ОТ ФАЛЕСА ДО ФАРАДЕЯ

Истоки радио восходят к открытию единства и взаимосвязи электричества и магнетизма. О существовании электрических и магнитных явлений люди знали еще в древние времена.

Вспомним легендарного грека Фалеса из Милета, жившего в VI веке до нашей эры. Говорят, у его златокудрой дочери было янтарное веретено. Она будто и заметила электризацию янтаря — его свойство притягивать пылинки, нити, кусочки папируса при трении о шерсть. Может быть, это и сказка, но историки свидетельствуют, что янтарь был тогда в большом ходу и на столь необычное свойство наверняка обратили бы внимание. Не исключено, что именно история с янтарным веретеном много веков спустя подарила миру новое слово — «электричество». Ведь обработанный янтарь по-гречески — электрон, что значит «притягивающий к себе».

Столь же древнюю историю имеет и магнит. Три тысячи лет назад в Китае уже пользовались простейшим компасом — указателем юга. А вот еще одно древнее применение магнита, сильно напоминающее современный прибор, с помощью которого в аэропортах определяют наличие у пассажиров металлических предметов.

Как утверждают китайские ученые, нечто подобное уже было двадцать два века назад в городе Чан-Яне (нынешнем Сиане). Там ворота перед дворцом правителя были сделаны из магнитного железа. Ни один злоумышленник не мог пронести тайком через эти ворота оружие. Невидимая сила «вытаскивала» нож или меч из-под одежды, и стража уводила преступника в темницу…

По утверждению Платона, название «магнит» дано Эврипидом. По версии Плиния, свое имя магнит получил в честь сказочного пастуха Магниса, у которого к сандалиям и к палке прилипали странные камни. В сандалиях были железные гвозди, а у палки железный наконечник.

Тит Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей» утверждает, что слово «магнит» происходит от названия провинции Магнезия (теперешнее название Манисса). Есть там гора, где до сих пор встречаются магнитные камни.

Впервые связь между электричеством и магнетизмом обнаружил Ганс Христиан Эрстед — профессор химии Копенгагенского университета. А точнее не он, а студент, имя которого не вошло в историю. Как-то Эрстед читал лекцию, по ходу которой он демонстрировал свойство электрического тока нагревать проволоку. Рядом с проволокой лежал компас, никакого отношения к опыту не имевший, и один из студентов заметил движение стрелки компаса в тот момент, когда Эрстед включал и выключал ток.

Говорят, что случайность — дополнение неизбежности. За несколько лет до опыта Эрстед писал: «Следует испробовать, не производит ли электричество… каких-либо действий на магнит…» Данное открытие, пожалуй, еще одна иллюстрация к словам Луи Пастера: «Случай помогает лишь умам, подготовленным к открытию». Так было положено начало новой отрасли физики — электромагнетизму.

«Памфлет» Эрстеда с описанием опыта попал к французу Араго. Тот повторяет опыт и докладывает о новом явлении 4 сентября 1820 года на заседании академии в Париже. Доклад слушает Ампер. Он чувствует, что пришел наконец миг, которого он неосознанно ждал всю жизнь. Две недели напряженной работы, и его имя вошло в историю. Все мы знаем, что ампер — единица измерения электрического тока. Именно Ампер первым произнес слова «сила тока». Но не в том главная его заслуга. «…Я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам» — эти слова Ампера сохранились в протоколе заседания академии от 18 сентября 1820 года. Ампер показал, что два проводника, по которым течет электрический ток, притягиваются или отталкиваются подобно магнитам. А катушки с током взаимодействуют друг с другом как настоящие магниты. Он определил и направление действия электромагнитной силы в своем знаменитом «правиле пловца»: «Если дана проволока и направление идущего по ней тока, то следует представить себе наблюдателя, плывущего вместе с током и обращенного лицом к стрелке, тогда северный полюс стрелки отклонится в ту сторону, где находится левая рука наблюдателя». Так родилась электродинамика Ампера, сводящая все магнитные явления к электрическим.

Прошло 11 лет, и англичанин Майкл Фарадей решил обратную задачу: получил электричество с помощью магнита. 17 октября 1831 года он, быстро вдвигая намагниченный железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент времени в цепи катушки возникает импульс тока. Вот как писал сам Фарадей: «Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я также быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался. Значит, электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

До Фарадея такие же опыты проводил Ампер. Но он работал без помощника. Пока он после вдвигания сердечника шел в другую комнату (во избежание ошибок, связанных с сотрясением приборов, они были разнесены в разные комнаты), ток, возникавший только во время движения магнита, уже исчезал. Так Ампер пропустил открытие электромагнитной индукции.

Независимо от Фарадея примерно в то же время индукцию наблюдал американец Джозеф Генри, преподаватель гимназии в Олбани. Генри проводил опыты с электромагнитами, в конструировании которых достиг больших успехов. «Мне следовало напечатать это раньше, — сокрушался он впоследствии. — Но у меня было так мало времени! Хотелось свести полученные результаты в какую-то систему». Фарадей же отчеты о своих опытах публиковал регулярно.

Налицо была явная связь между электричеством и магнетизмом: электрический ток создает магнитное поле, а движущийся магнит создает электрическое поле.

Когда Фарадей продемонстрировал английскому королю Георгу IV свой опыт, тот, нахмурившись, спросил:

— Почему ваше изобретение не приносит практической пользы?

— Ваше величество, — ответил физик, — а какую пользу приносят дети, только что появившиеся на свет?

Фарадей интуитивно чувствовал, какую пользу в будущем принесет его открытие. Интересно, что уже у Фарадея возникла мысль о бегущих электрической и магнитной волнах. Но мысль была тогда так кощунственна, что он не осмелился опубликовать ее. Правда, приоритет свой все-таки решил зафиксировать. 12 марта 1832 года он передал для хранения в архив Королевского общества конверт в запечатанном виде с надписью «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в архивах Королевского общества».

Конверт был вскрыт через 106 лет — в 1938 году.

«Я пришел к заключению, — было написано на пожелтевшем листке бумаги, — что на распространение магнитного воздействия требуется время, которое, очевидно, окажется весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности… По аналогии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции… В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов».

В то время в физике господствовала концепция «дальнодействия» — представление о мгновенном воздействии одного тела на другое на расстоянии без помощи какой-либо промежуточной среды. Она утвердилась со времен Ньютона. Полагали, что сила тяжести передается мгновенно на любое расстояние. Уже Ньютону такое предположение виделось рискованным. Как можно представить себе воздействия, распространяющиеся без задержки на фантастические расстояния? Однако работы французских физиков Кулона, Ампера, Био, Савара, Араго в области электричества и магнетизма, основанные на принципе «дальнодействия», составили стройную, математически изящную теорию, которую, казалось, невозможно опровергнуть. Способность масс, электрических зарядов и магнитов воздействовать друг на друга мгновенно, без посредства среды признавалась свойством самой материи. Считалось, что силы взаимо действия направлены по прямым линиям,, которые можно провести от тела к телу, от одной частицы к другой, причем силы действуют мгновенно, как бы перепрыгивая через расстояния.

Реалисту Фарадею трудно было примириться с «дальнодействием». Он был убежден, что «материя не может действовать там, где ее нет». Ему мыслилась какая-то среда, заполняющая даже пустоту, через которую последовательно от точки к точке передаются электрическое и магнитное воздействия.

Среду эту Фарадей назвал полем. Он считал, что поле пронизано электрическими и магнитными силовыми линиями. Силовые линии не какая-то абстракция. Можно воочию убедиться в их существовании. Вспомните школьные опыты с железными опилками. Если их рассыпать по бумаге, а снизу поднести магнит, то они «нарисуют» нам картину магнитных силовых линий. Кстати, впервые представление о силовой линии появилось у петербургского академика Эпинуса. Потом их использовал немецкий физик Зеебек в работе «О магнетизме электрической цепи» (1822 год). Именно Зеебек проделал опыт с железными опилками, только вместо магнита он взял согнутую в дугу стальную ленту, по которой был пропущен ток.

