Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

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.

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: