Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

«Посмотри, как мое упрямое игнорирование определенного образа мысли привело к тому, что Клаузиус разошелся со мной во взглядах, и я неудачно попытался по возможности закрыть на это глаза, поэтому его нет в моей книге о тепле, хотя он заслуживает быть там благодаря другим своим достоинствам».

Немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус, который считается одним из столпов термодинамики.

Джеймс представил свои идеи на собрании Ассоциации содействия развитию науки, проведенном в Абердине в сентябре 1859 года. В следующем году он изложил их в виде статьи под названием «Пояснения к динамической теории газов*. Но его дни в Маришал колледже были сочтены: объединение двух учебных заведений с целью создания нового Абердинского университета должно было состояться к 1860-1861 учебному году. Проблема была в том, что в Кингс-колледже также имелся пост профессора натуральной философии, а в новом университете не должно было быть двух одинаковых должностей. В Кингс-колледже это место занимал Дэвид Томсон, который, кроме того, являлся заместителем ректора и секретарем. Он столь мастерски вел переговоры, что его называли «коварным». Не стоит и говорить, что в данном столкновении выиграл он. Превосходство научных работ Максвелла могло бы перевесить чашу весов в его пользу, но в Абердине не было никого, кто мог их оценить.

Как раз в это время его наставник Джеймс Форбс оставил должность преподавателя в Эдинбургском университете. Перед Максвеллом открылась отличная возможность, и он представил свою кандидатуру на должность. Однако то же самое сделал его друг Тэт, который тогда находился в Белфасте. И Максвелл снова проиграл. Ему повезло лишь на третий раз: Кингс-колледж в Лондоне через некоторое время пригласил Максвелла преподавать, и тот согласился. Время до начала новой работы он провел в Гленлэре, приводя в порядок владение и занимаясь написанием важной статьи по теории газов, а также другой, об упругих шарах, и, кроме того, доклада о своих экспериментах с цветами для Королевского общества. Практически сразу ему сообщили, что Королевское общество предоставило ему медаль Румфорда.

Этим же летом 1860 года Максвелл оказался на грани смерти. Он заболел оспой, но, к счастью, поправился. В октябре того же года Максвеллы собрали вещи, готовясь перебраться в столицу Британской империи.

ГЛАВА 7

Электрическая вселенная

Самой важной работой Максвелла было создание электромагнитной теории, что потребовало серьезных интеллектуальных усилий. С ее помощью был объяснен ряд явлений, которые вызывали головную боль у нескольких поколений физиков. Но прежде всего революционность данной теории заключалась во введении в научный обиход в строгом, математически сформулированном виде одного из основных понятий физики — электромагнитного поля.

В начале XIX века электричество стало новой научной игрушкой благодаря открытию гальванических элементов. Ответственность за создание первого из них лежит не на человеке, а на лягушке... Точнее, на препарированной лапе лягушки и серии хитроумных экспериментов итальянского врача, физиолога и физика Луиджи Гальвани (1737-1798) в 1786 году. В том году Гальвани заметил, что мышцы лапы препарированной лягушки начинают сокращаться, когда ее кладут на стол рядом с электрической машиной — аппаратом, способным давать электрические разряды. Работы Гальвани по данному электрическому эффекту (он назвал это «животным электричеством») привлекли внимание другого итальянца, физика Алессандро Вольты (1745-1827). Для него в таких сокращениях не было ничего необычного, ученый не счел это новым типом электричества, отличным от уже известных. Просто нервы и мышцы лягушки работали как чрезвычайно чувствительный аппарат, способный обнаружить очень слабый электрический ток, намного более слабый, чем тот, что могли измерить в то время. Вольта подкрепил свои идеи изобретением первой электрической батареи, которую он описал в своем письме Королевскому обществу в 1800 году. Батарея Вольты состояла из чередующихся между собой пластин из меди и цинка. Пластины были разделены картонными дисками, смоченными в соленой воде. Сочетание этих элементов и составляло батарею, «вольтов столб», а количество вырабатываемого электричества зависело от числа использованных пластин.

Батарея Вольты открыла дорогу к разложению веществ на их составные элементы. С ее помощью британский химик Гемфри Дэви и его молодой помощник Майкл Фарадей разложили воду на водород и кислород, а также получили азот и хлор. Данный процесс электрического разложения и причина выделения химических элементов на полюсах батареи стали предметом оживленного спора. Вскоре было установлено, что причиной является химическая реакция между раствором соли и куском цинка, который постепенно растворялся. Когда цинк заканчивался, химическая реакция останавливалась, и электрический ток переставал вырабатываться. Интересно, что химические реакции производили электричество, а электричество осуществляло химические реакции. Но если электричество хранило в себе такие сюрпризы, то магнетизм был еще более загадочным.

Пожалуй, существует мало настолько же завораживающих вещей, как поведение пары магнитов, и возможно поэтому магнетизм всегда был окутан ореолом загадки. Для древних он являлся ощутимым доказательством присутствия невидимых сил. Есть ли что-то более удивительное, чем наблюдать за куском железа, таинственно притягиваемым магнитом? Или ощущать невидимое противостояние, когда мы пытаемся приблизить друг к другу одинаковые полюса двух из них?

В Китае еще в древности открыли, что удлиненный кусок магнетита, плавающий в ведре с водой, ориентируется в направлении север-юг. В 376 году до н.э. генерал Хуан Ти использовал столь любопытное явление для ориентации при движении своей армии. Но применять магнит в морской навигации китайцы начали только через 900 лет. Этот примитивный компас был заимствован арабами и с ними пришел в Европу.

В то время как корабли начинали использовать новый инструмент, Петрус Перегринус де Марикур (ок. 1260) исследовал природу магнетизма и был первым, открывшим существование двух магнитных полюсов. Он обозначил их как северный и южный. По его мнению, таинственные силы, благодаря которым железо двигается к магниту, были похожи на силы, которые заставляют планеты и Солнце вращаться вокруг Земли.

Свою самую знаменитую работу, «Послание о магните» (1269), де Марикур написал в военном лагере во время осады Лучеры.

Это был великий пример эмпиризма в эпоху, которую характеризует практически полное отсутствие интереса к наблюдению и экспериментам.

Уравнения Максвелла имели большее влияние на историю человечества, чем десять президентов.

Карл Саган, американский астроном и популяризатор науки

Пришлось ждать до 1600 года, пока появилось то, что по заслугам считается первой значимой научной книгой в Англии:

«О магните, магнитных телах и Большом Магните — Земле».

Ее написал Уильям Гильберт (1544-1603), врач королевы Елизаветы I, отец экспериментальной английской науки. Ему мы обязаны словом «электричество», произошедшим от греческого elektron. В работе описываются многочисленные эксперименты с железом и железняком, лабораторные инструменты, разработанные самим Гильбертом, и многочисленные разоблачения заблуждений, свойственных тому времени. Но прежде всего, в ней содержится объяснение поведения компаса.

Для этого Гильберт сделал магнитную сферу, названную им терреллой (маленькой Землей), которая служила ему лабораторным образцом для описания Большого Магнита — Земли.