Розділ без назви (13)

Фарадей спитав себе: «Як один електричний заряд знає, як реагувати на присутність іншого, віддаленого електричного заряду?» Таке саме запитання раніше поставив Ньютон у термінах тяжіння, коли розмірковував, як Земля знає, що треба саме так реагувати на гравітаційне тяжіння Сонця. Як сила тяжіння передається від одного тіла до іншого? На це запитання він дав свою знамениту відповідь: «Hypotheses non fingo» («Я не вигадую гіпотез»), стверджуючи, що вивів закон всесвітнього тяжіння та показав, що його передбачення відповідають спостереженням, і що цього достатньо. Надалі багато хто з нас, фізиків, використовував цей прийом захисту, коли його просили пояснити всілякі дивні фізичні результати, особливо у квантовій механіці, де математика працює, а от фізична картина часто виглядає божевільною.

Фарадей уявив, що кожен електричний розряд оточений електричним «полем», яке він міг подумки зобразити. Він уявляв це поле як купу прямих ліній, які променеподібно виходять із заряду. На ці силові лінії були нанесені стрілки, які вказували назовні у випадку позитивного заряду та всередину у випадку негативного.

Далі він уявив, що в міру збільшення величини заряду збільшується й кількість силових ліній:

Користь цієї уявної картини полягала в тому, що тепер Фарадей мав змогу інтуїтивно зрозуміти, що станеться, якщо поруч із першим зарядом помістити ще один тестовий заряд, і чому це станеться (уживаючи неформальне «чому», я маю на увазі «яким чином»). Де б цей другий тестовий заряд не був, він відчуватиме «поле» першого заряду, при цьому величина електричної сили буде пропорційна кількості силових ліній на цій ділянці, а її напрямок відповідатиме напрямку силових ліній. Таким чином, наприклад, вищеназваний тестовий заряд відштовхуватиметься у вказаному напрямку:

Проте рисунки Фарадея здатні не тільки на це. Уявіть, що ми помістили два заряди поруч один з одним. Оскільки силові лінії виходять із позитивного заряду та входять у негативний заряд і ніколи не перетинаються, майже очевидно, що силові лінії посередині між двома позитивними зарядами мають відкидати одна одну й відштовхуватися, тоді як посередині між позитивним та негативним зарядом вони мають з’єднуватися:

Знов-таки, якщо будь-де поблизу цих двох зарядів помістити тестовий заряд, він відчує на собі силу, спрямовану в напрямку силових ліній, і її величина буде пропорційна кількості силових ліній на цій ділянці.

Отже, Фарадей змалював природу електричних сил між частинками таким чином, який не потребував розв’язання алгебраїчних рівнянь, що описують електричні сили. І найдивніше в цих рисунках те, що вони відображають математику строго як вона є, а не лише приблизно.

Аналогічні графічні прийоми можна застосувати до магнітів і магнітних полів, відтворивши закон магнітної сили, що виникає між магнітами, який експериментально підтвердив Кулон, чи дротами під напругою, який вивів Андре-Марі Ампер (до Фарадея всю важку роботу з відкриття законів електрики та магнетизму виконували французи).

За допомогою цих уявних милиць можна перевиразити Фарадеєве відкриття магнітної індукції так: збільшення чи зменшення кількості магнітних силових ліній, що перетинають закільцьований провідник, спричинить протікання цим провідником струму.

Фарадей швидко усвідомив, що його відкриття дасть змогу перетворювати механічну енергію на електричну. Якщо приєднати закільцьований провідник до лопаті, яка має обертатися, скажімо, потоком води, як водяне колесо, і оточити всю цю штуку магнітом, то в процесі обертання лопаті кількість силових ліній, що проходять крізь дріт, постійно змінюватиметься, і в дроті постійно генеруватиметься струм. І ось вам, будь ласка, Ніагарський водоспад, гідроенергетика й сучасний світ!

Цього вже було б цілком досить, щоб закріпити за Фарадеєм репутацію найвидатнішого фізика-експериментатора ХІХ століття. Але в моїх очах Фарадей посідає настільки високе місце тому, що керувався не технологією; найбільше я шаную його глибоке відчуття цікавості та прагнення якнайширше поділитися своїми відкриттями. Я переконаний: він би погодився, що головна вигода від науки полягає в її впливі у вигляді зміни фундаментального розуміння нашого місця в космосі. І врешті-решт саме це він і зробив.

Тут я просто не міг не згадати ще одного більш сучасного видатного фізика-експериментатора Роберта Р. Вільсона, який у віці 29 років очолював науково-дослідний відділ у Лос-Аламосі, де в рамках Мангеттенського проекту розробляли атомну бомбу. Багато років по тому він став першим директором Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі (скорочено Фермілаб) у Батавії, штат Іллінойс. Під час будівництва Фермілабу 1969 року Вільсона викликали на слухання в Конгресі для обґрунтування витрати значних коштів на цей екзотичний новий прискорювач, що його мали застосовувати для вивчення фундаментальних взаємодій елементарних частинок. Коли його запитали, чи сприяє це підвищенню національної безпеки (що легко б виправдало витрати в очах членів комітету Конгресу), він хоробро відповів, що ні. Натомість він сказав: «Це стосується лише поваги, з якою ми ставимося один до одного, людської гідності, нашої любові до культури… Це стосується того, чи гарні ми художники, гарні скульптори, видатні поети? Я маю на увазі все те, що ми дійсно поважаємо й шануємо в нашій країні, що викликає в нас патріотизм. У цьому сенсі це нове знання напряму стосується слави та країни, але воно ніяк безпосередньо не стосується захисту нашої країни, хіба що сприяє тому, що вона є гідною захисту».

Відкриття Фарадея дали нам змогу живити й творити нашу цивілізацію, освітити наші міста й вулиці та користуватися нашими електричними пристроями. Важко уявити собі відкриття, глибше вкорінене в житті сучасного суспільство. Проте якщо поглянути глибше, настільки видатним його внесок у нашу оповідь робить те, що він відкрив відсутній шматочок головоломки, який змінив наше сучасне сприйняття практично всього у фізичному світі, починаючи від самого світла. Якщо Ньютон був останнім із чарівників, то Фарадей був останнім із сучасних науковців, які стосовно світла жили в темряві. Після його праці ключ до розкриття істинної природи нашого головного вікна у світ лежав на видноті, чекаючи, доки його знайде потрібна людина.

• • •