Нетрудно увидеть наглядно и силовые линии электрического поля, возбуждаемые в окружающем пространстве электрическим зарядом. Если продолговатые частицы какого-либо диэлектрика, то есть вещества, не проводящего ток, взболтать в вязкой жидкости, например в касторовом масле, и поместить их в электрическое поле, то частички сориентируются по направлениям силовых линий. Так поведут себя, например, легкие пробковые крошки.

Созерцание этих картинок наводит на мысль, что и вблизи магнита, и вблизи электрического заряда состояние окружающего их пространства изменено. Пространство перешло в напряженное состояние или, иными словами, как считал Фарадей, в пространстве возникло поле.

Всякое воздействие передается не мгновенно, а через поле — от точки к точке, словно через невидимую жидкость. (Вспомним наши опыты с волнами на пруду.) Такой механизм передачи сил через среду назвали «близкодействием». И он принят современной физикой. Поля стали универсальным ее инструментом.

 

ВСЕГО ЧЕТЫРЕ СТРОЧКИ

Фарадеевская идея поля пришлась по душе английскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу. Интересно, что он родился всего на несколько месяцев раньше открытия Фарадеем электромагнитной индукции. Максвелл связал воедино электричество и магнетизм, создал теорию электромагнитных волн, на что ему потребовалось около 20 лет.

Итак, какие исходные данные, если выразить их на понятном нам всем языке, послужили основой для новой теории?

Во-первых, в пространстве вокруг неподвижных электрических зарядов существует электрическое поле;

во-вторых, в пространстве, окружающем магнит, есть магнитное поле;

в-третьих, движущиеся электрические заряды, то есть электрический ток, порождают магнитное поле;

в-четвертых, взаимное перемещение магнитного поля и проводника наводит в последнем электричество.

Максвеллу было 24 года, когда он начал свою работу в области электромагнетизма. В то время (как мы знаем) фарадеевская концепция поля электрических и магнитных силовых линий не принималась всерьез. «Я никак не могу себе представить, чтобы кто-нибудь, имеющий понятие о совпадении, которое существует между опытом и результатами вычисления, основанного на допущении закона дальнодействия, мог хотя бы один момент колебаться, чему отдать предпочтение: этому ясному и понятному действию или чему-то столь неясному и туманному, как силовые линии», — писал один из виднейших физиков того времени королевский астроном Джордж Эйри. Действительно, когда теория имеет Дело с неподвижными зарядами и магнитами, в понятии поля нет особой нужды, хотя силовые линии упрощают решение задач, позволяют обходиться без «высокой» математики, как это делал Фарадей.

В 1864 году Максвелл закончил работу «Динамическая теория поля». В ней он привел знаменитые уравнения, названные впоследствии его именем. Уравнения — начало нового этапа в физике. Они имеют такое же значение для электромагнетизма, как законы Ньютона для механики. Их можно назвать фундаментом физики.

Ведь последующие достижения физики — теория относительности и квантовая механика — включают в себя и законы Ньютона, и уравнения Максвелла.

В 1873 году увидел свет знаменитый двухтомник Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Книги содержали все его знания и раздумья об электричестве и магнетизме. Он стремился дать систематическое изложение всего известного о данных явлениях, и так получилось, что его собственные исследования оказались разбросанными в общем потоке текста.

