Стивен Вайнберг - Пояснюючи світ

Як видно з цих висловлювань, Ньютон добре знав, що у природі є й інші сили, крім тяжіння. Про статичну електрику знали давно. Ще Платон у своєму «Тімеї» згадував, що коли потерти шматочок бурштину (давньогрецькою мовою – електрон ), то він може підіймати легкі предмети. Магнетизм був відомий із властивостей природних магнітних руд, які використовували китайці для геомантії й докладно вивчав придворний лікар англійської королеви Єлизавети I Вільям Ґілберт. Ньютон тут також натякає на існування сил, ще не відомих через малий радіус їхньої дії, – це передчуття слабких та сильних ядерних взаємодій, відкритих у XX столітті.

На початку XIX століття винайдення електричної батареї Алессандро Вольта зробило можливим проведення детальних кількісних експериментів з вивчення електрики та магнетизму, а невдовзі стало відомо, що ці явища пов’язані. Спочатку 1820 року в Копенгагені Ганс Крістіан Ерстед виявив, що магніт та дріт, через які пропускають електричний струм, впливають один на одного. Почувши про цей результат, Андре-Марі Ампер у Парижі виявив, що дроти, через які пропускають електричний струм, також впливають один на одного. Ампер припустив, що ці різні явища дуже подібні між собою: сили, спрямовані на шматочки намагніченого заліза та від них, є наслідком електричних струмів, що циркулюють усередині них.

Так само, як це сталося із силою тяжіння, поняття струмів та магнітів, що виявляють вплив один на одного, було витіснене ідеєю поля, у цьому випадку – магнітного. Кожен магніт та кожен дріт під струмом робить свій внесок до загального магнітного поля в будь-якій точці поблизу нього, і це магнітне поле виявляє вплив на будь-який магніт або електричний струм у такій точці. Майкл Фарадей пов’язав магнітні сили, породжені електричним струмом, з лініями магнітного поля, що оточує дріт. Він також описав електричні сили, породжені шматком натертого бурштину, як наслідок впливу електричного поля, зображеного лініями, що радіально розходяться від електричних зарядів на бурштині. Найважливіше, що в 1830-х роках Фарадей показав зв’язок між електричними та магнітними полями: змінне магнітне поле, як-от створюване електричним струмом під час обертання котушки дроту, створює електричне поле, здатне спричинити появу електричного струму в іншому дроті. Саме це явище використовують, щоб виробляти електроенергію на сучасних електростанціях.

Остаточно пов’язав електрику та магнетизм кілька десятиліть по тому Джеймс Клерк Максвелл. Він вважав електричні та магнітні поля напругою в якомусь всеохопному середовищі (ефірі) і виразив те, що було відомо про електрику та магнетизм, рівняннями, які пов’язували між собою поля та інтенсивність їхньої взаємодії. Максвелл вніс у науку ідею, що змінне електричне поле генерує магнітне поле, як змінне магнітне поле генерує електричне поле. Як це часто трапляється у фізиці, з поняттєвої основи максвеллівських рівнянь викинули ефір, а самі рівняння збереглися, причому навіть на футболках, які носять студенти-фізики [65].

Теорія Максвелла мала неймовірні наслідки. Оскільки коливальні електричні поля породжують коливні магнітні поля, а коливні магнітні поля породжують коливні електричні поля, можливе існування самопідтримуваного коливання як електричних, так і магнітних полів в ефірі, або, як ми сказали б сьогодні, у порожнечі (вакуумі). Приблизно в 1862 році Максвелл виявив, що це електромагнітне коливання поширювалося б зі швидкістю, яка, згідно з його рівнянням, мала б приблизно таке саме числове значення, що й виміряна швидкість світла. Для Максвелла було природним дійти висновку, що світло є нічим іншим, як взаємно самопідтримуваним коливанням електричних та магнітних полів. Видиме світло має набагато вищу частоту, ніж частота струму у звичайних електричних колах, але в 1880-х роках Генріх Герц зумів створити хвилі, що відповідали рівнянням Максвелла, – радіохвилі, що відрізнялися від видимого світла лише тим, що мали значно нижчу частоту. Отже, електрику та магнетизм поєднали не лише між собою, а й з оптикою.

Як і з електрикою та магнетизмом, прогрес у розумінні природи матерії почався з кількісного вимірювання, у цьому випадку – вимірювання ваги речовин, що беруть участь у хімічних реакціях. Ключовою постаттю цієї хімічної революції був заможний француз Антуан Лавуазьє. Наприкінці XVIII століття він ідентифікував такі елементи, як водень та кисень, і показав, що вода є сполукою водню та кисню, повітря є сумішшю елементів, а вогонь виникає внаслідок поєднання інших елементів із киснем. Крім того, на основі подібних вимірювань трохи згодом Джон Дальтон виявив, що вагу елементів у хімічних реакціях можна визначити, зважаючи на гіпотези, що чисті хімічні сполуки на кшталт води або солі містять велику кількість частинок (пізніше названих молекулами), які самі складаються з певної кількості атомів чистих елементів. Молекула води, наприклад, містять два атоми водню і один атом кисню. Упродовж наступних десятиліть хіміки ідентифікували багато елементів: деякі були вже знайомі, як-от вуглець, сірка та поширені метали, а інші – нещодавно виділені, зокрема хлор, кальцій та натрій. Земля, повітря, вогонь та вода до цього переліку не потрапили. У першій половині XIX століття були розроблені правильні хімічні формули молекул, як-от води та солі, що дало змогу обчислювати співвідношення атомних мас різних елементів, спираючись на вимірювання ваги речовин, що беруть участь у хімічних реакціях.