где‐то в Эгейском море был остров, полностью состоявший из магнетита, и если корабль подходил к нему слишком близко, то железные гвозди, которыми были сшиты деревянные части корабля, тут же выскакивали наружу.
Легенды легендами, но у природных магнитов было одно крайне важное и полезное свойство. Кусочки магнетита всегда принимали строго определенное положение относительно севера и юга, и их можно было использовать в качестве компаса. А компас был очень полезным инструментом – он позволял людям ориентироваться по сторонам света даже в совершенно незнакомой местности. Компас стал поистине бесценным для моряков в открытом океане или каравана, бредущего через пустыню. В Китае простейшие компасы из магнитного железняка использовались еще в IV веке до нашей эры. А позже, в IX и X столетиях нашей эры, когда викинги из Скандинавии устраивали набеги на Европу, они тоже ориентировались в море или в густом тумане при помощи компасов, сделанных из железняка.
Последующее изучение электричества и магнетизма выявило два их ключевых свойства. Родившийся примерно за 100 лет до Ньютона английский ученый Уильям Гильберт (1544–1603), придворный медик королевы Елизаветы I, открыл основной закон, управляющий поведением магнитов. Магнитные полюса не могут существовать самостоятельно, в отрыве друг от друга – поэтому у каждого магнита всегда есть оба полюса (сейчас мы называем их северным и южным). Затем родившийся почти 10 лет спустя после кончины Ньютона французский ученый Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) тщательно изучил силу, возникающую между электрическими зарядами, и выяснил, что ее действие можно описать простым уравнением, очень похожим на ньютоновские законы тяготения. (Так как в дальнейшем это уравнение нам не понадобится, мы не станем его здесь приводить.)
Так обстояли дела, когда началась промышленная революция. У людей было некоторое общее представление о статическом электричестве и магнетизме, но какой‐то связи между этими явлениями природы никто не видел. Понимание этой связи появилось, как это часто происходит в науке, как результат новых достижений в технике. Итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1837) изобрел устройство, которое он назвал «электрическим столбом», а мы называем батареей. Это устройство вырабатывало подвижные электрические заряды – проще говоря, электрический ток. Это была новая, прежде неведомая форма электричества. Эксперименты с электрическим током и привели в конечном счете к глубокому пониманию природы электричества и магнетизма.
Стена, с давних времен разделявшая в представлении людей электричество и магнетизм, дала трещину во время лекции по физике в Копенгагене. Лектор, датский физик Ханс Христиан Эрстед (1777–1851), демонстрируя студентам новое устройство Вольты, вдруг заметил, что каждый раз, когда батарея Вольты дает ток, стрелка лежавшего поблизости компаса приходит в движение. Таким образом оказалось, что движущиеся электрические заряды обладают магнетическими свойствами! Электричество и магнетизм оказались связанными явлениями! Но на установление природы этой связи ушло еще много времени.
Вероятно, за один только сегодняшний день вы, сами того не зная, уже неоднократно воспользовались результатами открытия Эрстеда: ведь из него логически следует изобретение электромотора. И когда вы, нажав кнопку, поднимаете стекло в окне вашей машины или делаете в миксере томатное пюре, вы – даже не задумываясь – пожинаете плоды этого открытия.
Спустя еще десятилетие английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) наконец поставил на место последний кусочек этой мозаики. Он обнаружил, что, если вы изменяете магнитное поле вблизи провода (например, положив магнит в петлю из медной проволоки), по проводу проходит ток, даже если к нему не подсоединен никакой источник электроэнергии.
Таким образом, разговор об электричестве мы можем кратко изложить в виде четырех тезисов:
1. Разноименные электрические заряды притягиваются; одноименные отталкиваются (закон Кулона).
2. Не существует изолированных магнитных полюсов.
3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля.
4. Переменные магнитные поля порождают электрические токи.
Эти четыре тезиса, записанные в виде формул, играют в области электричества и магнетизма такую же роль, какую законы Ньютона играют в механике. Они исчерпывающе описывают все, что нам известно об этих явлениях. Таким образом, мы возвращаемся к ситуации, когда множество сложных природных явлений описывается несколькими простыми короткими законами.
Мы еще много раз будем обращаться к сформулированным выше тезисам об электричестве и магнетизме, рассуждая о возможности жизни на экзопланетах. В главе 13, например, мы поговорим о том, как могут повлиять на биосферу планеты корональные выбросы массы – гигантские пузыри ионизованного газа, вырывающиеся из недр Солнца. Их образование и движение описываются именно законами электромагнетизма – а ведь они способны разрушить даже высокоразвитую технологическую цивилизацию вроде нашей за какие‐то несколько часов. Поговорим мы и о том, что у Марса, в отличие от Земли, нет магнитного поля. Это позволяет солнечному излучению воздействовать непосредственно на поверхность планеты и, с вероятностью, уничтожать на ней любые возможные проявления жизни. Законы электричества и магнетизма будут особенно важны, когда мы будем говорить о развитии жизни, совершенно непохожей на нашу, – ведь взаимодействие электрических и магнитных полей позволяет нам задать и описать тот уровень сложности, который мы видим в жизни, существующей по законам химии. Но истинная важность этих тезисов состоит в том, что они – самый ценный инструмент в наборе средств, с помощью которого мы выбираем направления для поиска жизни во Вселенной и который позволяет нам осознать ограничения, накладываемые природой на возможность возникновения и развития жизни на различных экзопланетах.
Записанные нами законы обычно называют уравнениями Максвелла, в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879). Хотя сам он не открыл ни одного из этих законов, но именно он первым осознал, что эти законы представляют собой стройную математическую систему, связывающую воедино электричество и магнетизм. Максвелл был одним из ведущих математиков своего времени – он работал над теми разделами высшей математики, которые мы сейчас называем частными дифференциальными уравнениями и векторным анализом. Когда он применил эти методы исчисления к математической формулировке четырех законов электромагнетизма, то получил поистине удивительный результат. Из его уравнений логически следовало, что, когда электрические заряды ускоряются, они должны излучать некие волны. Такие волны, в свою очередь, должны состоять из колеблющихся электрического и магнитного полей и перемещаться в пространстве со скоростью, определяемой воздействием сил, возникающих между электрическими зарядами и магнитными полюсами, – а так как эти силы были известны, то и скорость можно было вычислить.
Должно быть, Максвелл был потрясен, когда рассчитал численное значение этой скорости – она оказалась равной скорости света, примерно 300 000 км/с. Свет оказался еще одной формой электромагнитного излучения. Таким образом, носок, прилипший к полотенцу, магнит, удерживающий список неотложных дел на дверце холодильника, и ваша возможность читать этот текст – поскольку именно свет позволяет вам видеть и распознавать буквы – связаны напрямую и являются проявлениями одного и того же физического явления.
И это еще не все. Видимый
