В своем трактате об оптике Ньютон писал: «При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении»9.
Вера Ньютона в то, что это Бог придумал атомы, отражает его глубоко религиозные взгляды на происхождение мироздания. Великий ученый считал, что только бессмертное существо способно сконструировать, запустить и время от времени регулировать в остальном механическую Вселенную. Пример Ньютона наряду с не менее набожным Бойлем показывает, как атомизм и религия могли уживаться в одном человеке.
Из работ Ньютона следовало, что Солнечная система управляется силами тяготения. Они выходят на передний план на астрономических масштабах, но вот чтобы удерживать вместе атомы, гравитация слишком слаба. В связанном состоянии атомы существуют благодаря электростатической силе, представляющей собой частный случай электромагнитного взаимодействия. В то время как сила тяжести определяется массой, электростатическое притяжение или отталкивание действует на тела, обладающие электрическим зарядом - особой физической характеристикой.
Знаменитый американский государственный деятель Бенджамин Франклин, живший в XVIII в., первым стал разделять электрические заряды на положительные и отрицательные. Под влиянием трудов Франклина и Ньютона британский естествоиспытатель Джозеф Пристли предположил, что электростатическая сила, как и сила тяготения, подчиняется закону обратных квадратов, только роль массы играет заряд. В отличие от гравитационных сил, которые всегда являются силами притяжения, электростатические могут приводить как к притяжению, так и к отталкиванию. В 80-х гг. XVIII в. эти гипотезы были подтверждены на опыте французским физиком Шарлем Огюстеном де Кулоном, чье имя и носит сегодня закон электростатического взаимодействия.
Помимо электростатической силы есть еще одна сила, которая тоже может быть силой притяжения или отталкивания, - магнетизм. Аналогом положительных и отрицательных электрических зарядов здесь являются северный и южный полюса магнита. Древним был известен магнитный железняк, и они знали, что если подвесить кусочек магнитной руды в воздухе, то он выстроится вдоль направления север-юг. Само слово «магнетизм» происходит от греческого названия этой руды, а «электричеству» дал начало янтарь, по-гречески «электрон», ведь именно этот материал легко электризуется.
Ньютону в его модели силы представлялись своего рода невидимыми канатами, тянущимися через пространство между телами и связывающими их. Мальчик в церкви, стоящий внизу, тоже, дергая за тонкую веревку, заставляет звонить подвешенный в башне колокол. Эту концепцию называют действием на расстоянии. В каком-то смысле это продолжение идей Демокрита об атомах, движущихся в абсолютной пустоте. Два тела почему-то «чувствуют» друг друга, хотя между ними нет никакой среды, через которую могло бы передаваться взаимодействие.
Британскому физику Майклу Фарадею (1791-1867) идея о действии на расстоянии была интуитивно непонятна. Поэтому он предложил концепцию электрических и магнитных полей, своеобразных посредников, способных переносить электрические и магнитные силы. Поле можно себе представлять в виде океана, заполняющего собой все пространство. Тогда заряд в электрическом поле или магнитный полюс в магнитном - это все равно что пароход, вокруг которого бурлит вода, заставляя мелкие катера отклоняться от курса. Допустим, вы отплыли от калифорнийского побережья на лодке, и вдруг вас начинает шатать из стороны в сторону. Первое, что придет вам в голову: сюда идет большое судно - это от него волны. Так и у заряда с магнитом: они чувствуют возмущение электрического или магнитного поля, произведенное другими зарядами или магнитами.
Ребенок, играющий с бруском магнита в освещаемой электрическими лампами комнате, вряд ли догадается, что у этих двух явлений много общего. Между тем Фарадей, датский физик Ганс Христиан Эрстед и другие ученые XIX столетия экспериментально доказали, что электричество может вызывать магнитные явления и наоборот. Например, заметил Эрстед, если во время включения и выключения рубильника к нему поднести компас, магнитная стрелка у того отклонится. Аналогично если поводить магнитом у провода, то, как показал Фарадей, в нем возникает электрический ток (движение зарядов) - явление, называемое индукцией. Так что сообразительный ребенок мог бы запросто осветить свою детскую, будь у него магнит, лампочка и провод.
