Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Среди однокашников Максвелл слыл общительным человеком и блестящим студентом, но со странностями. Он постоянно экспериментировал и старался делать всё по-своему. Это касалось даже сна. Решив, что лучше всего спать с перерывами, он некоторое время укладывался в пять и просыпался в девять вечера. С десяти вечера до двух ночи он прилежно занимался, а потом около получаса разминался, бегая вверх-вниз по лестнице общежития. Нет нужды говорить, как к этому относились соседи. Оставшееся до семи утра время он снова спал.

Окончив университет, Максвелл остался в Кембридже, где читал лекции и проводил эксперименты. Именно в этот период он познакомился с трудами Фарадея. Узнав о противоречии между фарадеевым представлением о «поле» и «дальнодействием», он подошёл к проблеме со всей осторожностью. «Прежде чем начать изучение электричества, я решил не читать никаких математических работ по этому предмету до тщательного прочтения мной "Экспериментальных исследований в области электричества" Фарадея. Я знал, что между пониманием явлений Фарадеем и концепцией математиков предполагалось наличие такой разницы, что ни тот, ни другие не были удовлетворены языком друг друга», – писал Максвелл. Вскоре его захватила идея Фарадея о существовании поля. Позднее, в «Трактате об электричестве и магнетизме» он писал: «Фарадей видел силовые линии, пронизывающие всё пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающих на расстоянии. Фарадей предполагал источник и причину явлений в реальных действиях, протекающих в среде, они же были удовлетворены тем, что нашли их в силе действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам».

Максвелл решил развить идеи Фарадея. Он начал с рассмотрения четырёх основных известных фактов об электричестве и магнетизме.

Электрические заряды притягиваются или отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; этот же закон справедлив для тяготения. Движущийся заряд, или ток, создаёт магнитное поле (закон Эрстеда), а поскольку заряд окружает электрическое поле, можно сказать, что движущееся электрическое поле вызывает появление магнитного поля. Движущийся магнит создаёт ток, а следовательно, и электрическое поле (закон Фарадея). Электрический ток в одной цепи может наводить ток в соседней цепи.

Вскоре Максвелл понял, что представление о поле не просто красиво; оказалось, его можно легко перевести на язык математики. Сначала он сосредоточил внимание на аналогии между силовыми линиями поля и представлением о потоке, которое использовалось в науке о течении жидкостей – гидродинамике. Используя методы этой науки, он ввёл понятие о «трубках тока», подобных тем, по которым течёт вода, но в данном случае они предназначались для электрического тока. Скорость течения соответствовала силе тока, а разница давлений – электрическому потенциалу (разности напряжений).

Максвелл послал свою первую статью «О фарадеевых силовых линиях» самому Фарадею. Тот поначалу был ошарашен сложностью математических методов, которые потребовались для рассмотрения проблемы, но тщательно изучив их, обрадовался тому, что на многое они позволяют взглянуть по-новому. Позже Максвелл опубликовал вторую работу «О физических силовых линиях», но затем увлёкся решением другой задачи.

Кембриджский университет предложил премию тому, кто определит физические свойства колец Сатурна. Эта задача захватила Максвелла, и он вплотную занялся её решением. Более двух лет он занимался расчётами и убедился, что кольца не могут быть сплошными, жидкими или газообразными; чтобы оставаться устойчивыми, они должны состоять из мелких частиц, каждая из которых вращается вокруг Сатурна по своей орбите. Его работа без труда получила премию, а современные данные показывают, что Максвелл был прав.

Вскоре после того, как ему присудили премию, Максвелл снова занялся электрическим и магнитным полями. В конце концов ему удалось записать каждое из основных свойств этих полей в математическом виде и получить четыре уравнения. Однако вскоре оказалось, что они внутренне противоречивы; чтобы обойти эту трудность, Максвелл добавил к одному из уравнений дополнительный член.

Максвелл проанализировал смысл введения этого члена и обнаружил, что тот соответствует новому типу электрического тока, сейчас он называется током смещения. Когда электрическая сила действует на заряд в изоляторе, он не может двигаться свободно, а лишь слегка смещается. При прекращении действия силы, заряд возвращается к положению равновесия и некоторое время колеблется около него. Отсюда следует, что если периодически изменять электрическую силу (например, многократно включать и выключать её), можно вызвать переменный ток, текущий через изолятор. Сегодня трудно переоценить важность этого открытия.

Четыре уравнения Максвелла – до сих пор основа описания всех электрических и магнитных явлений. Они представляют собой одно из крупнейших достижений физики за всю её историю. Электричество и магнетизм слиты воедино, а связь между ними очень ясно видна из уравнений Максвелла.