Холодильник Эйнштейна

Понять логику Максвелла можно следующим образом: представьте, что держите конец очень длинной веревки. Она достаточно туго натянута, и другой ее конец находится, скажем, в километре от вас. Встряхните тот конец веревки, который держите в руке. Вы увидите, как от вас по веревке пройдет волна. Теперь встряхните веревку несколько раз. По ней пойдут последовательные волны.

Чтобы понять почему, представьте веревку в форме цепи из крошечных бусин. Каждая из них соединяется с соседней коротким отрезком резинки. Когда вы двигаете первую бусину в цепи, она тянет за собой соседнюю, которая, в свою очередь, тянет следующую, и так далее. Движение первой бусины вверх-вниз, таким образом, последовательно переносится на все бусины, и кажется, что по веревке проходит волна.

Как быстро волна проходит по веревке? Это зависит от тяжести бусин и натяжения связывающей их резинки. Если бусины тяжелые, волна идет медленнее, поскольку на передвижение бусин затрачивается больше усилий. Если резинка натянута туже, волна идет быстрее, поскольку каждая бусина в таком случае сильнее тянет за собой соседнюю. Интуитивно понятно, что если встряхнуть конец тяжелой, плохо натянутой веревки, то волна пойдет по ней медленно. По тугой и легкой гитарной струне волны, напротив, проходят со скоростью более 1000 км/ч.

В представлении Максвелла пустота заполнена тугими “струнами” такого типа. Они выходят из множества частиц, из которых состоит “материя” окружающего мира. Возьмем, например, крошечный отрицательно заряженный электрон — составную часть всех атомов. Представьте одинокий неподвижный электрон в пустом пространстве. Тугие струны тянутся от него во всех направлениях даже в вакууме. Называемые силовыми линиями электрического поля, они невидимы и неосязаемы, но если поместить другую заряженную частицу, например положительно заряженный протон, на силовую линию, то она потянется к электрону, прямо как одна бусина в цепи тянется к соседней.

Теперь представьте, что электрон начинает колебаться вверх-вниз. Подобно волне, которая проходит по веревке, волны распространяются от электрона по силовым линиям электрического поля, выходящим из него.

С какой скоростью движутся волны электрического поля? Совершив один из важных прорывов в науке, Максвелл понял, как ответить на этот вопрос. Возьмите одну силовую линию, идущую от электрона. Представьте, что по всей длине на ней размещены крошечные магнитные стрелки. При движении волны вдоль силовой линии стрелки крутятся из стороны в сторону — сначала к ней, а затем от нее. Возможно, читателям известно, что идущий по проводу электрический ток может проявлять подобный эффект, создавая вокруг так называемое магнитное поле. Максвелл утверждал, что при распространении по силовым линиям электрического поля волны порождают волны в сопутствующем магнитном поле. Он представлял, что эти волны распространяются под прямым углом друг к другу. Пусть волна электрического поля колеблется вверх-вниз при движении слева направо мимо вас. В таком случае сопутствующая волна магнитного поля будет колебаться, становясь то ближе к вам, то дальше от вас. Важно отметить, что генерация волн магнитного поля требует усилий, как и передвижение тяжелых бусин по веревке.

В своих рассуждениях Максвелл полагался на интуицию, на собственное чутье. Но в этом был огромный плюс. Как мы помним, при колебаниях цепи мы вычисляли скорость распространения волны, взвешивая одну из бусин и оценивая степень натяжения связующих резинок. Подобным образом Максвелл мог легко измерить их эквиваленты при работе с силовыми линиями. Степень натяжения оценивалась как сила притяжения двух заряженных тел друг к другу. Эквивалентом массы бусины была напряженность магнитного поля, создаваемого при течении тока известной силы по проводу.

На основе этих данных Максвелл вычислил, что “электромагнитные” волны распространяются со скоростью около 300000 км/с. Подумать только! Это значение оказалось на удивление близко к предполагаемой скорости света — слишком близко, чтобы списать это на совпадение. Представлялось крайне маловероятным, что свет “случайно” движется с той же скоростью, что и электромагнитные волны; гораздо более вероятным казалось предположение, что свет является электромагнитной волной.

Суть в том, что любой колеблющийся электрический заряд испускает электромагнитную волну. Следовательно, существование дневного света объясняется постоянными колебаниями электронов на солнце. Эти электроны пускают волны по силовым линиям, которые расходятся от них. Когда волны достигают наших глаз, они колышут заряженные частицы на нашей сетчатке. (И это называется зрением.)