Карл Саган - Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме
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 Ирландии, 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.
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 геометрией или любой другой наукой, требующей прилежания, считался заведомым мизантропом, позабывшим, конечно же, обо всем человеческом и предавшимся интересам столь далеким от деятельной жизни, что он сделался нечувствителен и к приманкам удовольствия, и к требованиям долга.
Подозреваю, что «не так давно» относится к собственным переживаниям Максвелла. И далее он сказал:
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 магнетизм, 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 воздействует 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.
