Сержио Рарра Кастильо - Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

Сын скромного кузнеца, уделом которого, казалось бы, мог быть только изнурительный труд в эпоху промышленной революции, открыл Эру электричества. Фарадей стал искрой во мраке, которая вызвала еще одну революцию, не такую очевидную в социальном плане, но имеющую то же значение: наука перестала быть занятием богатых людей и превратилась в профессию для развитых умов.

Широкомасштабное использование и производство электричества на основании открытий Фарадея, повлекшие за собой социальные преобразования, не были быстрыми. Известна следующая история о министре финансов Гладстоне, который спросил Фарадея, для чего может быть нужно электричество. Ученый ответил: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом». И действительно, в 1880 году был введен первый налог на производство электричества в Англии. Существует еще одна аналогичная история. Во время публичной лекции Фарадея одна женщина спросила, какая польза может быть от того, что он только что объяснял. Фарадей ответил: «А какая польза может быть от новорожденного?» Открытия Фарадея в области магнетизма и электричества стали двигателем социальных изменений и великих преобразований, как сказал Альберт Эйнштейн о возникновении понятия поле для развития физики.

ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК

Электричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по расчетам Фарадея, должно было бесконечно растягиваться, пересекая тела и выходя во внешнее пространство. Ученый сообщил о полученных результатах на первой сессии «Экспериментальных исследований» 24 ноября 1831 года в Королевском обществе.

Вселенная управляется четырьмя фундаментальными взаимодействиями: электромагнитным, гравитационным, слабым ядерным и сильным ядерным. Другими словами, известны только четыре способа, которые могут заставить одну часть материи взаимодействовать с другой. Эти четыре силы различаются по своей интенсивности, области применения, они управляются разными механизмами, различны и результаты их действия. Одна из самых слабых сил — гравитационная, ее можно обнаружить на достаточно крупных объектах, таких как мяч или планета. Интенсивность электромагнитной силы в 1038 раз больше, чем гравитационной. Сильная ядерная сила в 100 раз интенсивнее электромагнитной, она соединяет протоны и нейтроны атомного ядра, противодействуя электромагнитной силе, которая стремится отделить протоны, имеющие тот же заряд. При этом сильное ядерное взаимодействие обнаруживается на чрезвычайно малых расстояниях (например, расстояния между частицами в ядре) по сравнению с гравитацией или электромагнитной силой. То же происходит со слабым ядерным взаимодействием.

Его идеи звучали потрясающе революционно для той эпохи, потому что они предполагали, что мир наполнен невидимыми силовыми полями. Это было то же самое, что утверждать, будто существует иной мир, параллельный нашему измерению. Как можно было ожидать, коллеги Фарадея из Королевского института сочли такие теории совершенно безосновательными и вежливо отвергли их. По этой причине ученый всегда медлил перед тем, как сделать свои теории достоянием общественности. Это колебание перед распространением новых научных парадигм, способных изменить установленные научные принципы, было свойственно и многим другим ученым, например Чарльзу Дарвину с его теорией естественного отбора. Фарадей 12 марта 1831 года составил записку с изложением своих новых теоретических идей, запечатал ее в конверт, подписанный свидетелями, и положил на хранение в сейф Королевского общества с точными инструкциями, когда вскрыть конверт после его смерти. Приведем отрывок из этой записки:

«Когда магнит воздействует на магнит, расположенный на некотором расстоянии, или на кусок железа, индукционная причина (которую я сейчас назову магнетизмом) постепенно переходит с намагниченных тел, при этом сам переход занимает определенное время […]. Я склонен утверждать, что распространение магнитных сил от магнитного полюса можно сравнить с колебаниями, производимыми небольшим возмущением на поверхности воды, или колебаниями в воздухе от акустических явлений. То есть я предполагаю, что теория колебаний будет применима к этим явлениям, как она применима к звуку. Вероятно также, что она применима и к свету».

Научные опасения Фарадея имели причину. Шел только 1832 год, а ученый уже предполагал, что магнитным силам требуется время для перемещения в пространстве, что противоречило ньютоновой концепции мгновенного действия на расстоянии. Также Фарадей говорил о волновом движении и даже обнаружил некоторую поверхностную связь электромагнетизма со светом.

Наконец, применив физические аналогии, восполнившие пробелы в его математических знаниях, 19 января 1844 года, в возрасте 52 лет Фарадей представил свои теории на суд публики. Возможно, одной из причин, подтолкнувших его к такому решению, стал нервный кризис, который ученый пережил в 1830-х годах. Он был связан с переутомлением от постоянной интеллектуальной работы, которой Фарадей изнурял свой организм: он осознал, что может умереть в любой момент, и единственным его наследием станет запечатанная записка, хранящаяся в архиве Королевского общества. Темой его выступления, сделанного в Королевском институте в рамках Вечерних лекций по пятницам, стала природа атомов. Атомы он представлял в виде сгустков на силовых линиях, составляющих силовую подструктуру: силовые магнитные, электрические и даже гравитационные линии распространяются в пространстве и соединяют между собой все тела во Вселенной. Несмотря на то что данные аналогии достаточно четко отражают современное описание мира с позиции теоретической физики, в 1844 году это звучало очень странно и поэтому не впечатлило аудиторию.

Фарадей усовершенствовал первый электромагнитный генератор, повторил свой эксперимент и сформулировал открытие одной фразой: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется».

Это было очень красноречиво, однако научное сообщество отвергло это открытие, поскольку оно было выражено словами. С тех пор как Ньютон в XVII веке ввел в науку формулы, считалось, что такого рода заявления должны выражаться на однозначном и универсальном языке математики. Фарадей плохо знал математику, гораздо важнее для него были результаты экспериментов, которые обеспечили ему блестящую карьеру в Королевском институте. Фарадей решил, что коллеги не воспринимают его идеи из-за снобизма, считая его всего лишь бедным выходцем из села без академического образования. Фарадей упорно защищал свою позицию, согласовывающуюся с его поэтическим и религиозным миропониманием, и говорил о том, что наука должна выражаться на языке, понятном для обычных людей.

Когда Фарадей изобрел первый электромагнитный генератор, он открыл, что на концах проводника, двигающегося в магнитном поле, возникает разность потенциалов. Это можно сформулировать так: если в двух точках имеется разность потенциалов, и они соединяются проводником, возникает поток электронов (электрический ток). Часть заряда, который получается в точке большего потенциала, будет двигаться по проводнику к точке меньшего потенциала. Ток прекратится, когда электрический потенциал в двух точках уравняется.

Наконец, молодой шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879) через три десятилетия перевел открытие Фарадея на язык математики в виде элегантного и точного уравнения, опубликованного в статье «Динамическая теория электромагнитного поля». Уравнение было следующим:

Знак минус поставлен согласно закону Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей его.

Максвелл выразил отношение к трудам Фарадея, которого он называл Ньютоном электричества, в предисловии к первому изданию своего «Трактата об электричестве и электромагнетизме» (1873, A treatise on electricity and magnetism):

«По мере изучения Фарадея я осознал, что его подход к пониманию явления тоже является математическим, хотя и не представлен в общепринятой форме через математические символы. Я нашел также, что его методы могут быть выражены в обычных математических формах и, таким образом, сопоставлены с методами признанных математиков. Так, например, Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие все пространство силовые линии там, где математики видели лишь центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде»[2].