Розділ без назви (13)

Зрештою цей результат не спростовує хвильової теорії світла (насправді він її, навпаки, підтверджує, оскільки на вході в призму світло заломлюється й сповільнюється, точно як хвилі). Але оскільки прибічники цієї теорії (помилково) стверджували, що спектральне розкладання спричинене спотворенням, демонстрація Ньютона, що це не так, завдала їй сильного удару й підтвердила правильність його корпускулярної моделі.

Після цього Ньютон відкрив багато інших властивостей світла, якими ми послуговуємося нині для розуміння його хвильової природи. Ньютон показав, що в результаті проходження крізь скляну призму світло кожного з кольорів заломлюється під своїм унікальним кутом. Він також показав, що всі предмети набувають того ж кольору, що й промінь, який їх освітлює. І що кольорове світло не змінює кольору, скільки б разів воно не відбивалося чи не проходило крізь призму.

Усі ці результати, зокрема й початковий, можна легко пояснити, якщо біле світло насправді складається з набору різних кольорів, тут Ньютон мав рацію. Але їх не можна пояснити, якщо світло складається з різнокольорових частинок. Натомість біле світло складається з великої кількості хвиль різної довжини.

Утім, навіть попри все більшу популярність Ньютона та смерть його головного опонента Гука, опоненти Ісаака не збиралися складати зброю. Вони не здалися навіть після обрання Ньютона президентом Королівського наукового товариства 1703 року, ще за рік до того, як він опублікував результати своїх досліджень світла в епічній праці «Оптика». Натомість дебати про природу світла точилися ще понад століття.

Частиною проблеми з хвильовою картиною світла було запитання «Хвилею чого саме є світло?». І якщо воно дійсно є хвилею й оскільки всім відомим хвилям потрібне якесь середовище, то в якому середовищі воно поширюється? Ці запитання настільки бентежили прибічників хвильової теорії, що їм довелося навіть воскресити нову невидиму субстанцію, що пронизує весь простір, — ефір.

Розгадка цієї головоломки, як це часто буває, надійшла з абсолютно несподіваного куточка фізичного світу, сповненого іскрами та колесами, що обертаються.

Коли я став молодим професором в Єлі й мені виділили давній, проте велетенський кабінет, який мені пощастило зайняти після виходу на пенсію не менш давнього колеги, на стіні мене очікувала копія фотографії Майкла Фарадея, знятої 1861 року. Я зберігаю її досі.

Я не вірю в поклоніння героям, але якби вірив, Фарадей був би там, у пантеоні, серед найкращих. Не виключено, що з-поміж інших науковців дев’ятнадцятого століття саме він найбільшою мірою є автором технології, яка живить нашу сучасну цивілізацію. При цьому він мав дуже скромну формальну освіту й у віці 14 років став учнем палітурника. Пізніше у своїй кар’єрі, досягши світового визнання за наукові здобутки, він наполегливо тримався свого скромного походження, відмовившись від лицарства та двічі відхиливши пропозицію стати президентом Королівського наукового товариства. Пізніше він, посилаючись на етичні міркування, відмовився консультувати британський уряд на предмет виробництва хімічної зброї для застосування в Кримській війні. І впродовж більш ніж тридцяти років читав низку різдвяних лекцій у Королівському інституті, аби викликати в молоді захоплення наукою. Як можна його не любити?

Проте як би ми не захоплювалися людиною, для нашої оповіді має значення науковець. Своїх студентів я завжди навчаю першого наукового уроку Фарадея: плазуйте перед своїми професорами. У віці 20 років, відпрацювавши сім років учнем палітурника, Фарадей відвідав низку лекцій славетного фізика Гемфрі Деві, тодішнього голови Королівського інституту. Після цього Фарадей подарував Деві 300-сторінкову майстерно переплетену книгу своїх конспектів його лекцій. Упродовж року Фарадея було призначено секретарем Деві, а вже невдовзі він дістав посаду хіміка-асистента в Королівському інституті. Пізніше Фарадей вивчив цей самий урок, але з протилежним знаком. У захваті від деяких перших і вельми важливих проведених експериментів Фарадей в опублікованій праці випадково забув віддати належне спільній роботі з Деві. Імовірно, саме через цю випадкову образу Деві доручив йому займатися іншими справами, тим самим відстрочивши на кілька років його дослідження, які змінили світ.

Перед переведенням Фарадей працював над «гарячою» ділянкою наукових досліджень — щойно відкритими зв’язками між електрикою та магнетизмом, відштовхуючись при цьому від праць данського фізика Ганса Крістіана Ерстеда. Ці дві сили здаються зовсім різними, проте водночас на диво подібні. Електричні розряди можуть притягуватися або відштовхуватися. Магніти можуть те саме. Проте в магнітів, схоже, завжди є два полюси, північ і південь, які не можна відокремити, тоді як електричні розряди можуть бути позитивними чи негативними в індивідуальному порядку.

