Розділ без назви (14)

Недарма ми нині описуємо цей феномен терміном електромагнетизм. Після Максвелла електрику й магнетизм більше не розглядали як окремі сили природи. Вони були різними проявами однієї й тієї ж сили.

Максвелл опублікував свою повну систему рівнянь 1865 року, а пізніше, 1873-го, виклав їх у спрощеному вигляді в підручнику. Вони стали відомі як чотири рівняння Максвелла й нині (звісно, переписані сучасною математичною мовою) прикрашають футболки студентів-фізиків по всьому світу. Таким чином, 1873 рік можна визнати таким, коли у фізиці було затверджено друге Велике об’єднання (першим було Ньютонове усвідомлення, що рух небесних тіл і падіння земних яблук зумовлені однією й тією ж силою). Це видатне досягнення людського інтелекту, яке бере початок з експериментальних відкриттів Ерстеда й Фарадея, завершив Максвелл — сумирний молодий фізик-теоретик із Шотландії, котрий потрапив до Англії через несталість академічного життя.

Відкриття нової точки зору на космос завжди приносить або принаймні має приносити невимовне задоволення. Проте наука додає до цього ще одну величезну вигоду. Нове розуміння породжує відчутні та випробовувані наслідки, причому нерідко миттєво.

Саме так сталося з максвеллівським об’єднанням, яке зробило гіпотетичні поля Фарадея в буквальному сенсі такими ж реальними, як ніс у вас на обличчі. У буквальному сенсі, оскільки, виявляється, без них ви не в змозі побачити свого носа.

Геній Максвелла не зупинився на самій лише кодифікації принципів електромагнетизму в елегантній математичній формі. Він використав математику для відкриття прихованої природи найфундаментальнішої з усіх фізичних величин, яка вислизала з рук видатних натурфілософів від Платона до Ньютона включно. Ідеться про найспостережуванішу річ у природі: світло.

Розгляньмо такий мислений експеримент. Візьмемо електрично заряджений предмет та погойдаємо вгору-вниз. Що буде?

Ну, заряд оточений електричним полем, і, коли ви рухаєте заряд, змінюється положення силових ліній. Але, за Макс­веллом, це змінне електричне поле породить магнітне поле, яке стирчатиме зі сторінки та входитиме в сторінку так, як показано нижче:

Тут силова лінія, що входить у сторінку, позначена хрестиком (хвіст стрілки), а та, що стирчить зі сторінки — крапкою (наконечник стрілки). Коли заряд мінятиме напрямок руху згори донизу на знизу догори, це поле також мінятиме напрямок на протилежний.

Але ми на цьому не зупинимося. Якщо я продовжу гойдати заряджений предмет, електричне поле, а разом із ним і індуковане магнітне поле продовжуватимуть змінюватись. Але змінне магнітне поле породить електричне поле. Таким чином матимемо нові силові лінії індукованого електричного поля, які будуть направлені вертикально та змінюватимуть напрямок угору-вниз одночасно зі зміною на протилежний знака магнітного поля.

Через брак місця я зображу електричну силову лінію тільки праворуч, проте ліворуч матимемо її індуковане дзеркальне відображення.

Проте це змінне електричне поле, своєю чергою, породить змінне магнітне поле, яке існуватиме ще далі ліворуч і праворуч від діаграми, і так далі.

Гойдання заряду викликає послідовність збурень в електричному та магнітному полях, що поширюються назовні, адже, за правилами магнетизму, що їх визначив Максвелл, зміна кожного з полів слугує джерелом виникнення іншого. Верхній рисунок можна розширити до тривимірного зображення (див. нижче), яке в повному обсязі фіксуватиме природу цих змін:

Тут ми бачимо хвилю електричних та магнітних збурень, себто електромагнітну хвилю, яка рухається назовні, а її електричне й магнітне поля коливаються в просторі й часі, причому коливаються ці поля в напрямках, перпендикулярних як один одному, так і напрямку поширення хвилі.

Ще до того, як Максвелл виписав остаточну форму своїх рівнянь, він показав, що коливальні заряди породжуватимуть електромагнітну хвилю. Але він зробив дещо значно важливіше. Він обчислив швидкість цієї хвилі за допомогою чудового та простого обрахунку, який, гадаю, є моїм улюбленим прикладом виведення формули з усіх, що я демонструю студентам. Ось він.

Ми можемо обрахувати величину електричної сили шляхом вимірювання її величини між двома зарядами, величина яких нам уже відома. Ця сила пропорційна добутку зарядів. Позначимо константу пропорційності А.

Аналогічно ми можемо обрахувати величину магнітної сили між двома електромагнітами, активованими струмами відомої величини. Ця сила пропорційна добутку сил цих струмів. Позначимо цю константу пропорційності Б.