Лишь немногие физики поначалу оценили значение Максвелловой теории электромагнитного поля. Один из них, Людвиг Больцман, восхищенный уравнениями Максвелла, процитировал по их поводу строки из «Фауста»:

Всего четыре строчки содержат уравнение Максвелла. Но из этих четырех уравнений вытекают, или, во всяком случае, им не противоречат, любые электрические и магнитные явления. Электромоторы, электрогенераторы, радио, телевидение, локаторы, электробритвы, телефон, линии электропередачи, ЭВМ, трансформаторы, плазма, ускорители заряженных частиц, процессы при управляемом термоядерном синтезе и в глубинах Вселенной… — все, что так или иначе связано с электричеством и магнетизмом, подчиняется уравнениям Максвелла.

Хотя форма записи уравнений кратка и на первый взгляд довольно проста, но чтобы применить их и решить для конкретного случая, нужна подчас высокая инженерная и математическая квалификация, выдумка, интуиция. Тем не менее физический смысл уравнений понятен.

Первое уравнение (нумерация условная) гласит, что электрическое поле образуется зарядами и его силовые линии начинаются и кончаются на зарядах.

Второе уравнение описывает магнитные силовые линии: они не имеют ни начала, ни конца, поскольку свободных магнитных зарядов нет. Это кольцеобразные замкнутые линии.

Казалось бы, магнитные заряды должны существовать. Ведь магнитное поле между полюсами постоянного магнита очень похоже на электрическое поле между двумя разнесенными электрическими зарядами разного знака. Естественно было думать, что магнитное поле имеет свои источники, которые связаны с ним таким же образом, как электрический заряд связан с электрическим полем. Тогда, например, «северный полюс» стрелки компаса был бы местом скопления магнитных «зарядов» одного вида, а на «южном полюсе» был бы избыток зарядов другого вида.

Природа по некоторой причине не использовала такую возможность. Мир вокруг нас оказался совершенно несимметричным в том смысле, что магнитных зарядов не существует. Во всяком случае их никому не удалось обнаружить. Высказывались предположения, что пары магнитных полюсов, подобно парам элементарных частиц, могут возникать и разлетаться в ядерных взаимодействиях, происходящих при больших энергиях. Поиски таких частиц, названных магнитными монополями, производились в последнее время, но без успеха. Полагают также, что монополи существовали сразу же после Большого взрыва.

Так или иначе, вопрос о том, могут ли существовать монополи, остается открытым. Если же когда-нибудь кто-либо открыл бы монополь, то это событие не порушило бы Максвеллову теорию. Просто в той области, где будет найден монополь, второе уравнение не будет соблюдаться. Как бы там ни было, говоря языком математической логики, высказывание: «обычное вещество «сделано» из электрических, а не магнитных зарядов» — всегда останется истинным.

Третье уравнение — общий случай закона электромагнитной индукции Фарадея: любое изменение магнитного поля генерирует в соответствии с этим уравнением вихревое электрическое поле.

Но вот последнее уравнение содержит нечто новое. Раньше была известна только часть его, которая годилась для постоянных токов, — закон Ампера, утверждающий, что текущие по проволоке электрические заряды (а точнее постоянный ток, то есть движущиеся заряды, среднее число которых, в единицу времени проходящих через сечение провода, одно и то же в любой момент времени) создают определяемое уравнением Ампера магнитное поле.

Связав воедино с помощью уравнений открытые до него законы, Максвелл увидел, что система несовместна. Значит, как мы помним из школьного курса, она не имеет решения. Чтобы сделать систему совместной, ученый добавил в последнее уравнение всего одно слагаемое, коему и обязано радио своим происхождением.

Что это была за «добавка»? К току движущихся зарядов (или, как его еще называют, току конвекции, или проводимости) Максвелл прибавил воображаемый ток смещения. Так он назвал меняющееся во времени электрическое поле. Оно, подобно электрическому току, рождало точно такое же магнитное поле, поэтому Максвелл назвал его тоже током — током смещения. Почему смещения?