И теория дождалась своего создателя. Выдающийся физик Джеймс Клерк Максвелл разработал математический аппарат, с помощью которого удалось объединить электрические и магнитные явления в рамках единой теории электромагнетизма. Родился Максвелл в 1831 г. в Эдинбурге, в Шотландии, а детство провел в сельской местности, где и зародилась его любовь к природе. Он любил прогуливаться вдоль илистых берегов речушек и следовать за их замысловатыми изгибами. Будучи уже взрослым, в Королевском колледже Лондонского университета, где он возглавлял кафедру физики и астрономии, Максвелл заинтересовался другим типом течений - фонтанами электрического и магнитного полей, бьющими из своих источников.
Уверенный в том, что электричество и магнетизм должны описываться одной системой уравнений, в 1861 г. Максвелл собрал воедино все известные тогда факты, указывавшие на взаимосвязь этих на первых взгляд разнородных явлений. Электрическое поле, создаваемое зарядом, а значит, и электростатическая сила описывались законом Кулона. Затем работы Эрстеда помогли Андре-Мари Амперу (1775-1836) установить закон взаимодействия двух токов.[5] Закон Фарадея, в свою очередь, говорил, что изменяющиеся во времени магнитные поля индуцируют электрические поля, и, кроме того, было известно, что и меняющееся электрическое поле рождает магнитное. Максвелл свел все эти законы воедино, ввел дополнительный член в связь между магнитным полем и создающим его током и в своей классической работе «О физических силовых линиях» выписал полную систему уравнений.
Максвелл показал: одно из ее решений предсказывает, что ходящий вверх и вниз по антенне электрический ток будет создавать переменные электрическое и магнитное поля, свободно распространяющиеся в пространстве и колеблющиеся под прямым углом друг к другу. То есть если электрическое поле колеблется в вертикальной плоскости, магнитное будет располагаться в горизонтальной, и наоборот. Получается электромагнитная волна, расходящаяся от источника, как рябь от брошенного в озеро камня.
Электромагнитное излучение - это нечто вроде танца, который совершают стоящие друг за другом мужчины и женщины, причем мужчины двигают руками вверх-вниз, а женщины вправо-влево. Допустим, первым идет мужчина. Когда стоящая позади женщина замечает, что он начал опускать руки, она совершает движение руками вправо-влево. Увидев это, следующий за ней мужчина, в свою очередь, принимается поднимать и опускать руки и т. д. Так волна из сменяющих друг друга движений рук бежит от начала цепочки к ее концу. Подобным же образом сменяют друг друга электрические и магнитные «жесты» в электромагнитной волне, выбрасываемой источником в пространство.
Из открытия Максвелла следовал невероятный вывод. Когда великий физик посчитал скорость электромагнитных волн, оказалась, что она совпадает со скоростью света. Максвеллу ничего не оставалось, как сделать смелое заключение: свет есть электромагнитная волна. Были сорваны покровы с тайны, мучившей человечество с древних времен, - свет не один из элементов («огонь» древних греков), а излучение движущихся электрических зарядов.
До рубежа XIX и XX вв. науке был известен только видимый спектр: цвета радуги, на которые распадается солнечный свет. Каждому чистому тону соответствует своя длина волны и частота электромагнитных волн. Длина волны - это расстояние между двумя последовательными пиками горной цепи электромагнитных колебаний. Частота - количество пиков волны, которые за секунду проходят через определенную точку в пространстве. (Представьте, что вы стоите на платформе и считаете, сколько вагонов идущего мимо экспресса пронеслось за секунду.) Поскольку без материи свет всегда бежит с одной и той же скоростью, следующей из уравнений Максвелла, его длина волны и частота обратно пропорциональны друг другу. У красного, цвета с наибольшей длиной волны, частота самая низкая, как если бы мимо станции проезжал неторопливый грузовой состав. Цвет с наименьшей длиной волны, фиолетовый, наоборот, колеблется быстрее всех, напоминая просвистывающий мимо поезд на магнитной подушке.
