потому, что люди, которым общение
дается с трудом, ищут убежища в занятиях, где человеческая
составляющая сведена к минимуму, особенно в математике и естественных науках. Или же прилежное изучение таких
трудных предметов отнимает столько времени, что не остается сил на тонкости этикета. Или тут действуют оба фактора.
Стереотип ботана столь же широко распространен в нашем
обществе, как и образ чокнутого ученого, да они и родственны. Чем плохо, что люди немного позубоскалят насчет ученых?
А тем, что если кому-то не по душе стереотипный образ ученого, то и науке поддержку не окажут. Зачем помогать этим
придуркам в их нелепых, никому непонятных, бессмысленных
проектах? Нет, мы-то знаем, зачем: науку нужно финансировать, потому что она приносит неисчислимые блага всем слоям
общества. Об этом я уже говорил в предыдущих главах. А значит, у тех, кому противны ботаны, однако желанны плоды науки, возникает проблемка. Напрашивается решение: управлять
деятельностью ученых. Не давать им денег на всякие глупости, а определить наши нужды — пусть изобретут то-то и то-то,
наладят такой-то процесс. Не будем финансировать любознательность ботанов, направим все средства на благо общества.
Беда в том, что, если скомандовать человеку — иди и сделай
такое-то открытие — это едва ли поможет, сколько ни заплати.
Может быть, знаний не хватает, наука еще не дошла до того, чтобы создать нужный «обществу» прибор. К тому же история науки
показывает, что изобретения редко делаются в лоб. Они рождаются, к примеру, в уме одинокого юноши, праздно мечтающего
в захолустье. Порой специалисты пренебрегают ими, отбрасывают, пока не явится новое поколение ученых. Так что поощрять
крупные практические изобретения, одновременно давя научную любознательность, — на редкость безнадежное занятие.
Вообразите себя Викторией, милостью божьей повелительницей Соединенного королевства Великобритании и Ирлан-
Максвелл и ботаны ˙ 463
дии, защитницей веры и прочая и прочая. На дворе — самое
славное и богатое столетие Британской империи. Ваши владения простираются по всей земле. Карта мира изобильно окрашена британским красным цветом. Вы стоите во главе самой
технологической державы мира. Паровой двигатель доведен
до совершенства именно в Британии в основном силами шотландских инженеров: они строят железные дороги и пароходы,
соединяя дальние концы империи.
И вот в 1860 г. вам приходит в голову дерзкая мысль, настолько фантастическая, что ее отвергли бы даже издатели Жюля Верна: вы хотите создать аппарат, который разнес бы ваш голос
и подвижные картины с изображением славы и красы империи
по всем домам королевства. И пусть эти звуки и картины передаются не по трубам или проводам, а как-нибудь по воздуху, чтобы и работники в поле слышали вдохновенные призывы, внушающие им верность трону и трудовую этику. По тем же каналам,
разумеется, будет передаваться и слово Божие. Найдутся этому
аппарату и другие общественно-полезные применения.
Итак, при поддержке премьер-министра вы созываете кабинет, генеральный штаб и лучших ученых и инженеров империи. Вы готовы вложить миллион фунтов, говорите вы им, —
огромные деньги по меркам 1860 г. Нужно больше — только скажите. Неважно, как они добьются этой цели, только бы
получилось. И назовем это проект «Вестминстер».
Возможно, из вашей затеи родятся кое-какие полезные открытия — побочный продукт. Так всегда бывает, когда в развитие
технологий закачивают большие деньги. Но проект «Вестминстер» как таковой почти наверняка провалится. Почему? Потому что теоретическая наука еще не добралась до такого уровня.
К 1860 г. уже существовал телеграф. Если не пожалеть затрат,
можно было в каждом доме установить телеграф, чтобы люди расшифровывали тире и точки морзянки. Но ведь королева хотела
не этого. Ей подавай радио и телевидение, а до этого еще далеко.
В реальном мире открытия, благодаря которым появятся радио и телевидение, были сделаны в совсем иной области
физики — там, где никто не мог бы этого ожидать.