Причины носят исторический характер, и история очень долгая. Подробно ее касаться не будем. Истоки ее восходят к громоздкой механической модели Максвелла из шестеренок, на которой он изучал электромагнитные явления. Модель, возможно, и привела его к великому открытию. Как-то он изучал диэлектрики. Известно, что диэлектрики не проводят электричества. В них, в отличие от металлов, нет зарядов, могущих перемещаться на значительные расстояния и переносить электрический ток. Максвелл заметил, что определенные шестеренки в его модели смещались, когда он имитировал на ней включение и выключение электрического поля. Он прозорливо усмотрел в этом следующую аналогию: под действием внешнего электрического поля заряды, входящие в состав диэлектрика, не срываются полем со своих мест, а лишь несколько смещаются. То есть сами молекулы остаются неподвижными, однако электрические частицы противоположных знаков (протоны и электроны), входящие в состав молекул диэлектрика, должны под действием сил поля смещаться в противоположные стороны. Молекула деформируется, или иначе — поляризуется.

Большая научная смелость потребовалась Максвеллу, чтобы отождествить смещение связанных в молекуле зарядов с электрическим током. Такого тока ранее никто не наблюдал. Максвелл признал за ним право создавать собственное магнитное поле, сделал его в этом отношении равноправным с обычным током, текущим по проводнику.

Если рассматривать последнее уравнение отдельно, то само по себе введение тока смещения мало бы что дало. Но в совокупности с остальными тремя уравнениями эта добавка, можно сказать, произвела революционный переворот в физике.

Максвелл так и не отрешился полностью от механической модели. Для своей теории электромагнитного поля ему понадобился эфир — неощутимый вид материи, которым заполнено все мировое пространство. Ток смещения — смещение частиц эфира. И действительно, если в какой-нибудь вакуумный сосуд поместить две пластины и соединить их с источником переменного тока, то на помещенную поблизости магнитную стрелку будет воздействовать переменное магнитное поле так же, как если бы в пространстве между пластинами протекал поток электронов, или иначе конвекционный ток. Впоследствии теория эфира отмерла, но уравнения Максвелла от этого нисколько не пострадали. Название тока смещения стало историзмом, а его дублер — переменное от времени электрическое поле — ничуть не хуже выполняет функции колебания частиц эфира.

«Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом — кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено», — писал об уравнениях Максвелла немецкий физик Генрих Герц. Ему первому удалось экспериментально доказать правильность Максвелловой теории.

Именно Генрих Герц, а точнее — англичанин Оливер Хевисайд и Генрих Герц (приоритет Хевисайда признал сам Герц) придали уравнениям тот изящный вид, в котором они и представлены в современных учебниках и научной литературе.

 

ОЗАРЕНИЯ ОЛИВЕРА ХЕВИСАЙДА

С именем Оливера Хевисайда связаны многие открытия в области физики, прикладной математики, телеграфии. Это был гениальный самоучка, намного определивший свое время.

В частности, за 15 лет до Эйнштейна он получил знаменитую зависимость между энергией и массой Е = mc2, известную ныне как формула Эйнштейна.

Он был одним из создателей векторного исчисления. Теперь начала векторного исчисления преподают в школьном курсе математики и физики, но в то время, около ста лет назад, хотя понятие вектора и было известно, им практически не пользовались для описания физических явлений. Векторный способ представления уравнений Максвелла сделал их более наглядными и более доступными.

Курсы теоретических основ электротехники и радиотехники для студентов вузов электротехнических и радиотехнических специальностей начинаются с операторного метода расчета цепей, созданного Хевисайдом.

Для исследования переходных процессов в электрических цепях, то есть для изучения того, что в них происходит после подключения или отключения питания, при импульсных воздействиях Хевисайд ввел специальную функцию, которая получила название функции Хевисайда.

В приложении к электрическим цепям это, по сути, единичный скачок напряжения, а математически — такая функция равна нулю во все отрицательные моменты времени и равна единице во все положительные моменты времени.