Якийсь час науковці та натурфілософи розмірковували, чи немає між цими двома силами якихось прихованих зв’язків, і першу емпіричну підказку випадково отримав саме Ерстед. 1820 року, під час лекції, Ерстед помітив, що увімкнення електричного струму від батареї змушувало відхилятися стрілку компаса. Кілька місяців по тому він розвинув це спостереження й відкрив, що потік рухомих електричних зарядів, який ми сьогодні зазвичай називаємо електричним струмом, породжував магнітне тяжіння, яке змушувало піднесені до провідника компасні стрілки крутитися колом.

Ерстед проторував нову стежку. Новина швидко поширилася серед науковців як на континенті, так і на іншому березі Ла-Маншу. Рухомі електричні заряди породжували магнітну силу. Чи є ще якісь зв’язки? Чи можуть магніти, своєю чергою, впливати на електричні заряди?

Науковці шукали, як це зробити, проте безуспішно. Деві з іншим колегою намагалися збудувати на основі виявленого Ерстедом зв’язку електричний двигун, проте зазнали невдачі. Зрештою Фарадею вдалося змусити дріт із пропущеним крізь нього струмом рухатися навколо магніту, що можна було вважати чимось на кшталт двигуна. Саме в доповіді про це захопливе досягнення він забув згадати ім’я Деві.

Почасти це була просто забавка. Ніякого фундаментального феномену при цьому відкрито не було. Імовірно, саме це стало основою однієї з моїх улюблених (скоріш за все, вигаданих) історій про Фарадея. Кажуть, що 1850 року Вільям Ґледстоун, майбутній прем’єр-міністр Великобританії, почув про лабораторію Фарадея, повну химерних пристроїв, і запитав, яку практичну цінність мають усі ці дослідження електрики. Фарадей начебто відповів: «О, сер, вельми ймовірно, що незабаром ви зможете обкласти її податком».

Вигадка чи ні, але ця дотепна відповідь містить як велику іронію, так і велику істину. Дослідження, спричинені цікавістю, можуть видатися далеким від нагальних суспільних потреб сибаритством. Проте, по суті, весь рівень нашого сучасного життя людей першого світу постав зі здобутків таких досліджень, зокрема й електроенергія, яка живить майже всі пристрої довкола нас.

1831-го, через два роки після смерті Деві та через шість після того, як Фарадей став директором лабораторії в Королівському інституті, він зробив відкриття, яке закріпило за вченим репутацію, можливо, найвидатнішого фізика-експериментатора ХІХ століття — відкриття магнітної індукції. Ще з 1824 року Фарадей намагався з’ясувати, чи може магнітне поле змінити напрямок струму в дроті поряд або подіяти на заряджені частинки ще якоюсь електричною силою. Насамперед він хотів перевірити, чи здатне магнітне поле викликати електричний струм, аналогічно до Ерстеда, який показав, що електричне поле, зокрема електричний струм, здатне породжувати магнетизм.

28 жовтня 1831 року Фарадей заніс до лабораторного записника визначне спостереження. Замкнувши перемикач, щоб увімкнути струм у дроті, оберненому навколо залізного кільця для його намагнічування, він помітив, що струм на мить виник в іншому дроті, оберненому навколо цього ж кільця. Зрозуміло, сама лише наявність близького магніту не могла спричинити протікання струму в дроті — а от вмикання чи вимикання магніту могло. Надалі Фарадей показав, що такий самий ефект спостерігався, коли він підсував магніт до дроту. У міру наближення чи віддалення магніту дротом починав текти струм. Точно як рухомий заряд створював магніт, так якимось чином рухомий магніт — чи магніт змінної потужності — створював у близькому дроті електричну силу й породжував струм.

Якщо вам не очевидне ґрунтовне теоретичне значення цього простого та несподіваного результату, не соромтеся, адже це значення вельми хитромудре, і його розкриття підкорилося лише розуму найвидатнішого фізика-теоретика ХІХ століття.

Для того, щоб оформити його належним чином, потрібна концепція, яку ввів усе той же Фарадей. Фарадей мав скромну формальну освіту й був значною мірою самоучкою, тож ніколи не був на короткій нозі з математикою. Інша, скоріш за все, вигадана історія розповідає, що Фарадей хизувався тим, що у своїх публікаціях використав математичне рівняння лише раз. Ясна річ, він ніколи не описував важливе відкриття магнітної індукції в математичних термінах.

Через незлагоди з формальною математикою Фарадей був вимушений мислити рисунками, аби досягти інтуїтивного розуміння фізики, що лежала в основі його спостережень. У результаті він винайшов ідею, що є наріжним каменем усієї сучасної фізичної теорії та розв’язала головоломку, над якою до кінця своїх днів бився Ньютон.