464 ˙ Мир, полный демонов
В 1831 г. в столице Шотландии Эдинбурге появился на свет
Джеймс Клерк Максвелл. Ему было два года, когда он сообразил: с помощью жестяной тарелки можно поймать солнечный зайчик и направить его на стены или мебель. Родители прибежали на радостный вопль: «Это Солнце! Я поймал
его в тарелку!» В детстве его интересовали жуки и червяки,
камни, цвета, линзы, механизмы. «Прямо-таки унизительно, когда маленький ребенок задает тебе столько вопросов,
на которые ты не можешь ответить», — вспоминала его тетя
Джейн.
К тому времени, как Максвелл пошел в школу, он успел
заработать прозвище Идиот и со стороны действительно могло показаться, будто у него не все дома. На редкость красивый
молодой человек одевался кое-как, заботясь лишь об удобстве,
а не о моде. Смеялись, особенно в колледже, и над его провинциальными шотландскими ухватками, речью и поведением.
Да и наклонности у юноши были странные.
Самый настоящий ботан.
С учителями он ладил не больше, чем со сверстниками.
В школе Максвелл написал прочувствованные строки:
Катитесь, годы, поспешай к нам, время,
Когда детей пороть сочтут за преступленье.
Много лет спустя, в 1872 г., в торжественной речи при вступлении на кафедру экспериментальной физики Кембриджского
университета Максвелл затронул стереотип ботана:
Не так давно всякий человек, увлекавшийся геометри-
ей или любой другой наукой, требующей прилежания,
считался заведомым мизантропом, позабывшим, конеч-
но же, обо всем человеческом и предавшимся интере-
сам столь далеким от деятельной жизни, что он сделался
нечувствителен и к приманкам удовольствия, и к требо-
ваниям долга.
Подозреваю, что «не так давно» относится к собственным
переживаниям Максвелла. И далее он сказал:
Максвелл и ботаны ˙ 465
В наше время на людей науки уже не смотрят с прежним
страхом и подозрением. Они сделались союзниками духа
эпохи, они — своего рода передовая партия радикалов среди образованных.
Что до нашего времени, оптимизм по поводу благодеяний
науки и техники поугас. Мы видели и обратную их сторону.
Сейчас ситуация больше похожа на ту, о которой вспоминал
Максвелл, — ту, что была в пору его детства.
Максвелл внес огромный вклад в физику и астрономию. Он
окончательно доказал, что кольца Юпитера состоят из мельчайших частиц, обнаружил упругость твердых тел, разработал
теорию движения газов и статистическую механику. Он первым доказал, что огромное количество крошечных молекул,
которые двигаются независимо и сталкиваются друг с другом,
не порождают хаос, но подчиняются точным статистическим
законам. Свойства газа, состоящего из таких частиц, можно предсказать и описать. (Колоколообразная кривая, отражающая скорости молекул газа, названа именами Максвелла
и Больцмана.) Изобрел Максвелл и мифическое существо —
«демона Максвелла», чьи действия приводят к парадоксу, подвластному лишь современной теории информации и квантовой механике.
Природа света оставалась тайной со времен античности.
Не утихали ожесточенные споры, состоит ли свет из частиц
или волн. Широкая публика доходила в пародиях на эти споры
до лозунга: «Свет — это вспыхнувшая тьма». Главным вкладом Максвелла в науку стало открытие, что электрические
и магнитные силы совместно порождают свет. Привычное
ныне понимание электромагнитного спектра волн — от гамма-лучей до рентгеновских, от ультрафиолетового до видимого света, от инфракрасного до радиоволн — заслуга Максвелла. И в конечном счете его заслуга — радио, телевидение
и радар.
Но Максвелл вовсе не гнался за этими открытиями. Он хотел
разобраться, каким образом электричество порождает магне-
466 ˙ Мир, полный демонов
тизм, а магнетизм — электричество. Я хотел бы разъяснить
тут, что именно сделал Максвелл, но его исторические заслуги
заключены в математические формулы, и на этих страницах
я могу передать разве что вкус этих открытий. Если не вполне
поймете, вы уж меня извините. Нам никак не понять работу
Максвелла без капельки математики.
Месмер, изобретатель «месмеризма», верил, что ему удалось обнаружить магнитное излучение, «нечто подобное электрическому излучению» и пронизывающему все. Он и в этом
ошибался: теперь нам известно, что особого магнитного излучения не существует, и всякий магнетизм, в том числе сила,
заключенная в полосе или подкове магнита, порождается движением электричества. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед
провел небольшой эксперимент: пропустил электрический
ток по проволоке, и в находившемся рядом с проволокой
магните задергалась, затанцевала игла. (Проволока и компас не соприкасались.) Великий английский физик Майкл
Фарадей провел дополнительный опыт: включая и выключая
магнитное поле, вызывал в проволоке электрический ток.