Хевисайд пользовался в своих расчетах еще одной функцией. Он назвал ее импульсной. Для его современников-ученых функция казалась по меньшей мере странной. Она равнялась нулю во всех точках, кроме одной, где ее значение взлетало в бесконечность, но таким образом, чтобы интеграл от нее был равен единице. Хевисайд подробно разобрал свойство такой функции, которую он использовал для изучения импульсных воздействий на электрические цепи. Его работа была забыта, и через тридцать лет импульсную функцию переоткрыл и ввел в обиход физики английский ученый Дирак. Теперь она носит название дельта-функции Дирака.

Хевисайд внес большой вклад в теорию передачи электрических сигналов по линиям связи. Уравнения Хевисайда принесли огромные барыши телеграфным компаниям, а сам их создатель жил в бедности. Хевисайд был горд. Он не принимал пожертвований.

В 1902 году (одновременно с американским электротехником Кеннели) Хевисайд указал на существование высоко над поверхностью Земли ионизированного слоя, который должен отражать короткие радиоволны. Специалисты не сразу поверили открытию. И только в 1924 году, за два месяца до смерти Хевисайда, было получено подтверждение существования слоя. Его раньше называли слоем Хевисайда. В современной, даже узко специализированной литературе этого названия почти не встретишь. Тем удивительнее было увидеть его в стихах…

Автор строк, датированных 1946 годом, поэт Сергей Орлов, фронтовик. Я недавно наткнулся на них, просматривая вышедший посмертно (в 1982 году) сборник его стихотворений. Забытое название — «слой Хивсайда» — привлекло мое внимание. Прочел стихотворение и восхитился: «Первый послевоенный год — и такая вера в будущее!» Спустя пятнадцать лет сквозь «слой Хивсайда» проложил трассу и отмерил первые космические версты Юрий Гагарин.

Кстати, Оливера Хевисайда Максвелл упоминает в своем знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме». Приведенные Максвеллом в главе «Измерения электрического сопротивления» результаты Хевисайда, пожалуй, самое малое, что сделал Хевисайд в области электромагнетизма.

Хевисайд купил «Трактат» Максвелла вскоре после его выхода. Можно сказать, что он определил всю его дальнейшую жизнь.

Чтобы осилить книгу, а она оказалась для него очень трудной, Хевисайду пришлось самостоятельно изучить высшую математику. На это ушло несколько лет. Но годы самоотверженной работы окупились сторицей. Ему, как и Герцу, удалось свести двенадцать уравнений, которые дал Максвелл в своем «Трактате», лишь к четырем (о них мы упоминали).

Многое из того, что сделал Хевисайд, входит в учебники по электричеству без всякого упоминания о его имени, хотя не только теоретические основы электротехники, но и ее язык, терминология в значительной мере созданы Хевисайдом. «Импеданс», «индуктивность», «проницаемость», «затухание», «отрицательное сопротивление», «линия без искажений»… Эти общеупотребительные сегодня термины введены Хевисайдом.

«…Он исследовал влияние земли, моря и верхней атмосферы на распространение радиоволн и объяснил, каким образом энергия распространяется между двумя удаленными точками, огибая кривизну земной поверхности…» — было написано в статье, посвященной памяти Хевисайда в журнале фирмы «Белл систем». Статья появилась не случайно. Американская фирма высоко оценила теоретические исследования Хевисайда для практики связи. А фирма была известна своей деловитостью.

Творчество Хевисайда многогранно и исследовано, видимо, еще не полностью. Об этом свидетельствует находка 1974 года. Она касается физического явления, названного свечением Черенкова — Вавилова. Суть явления в том, что заряженная частица при своем движении в какой-либо среде с постоянной скоростью, большей, чем скорость света, излучает в этой среде свет. Эффект обнаружил в 1934 году П. А. Черенков в серии опытов, предпринятых по инициативе академика С. И. Вавилова. Теория свечения была получена спустя три года в работах советских физиков И. Е. Тамма и И.М.Франка. Их выкладки были основаны опять же на уравнениях Максвелла. В 1958 году Тамму, Франку и Черепкову присудили Нобелевскую премию. Инициатора работы — Вавилова — в то время уже не было в живых. Он умер в 1951 году.

