Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Экспериментируя с этими четырьмя уравнениями, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в пустом пространстве. Более того, он смог вычислить их скорость. Утверждение, что она равна скорости света, повергла его коллег в настоящий шок. Иными словами, Максвелл пришел к выводу, что свет сам должен быть электромагнитной волной!

Эти ученые – Ампер, Фарадей и Максвелл – безусловно, знали, что стоят на пороге масштабной революции в физике. Другие исследователи на протяжении целого столетия изо всех сил пытались разъяснить природу электричества, а эти трое раз за разом открывали совершенно новые горизонты. Я иногда задаюсь вопросом, удавалось ли им вообще спать по ночам?

Уравнения Максвелла, объединенные в общую теорию в 1861 году, стали истинным венцом физики XIX века и уж, безусловно, всей физики в период между Ньютоном и Эйнштейном. И, как все великие открытия, указали путь для дальнейших усилий в деле унификации фундаментальных научных теорий.

Со времен Максвелла физики потратили немалые усилия в попытке разработать единую теорию четырех фундаментальных сил природы: электромагнитных сил, сильного и слабого ядерного взаимодействия и гравитации. Альберт Эйнштейн последние тридцать лет своей жизни пытался объединить электромагнетизм и гравитацию в теорию, которая впоследствии получила название единой теории поля, но все же не успел этого сделать.

Поиски продолжаются и доныне. В 1979 году физики Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг получили Нобелевскую премию за объединение электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия в то, что теперь известно как единое электрослабое взаимодействие. Многие физики по-прежнему пытаются объединить электрослабое и сильное ядерное взаимодействие в то, что назвали теорией великого объединения. Достижение такой степени унификации станет великим научным прорывом, на одном уровне с теорией Максвелла. А если каким-то образом, где-то когда-то кому-то из физиков посчастливится включить в теорию великого объединения гравитацию и создать то, что уже сегодня многие называют теорией всего, то это, безусловно, станет святым Граалем физики. Унификация – великая и мощная мечта.

Вот почему во время чтения курса «Электричество и магнетизм» я, описав уравнения Максвелла во всем их великолепии и простоте, проецирую их на стены и потолок лекционного зала и праздную эту важную веху со своими студентами, даря им цветы. Подождите еще немного и вы узнаете об этом больше в главе 15.

Одна из самых популярных демонстраций, которые я показываю студентам вот уже много лет, заключается в том, что я, рискуя собственной жизнью, сую голову прямо под своего рода снаряд для сноса зданий – мини-версию шарового тарана, но такую, которая легко может убить, уверяю вас. Если настоящие тараны, используемые командами по сносу, обычно представляют собой огромную гирю, или сферический груз, весом 1000 килограммов, то я сделал свой из груза весом в 15 килограммов. Стоя в одной части лекционного зала с головой, прижатой к стене, я держу груз в руках прямо у подбородка. Отпускать его следует очень осторожно, чтобы не дать ему ни малейшего толчка, даже самого крошечного. Любой толчок непременно приведет к тому, что я буду травмирован, а то и убит, – так я говорю студентам. Я прошу их не отвлекать меня, не шуметь и даже прекратить на какое-то время дышать, в противном случае, сетую я, это может стать последней лекцией в моей жизни.

Должен признаться, что каждый раз, выполняя эту демонстрацию, я и правда чувствую мощный прилив адреналина, когда тяжелый шар пролетает рядом с моей головой. Я, конечно, совершенно уверен, что моя любимая физика меня спасет, но все равно всегда нервничаю, когда шар со свистом проносится совсем близко от моего подбородка. Инстинктивно я даже стискиваю зубы. И, если честно, всегда зажмуриваюсь! Что же, спросите вы, дает мне силы раз за разом проводить этот эксперимент? Полная и абсолютная уверенность в одной из самых важных концепций всех областей физики – законе сохранения энергии.

Среди самых замечательных особенностей нашего мира можно отметить способность одной формы энергии превращаться в другую, а затем в следующую и следующую, и даже обратно в исходную. Энергия может трансформироваться, но никогда никуда не исчезает и не появляется ниоткуда. По сути, такое преобразование происходит постоянно. Все цивилизации мира, не только развитые, но и самые технологически отсталые, зависят от этого процесса во множестве вариаций, что наиболее очевидно на примере еды. Химическая энергия пищи, в основном содержащаяся в углероде, преобразуется в химическое соединение аденозинтрифосфат (АТФ), который сохраняет энергию, а наши клетки используют ее для выполнения различных видов работ. То же самое происходит, когда мы зажигаем костер, превращая химическую энергию, хранящуюся в древесине или древесном угле (в процессе соединения углерода с кислородом), в тепло и углекислый газ. Именно это заставляет стрелу, выпущенную из лука, лететь по воздуху, преобразуя потенциальную энергию, увеличивающуюся при натяжении тетивы, в кинетическую, которая и движет стрелу вперед. В пистолете химическая энергия пороха превращается в кинетическую энергию быстро расширяющегося газа, выталкивающего пулю из ствола. А когда вы едете на велосипеде, энергия, толкающая педали, зарождается изначально как химическая энергия вашего завтрака или обеда, которую ваше тело преобразует в другую форму химической энергии (АТФ). Потом ваши мышцы используют ее, превращая некоторую ее часть в механическую энергию, чтобы сокращаться и расслабляться, благодаря чему вы и толкаете педали. Химическая энергия, хранящаяся в аккумуляторе вашего автомобиля, преобразуется в электрическую при повороте ключа зажигания. Часть электрической энергии идет к цилиндрам, где она воспламеняет смесь бензина, высвобождая химическую энергию горящего бензина. Затем эта энергия превращается в тепло, увеличивающее давление газа в цилиндре, который, в свою очередь, толкает поршни. Они вращают коленчатый вал, и трансмиссия направляет энергию в колеса, заставляя их крутиться. Благодаря этому удивительному процессу химическая энергия бензина позволяет нам ехать на автомобиле.