Переменный электрический ток каким-то образом выходил
за пределы проволоки и порождал магнитное поле, а переменное магнитное поле каким-то образом выходило за пределы магнита и порождало электричество. Это явление назвали «индукцией». Оно казалось таинственным, чуть ли не волшебным.
Фарадей высказал предположение, что магнит обладает
невидимым силовым «полем», которое распространяется в пространстве вокруг магнита, и действует сильнее возле магнита, а в отдалении от него ослабевает. Форму поля можно проследить, насыпав на лист бумаги железные опилки и проведя
под листом магнитом. Также и наши волосы после основательного расчесывания в засушливый день порождают электрическое поле, незримо окружающее голову и способное даже притягивать клочки бумаги.
Теперь мы знаем, что электричество в проволоке — это движение микроскопических частиц, электронов, на которые воз-
Максвелл и ботаны ˙ 467
действует электрическое поле. Провод изготавливают из меди
или материала с похожими свойствами, в котором много свободных, подвижных электронов. Большинство материалов,
в отличие от проволоки, не являются хорошими проводниками — это изоляторы, «диэлектрики». В них мало свободных
электронов, которые могли бы прийти в движение под действием электрического или магнитного поля, т. е. по ним не проходит ток. Разумеется, даже в этих материалах какое-то движение, «смещение» электронов наблюдается, и чем сильнее электрическое поле, тем заметнее такое движение.
Максвелл изобрел способ записать все то, что его современники выяснили об электричестве и магнетизме, подвести итоги всех этих экспериментов с проводами, электрическим током
и магнитами. Вот они, четыре уравнения Максвелла, описывающие поведение электрических и магнитных сил:
= 0
= –
=
0
j + 00
0
Чтобы вникнуть в эти уравнения, потребуется несколько
лет изучать физику на университетском уровне. Они выстроены с помощью особой разновидности математики — векторного исчисления. Вектор — величина, обладающая не только
размерностью, но и направлением. 100 км / ч — не векторная
величина, а 100 км / ч на север по шоссе номер 1 — векторная.
E и В в этих уравнениях обозначают электрическое и магнитное поле. Треугольник набла (он так назван из-за сходства
с древней финикийской арфой) обозначает колебания электрического или магнитного поля в трехмерном пространстве.
После набла указываются скалярное и векторное произведение — две разновидности пространственных вариаций поля.
и обозначают вариации во времени — скорость изменений электрического и магнитного поля, а j — электрический
ток. Строчная греческая буква (ро) обозначает плотность
468 ˙ Мир, полный демонов
электрических зарядов, а 0 («эпсилон нулевое») и 0 («мю
нулевое») представляют собой не переменные, а свойства тех
веществ, для которых замеряются и В в ходе эксперимента.
В вакууме
и 0 являются константами.
0
Поразительно, какими простыми оказались эти уравнения,
хотя в них и задействовано такое множество величин! Казалось бы, они должны занять множество страниц, но они все
уместились в несколько строк.
Первое из четырех уравнений Максвелла показывает,
как электрическое поле меняется в зависимости от электрических зарядов (электронов) и расстояния (чем дальше от источника поля, тем оно слабее, но чем выше плотность заряда —
грубо говоря, чем больше на данном участке пространства
электронов, — тем сильнее поле).
Второе уравнение демонстрирует, что для магнитного поля
аналогичной зависимости нет, поскольку магнитных «зарядов», выдуманных Месмером (они же магнетические «монополии»), попросту не существует: распилите пополам магнит,
и вы не отделите «южный полюс» от «северного», а получите
два магнита, каждый с двумя полюсами.
Третье уравнение показывает, как переменное магнитное
поле порождает электрическое поле.
Четвертое уравнение описывает обратную ситуацию —
как переменное электрическое поле или электрический ток
порождают магнитное поле.
Эти четыре уравнения — плод лабораторных исследований
нескольких поколений ученых, преимущественно французских
и британских. То, что я тут невнятно пытался передать на качественном уровне, уравнения передают четко и в цифрах.