В середине 70-х годов из прошлого века вдруг «выплыла» на свет работа Хевисайда. В отечественном и зарубежном научных журналах в 1974 году была рассмотрена его теоретическая схема, в которой и возникает эффект Черенкова — Вавилова.

Предвидение Хевисайда намного опередило свое время и потому осталось без внимания. Открытие должно появляться вовремя, иначе о нем забудут. Небольшое упреждение необходимо, но именно небольшое, как в стрельбе по летящей цели. Конечно, вопрос о приоритете советских ученых не вызывает сомнения. Они экспериментально открыли и теоретически разобрались в загадочном свечении. Но нельзя не отдать должное и интуиции Хевисайда.

 

ОТ УРАВНЕНИИ МАКСВЕЛЛА К ВЕЛИКОМУ ОБЪЕДИНЕНИЮ

Хевисайд получил некоторые результаты, которые предвосхитили формулы из теории относительности. И это неудивительно, если учесть, что электродинамика Максвелла вошла полностью в специальную теорию относительности.

Можно даже сказать, что замечательные уравнения Максвелла и породили специальную теорию относительности.

Началось с того, что голландский ученый Гендрик Лоренц обнаружил интересное свойство уравнений Максвелла. Когда он определенным образом заменял в них переменные, то форма уравнений после подстановки не менялась. Выдающийся французский физик Анри Пуанкаре выражения для замены переменных так и назвал преобразованиями Лоренца. Кроме того, Пуанкаре впервые высказал мысль, что форма всех физических законов не должна меняться при замене переменных по формулам Лоренца. Эйнштейн, следуя этой мысли, изменил выражение для массы в механике Ньютона:

где m0 — масса неподвижного тела, v — скорость движения тела, c — всем известная скорость света.

Благодаря такой подстановке и наступила гармония между уравнениями Ньютона и Максвелла. Конечно, это несколько упрощенное изложение истории теории относительности. Ведь нужно было еще и глубокое осмысление таких понятий, как пространство и время, чтобы постичь истинный смысл преобразований Лоренца.

Уравнения Максвелла объединили электрические, магнитные и световые явления. Да, и световые! То, что свет имеет электромагнитную природу, показал еще Фарадей в 1846 году. Он продемонстрировал, что обычный магнит воздействует на луч света. Потом возникла мысль, а нельзя ли силы гравитации и электромагнетизма связать едиными уравнениями, то есть создать единую теорию поля. Данной проблемой занимались многие выдающиеся умы, в том числе в последние годы жизни и Эйнштейн и Хевисайд.

Бывший инженер-связист, а впоследствии писатель-фантаст А. Кларк в своей книге «Голос через океан» приводит некоторые подробности, касающиеся этого факта.

Результаты исследований по единой теории поля Хевисайд изложил в четвертом томе своего обширного труда «Теория электромагнетизма». Три первых объемистых тома были опубликованы. А вот след рукописи четвертого тома потерялся, и несмотря на усиленные поиски, ее обнаружить не удалось. Однако известно, что она существовала и что Хевисайд передал ее какому-то американскому издателю, отказавшемуся выдать ему аванс в сумме тысячи фунтов стерлингов.

«Здесь заключена мучительная загадка, — пишет Кларк, — одна из тех, которые никогда не будут разрешены… Безусловно, копия рукописи имелась у Хевисайда дома, но, когда его поместили в больницу, никто, видимо, не подумал об этой стороне дела. Сообщение о смерти Хевисайда было немедленно передано Би-би-си. На другой же день предприимчивый вор-взломщик проник в пустой дом. Ценностей он там, конечно, не нашел, но украл много книг и рукописей. И вполне возможно, что современные физики бьются над какой-либо проблемой, решение которой было украдено февральской ночью 1925 года».

