Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

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.

Максвелл показав, що швидкість електромагнітного збурення, випромінюваного коливальним зарядом, можна точно виразити через виміряну силу електрики та виміряну силу магнетизму, що визначаються шляхом вимірювання в лабораторії констант А та Б. Тоді, використавши доступні йому дані вимірювань сили електрики та сили магнетизму й підставивши їх у формулу, він вивів:

Швидкість електромагнітних хвиль = 311 000 000 метрів на секунду.

Згідно з широковідомою історією, коли Альберт Ейнштейн завершив свою загальну теорію відносності та порівняв свої передбачення для орбіти Меркурія з виміряними величинами, у нього затріпотіло серце. Тож можна лише уявляти собі захоплення Максвелла, коли він виконав це обчислення. Адже це число, яке може здатися взятим зі стелі, було йому добре відоме як швидкість світла. 1849 року французький фізик Фізо виміряв швидкість світла (а в ті часи виміряти її було страшенно складно) і отримав:

Швидкість світла = 313 000 000 метрів на секунду.

Враховуючи досяжну в ті часи точність, ці два числа є ідентичними (наразі ми знаємо набагато точніше значення цієї величини, а саме 299 792 458 м/с, яке є ключовим елементом сучасного визначення метра).

1862 року, коли Максвелл уперше здійснив цей обрахунок, він у типовому для нього приниженому тоні зазначив: «Навряд чи нам вдасться уникнути висновку, що світло складається з поперечних хвилеподібних коливань того ж середовища, яке є причиною електричного й магнітного феноменів».

Іншими словами, світло – це електромагнітна хвиля.

Два роки по тому, коли він нарешті написав свою класичну статтю з електромагнетизму, він дещо впевненіше додав: «Світло є електромагнітним збуренням, що поширюється /електромагнітним/ полем згідно з електромагнітними законами».

Цими словами Максвелл нарешті поклав кінець двотисячолітній таємниці, що оточувала природу й походження світла. Його результат, як це часто буває з визначними прозріннями, був неочікуваним побічним продуктом інших фундаментальних досліджень. У цьому випадку він був побічним продуктом одного з найважливіших теоретичних досягнень в історії – об’єднання електрики й магнетизму в єдину прекрасну математичну теорію.

До Максвелла основним джерелом мудрості була віра в божественне через Книгу Буття. Навіть Ньютон покладався на це джерело для розуміння походження світла. Проте після 1862 року все змінилося.

Джеймс Клерк Максвелл був глибоко віруючою людиною, і його віра іноді змушувала його, як доти Ньютона, робити дивні судження щодо природи. Проте, як до того міфічний персонаж Прометей, котрий викрав у богів і передав людям вогонь для використання, тим самим навіки змінивши їхню цивілізацію, Максвелл також викрав вогонь із перших слів юдейсько-християнського Бога й навіки змінив їхнє значення. Починаючи з 1873 року, нові й нові покоління студентів-фізиків гордо проголошують: «Максвелл записав свої чотири рівняння й сказав: “ Хай станеться світло! ”».