А затем Максвелл задался неожиданным вопросом: как бы
эти уравнения выглядели в пустом пространстве, в вакууме — там, где нет электрических зарядов и тока? Казалось бы,
в вакууме не будет и электрического или магнитного поля,
но Макс велл предположил, что в пустоте уравнения, описывающие магнитное и электрическое поле, будут выглядеть
так:
Максвелл и ботаны ˙ 469
0
= 0
= –
=
00
Ученый приравнял к нулю, обозначив, таким образом,
отсутствие электрических зарядов. Он также приравнял к нулю
j, указав на отсутствие электрического тока. Но он не стал сбрасывать со счетов последний элемент четвертого уравнения —
— едва заметный ток (ток смещения) в изоляторах.
00
Почему? Как видно из уравнений, Максвелл интуитивно
сохранял симметрию магнитного и электрического полей. Он
предполагал, что даже в вакууме, там, где вовсе нет материи
и электричества, все же переменное магнитное поле порождает электрическое поле, а то — магнитное. В этих уравнениях отразилась Природа, а Максвелл верил в красоту и изящество Природы. (Впрочем, для сохранения в вакууме тока смещения имелись и другие, технические резоны, о которых мы
тут умолчим.) Формулы ботана, отчасти руководствовавшегося
физикой, отчасти эстетическими соображениями, эти цифры
и буквы, понятные в ту пору лишь нескольким таким же умникам, оказали на нашу цивилизацию куда большее влияние,
чем десяток президентов и премьер-министров, вместе взятых.
Если кратко, применительно к вакууму четыре уравнения
Максвелла гласят: 1) в вакууме нет электрических зарядов;
2) в вакууме нет магнетических монополий; 3) переменное
магнитное поле порождает электрическое и 4) переменное
электрическое поле в свою очередь порождает магнитное.
Вооружившись такими уравнениями, Максвелл мог доказать, что и распространяются в пустом пространстве
как волны. Более того, он сумел подсчитать скорость движения волны: единица, деленная на корень квадратный
Величины
и 0 уже были замерены в лаборатории и, подста-
0
и 0.
0
вив числа, ученые убедились, что электрическое и магнитное
поля распространяются в вакууме с известной им скоростью
470 ˙ Мир, полный демонов
света. Совпадение настолько точное, что случайным его никак
не сочтешь. Внезапно электричество и магнетизм оказались
одной природы со светом!
Поскольку обнаружилось, что свет ведет себя как волны
и порождается электрическими и магнитными полями, Максвелл назвал его электромагнитным излучением. Странные
эксперименты с проволоками и батарейками, проводившиеся
где-то в лабораториях, оказывается, объясняли и яркое сияние
Солнца, и то, как мы видим, и сам свет. Много лет спустя, вспоминая открытия Максвелла, Альберт Эйнштейн писал: «Мало
кто из людей мог провести подобный опыт».
Сам Максвелл был озадачен полученным результатом.
Вакуум вел себя как диэлектрик и мог «электрически поляризоваться». Живя в век механики, Максвелл считал обязательным представить распространение электромагнитных волн
в вакууме в виде механической модели. Он воображал космос,
наполненный таинственной субстанцией — эфиром, который
поддерживает переменные электрические и магнитные поля.
Эдакое невидимое, пульсирующее желе, расползшееся по Вселенной. Колебания эфира позволяют проходить сквозь него
свету, подобно тому, как волны проходят по воде, а звуковые
волны — сквозь воздух.
Очень странная это материя — эфир. Тонкая, разреженная,
почти что нематериальная. Солнце и Луна, планеты и звезды проходят через эфир, не задерживаясь, не замечая его.
И в то же время он достаточно плотен, чтобы поддерживать
и распространять на огромной скорости волны.
Слово «эфир» и поныне не вышло из употребления. Существует прилагательное «эфирный» — воздушный, не от мира
сего. Есть у него в английском языке и более страшный
смысл — «обдолбанный», «под наркотиком». Зато в русском
языке сохранилось выражение «в эфире», т. е. по радио. Ведь
радиоволны, как доказал Максвелл, проходят через вакуум —
через эфир. Воздух им только мешает.
Концепция эфира, в котором распространяются волны света и частицы материи, через 40 лет породила специальную
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]