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
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:
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.
Но видимая глазом радуга цветов занимает довольно скромное место в полном электромагнитном спектре. В 1800 г. британский астроном Вильям Гершель, первооткрыватель планеты Уран, решил измерить температуры различных цветов. Каково же было его удивление, когда он увидел, что в невидимой части за красным концом спектра термометр давал высокие показания. Измеренное Гершелем низкочастотное излучение, которое располагается непосредственно у границы видимого спектра, известно сегодня как инфракрасный свет.
Годом позже немецкий физик Иоганн Риттер, узнав про опыты Гершеля, принялся исследовать область на фиолетовом конце спектра. Он обнаружил, что невидимые лучи из этой части спектра, позже названные ультрафиолетовыми, сильно воздействовали на хлорид серебра, который, как было известно, реагирует на свет.
Следующими в электромагнитном спектре на очереди стояли радиоволны. В конце 80-х гг. XIX в. для проверки теории Максвелла немецкий ученый Генрих Герц собрал излучатель в форме гири, который производил электромагнитные волны с частотами ниже, чем у инфракрасного света. Приемник, расположенный рядом, принимал эти волны, сигнализируя об этом искрой. Измерив скорость и другие свойства волн, Герц доказал, что это невидимые аналоги света. Гипотеза Максвелла получила блестящее подтверждение.
Границы спектра продолжали расширяться. В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген обнаружил, что электрический разряд, идущий от спирали, запаянной внутри стеклянной трубки, дает высокочастотное излучение. Невидимые лучи выходили из трубки, преодолевали черный картон, в который Рентген ее оборачивал, пролетали около метра и заставляли светиться бумагу, покрытую химическими солями. Благодаря своей проникающей способности рентгеновское[6] излучение как нельзя лучше подходит для создания изображений. Гамма-излучение, открытое французским ученым Полем Вилларом пять лет спустя после экспериментов Рентгена, обладает еще более высокой частотой и замыкает известный нам электромагнитный спектр.
Да, у света, который диктуют уравнения Максвелла, мало общего с ньютоновскими корпускулами. Электромагнитное излучение, скорее, должно стоять рядом с такими волновыми явлениями, как сейсмические толчки, морские волны и звук. Все эти колебания распространяются по какой-либо материальной среде. Возникает законный вопрос: по какой среде бежит свет? Разве он может бежать по абсолютному вакууму?
Многие ученые XIX столетия думали, что все пространство заполняет неуловимая субстанция под названием эфир, по которой, как по трубам, идут световые колебания. А значит, если измерять скорость света в разных направлениях, она должна меняться вместе с направлением эфирного ветра. Знаменитый эксперимент американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли 1887 г. зарубил эту гипотезу на корню. Однако научному миру было по-прежнему трудно понять, как это свет может лететь в чистейшей пустоте, особенно если учесть почти полную аналогию с волнами в материальных средах.
Факт постоянства скорости света заставил задаться еще одним важным вопросом. В мысленном эксперименте, который много раз проигрывал молодой Альберт Эйнштейн (1879-1955), он пытался представить, что произойдет, если бежать наперегонки со световой волной и «сесть» на нее? Тогда она застынет, как выхваченный фарами из темноты олень? Или, по-другому, измерим ли мы в таком случае нулевую скорость света? Ньютоновская механика отвечает на этот вопрос положительно: если два тела двигаются с одинаковыми скоростями, друг другу они будут казаться покоящимися. В уравнениях Максвелла тем не менее нет никакого намека на скорость наблюдателя. Свет пролетает с одной и той же скоростью, подгоняемый неразрывной связью между электрическими и магнитными колебаниями. На решение этого кажущегося парадокса молодой Эйнштейн потратил немало творческих сил.
Его специальная теория относительности, опубликованная в 1905 г., сняла этот вопрос. Эйнштейн добавил в ньютоновскую механику множители, которые приводили к растяжению временных промежутков и укорочению расстояний для экспериментатора, движущегося почти со скоростью света. Эти два эффекта, известные соответственно как замедление времени и сокращение длины, так друг друга компенсируют, что