Конечно, утерянная рукопись вряд ли содержала результаты, изменившие наши современные физические представления. Наука пошла другим путем. Силы гравитации и электромагнитные силы оказались не единственными в природе. Физикам стали известны еще два вида фундаментальных сил — слабое и сильное взаимодействия. Если гравитация и электромагнитные силы дальнодействующие, то сильное и слабое взаимодействия проявляются на микроскопических расстояниях, гораздо меньших, чем размеры атомного ядра. Казалось, задача создания единой теории поля еще более усложнилась. Ведь под крышей одних уравнений придется объединять уже не две, а четыре силы.

Но вот в последнее десятилетие незаметно для нас — нефизиков — в науке происходит бесшумная революция. Если сравнить дорогу исканий с длинным темным туннелем, то теперь в его конце забрезжил свет. Появилась надежда создать единую теорию всех четырех сил природы: гравитационных, электромагнитных, сильного и слабого взаимодействия — так называемое великое объединение (или теорию супергравитации). Ключом к решению проблемы стала квантовая теория поля, в которой в последнее десятилетие произошел большой прогресс.

Уже теоретически и экспериментально подтверждено единство электромагнитного и слабого взаимодействий, которое назвали электрослабым. Создана модель, как называют физики, большого объединения, воедино связывающего сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Есть наметки, как распространить объединение на гравитационные силы.

Но в рамках теории большого объединения основной строительный материал нашего мира — протон — нестабилен.

На школьной скамье мы узнаем о протонах и электронах — электрически заряженных частицах атома. Протон — как бы его сердцевина, простейшее атомное ядро. Природа наделила протон устойчивостью, и благодаря этому счастливому обстоятельству существуем мы с вами и окружающий мир. Протоны — своего рода кирпичи материального мира, из которых построена вся природа, как живая, так и неживая. Только в человеческом теле их 1029. Журналисты любят записывать числа во всем их великолепии, но для данного числа не хватило бы строчки в газетном столбце, ибо 29 нулей подряд в ней не уместились бы. Число огромное, даже название для него не придумано. Представление о нем дает такое сравнение: размер нашей Вселенной больше толщины однокопеечной монеты в 1029 раз.

«А вечен ли протон?» Вопрос интересует ученых. И вовсе не из-за боязни «конца света». Наоборот, они даже заинтересованы найти следы его распада. Это, пожалуй, единственная пока возможность экспериментально подтвердить теорию большого объединения. «Экспериментом века» назвали ученые начавшийся в 80-е годы поиск распада протона.

Что можно предварительно сказать о времени жизни протона? Вся наша предыстория говорит о том, что протон стабильная частица. Во всяком случае, ее жизнь на много порядков превышает 1015 лет, или, иначе, миллион миллиардов лет. А это громадный временной интервал даже по сравнению с возрастом Вселенной, которая, по современным воззрениям, существует около десяти миллиардов лет. Если бы время жизни протона было меньше 1015 лет, то из 1029 протонов нашего тела за один год их распалось бы более ста тысяч миллиардов, или, иначе, 1014. Никакой потери веса мы бы не ощутили, но вот доза радиации от такого распада была бы для человека, да и для любых сколь-нибудь крупных животных, смертельна.

По теории же большого объединения, время распада протона должно быть примерно 1030—1033 лет. Срок огромный, практически бесконечный по сравнению с тем, сколько уже прожила наша Вселенная с момента своего предполагаемого рождения — Большого взрыва. Именно тогда, как считают ученые, и родились протоны. Но протон не обязательно живет столь долго. Это среднее время его существования. А вот сколько проживет каждый конкретный протон, сказать нельзя. Если он все-таки распадается, то время жизни его случайно. Таковы законы микромира. Протон может погибнуть гораздо раньше своих компаньонов, а может и пережить их всех.

Идея «эксперимента века» проста. Надо взять огромную массу в принципе любого вещества и наблюдать длительное время, появятся ли в ней частицы, рожденные при распаде протона. Чем больше масса вещества, тем больше в ней протонов, тем больше вероятность того, что хотя бы несколько из них погибнут. Протонов должно быть очень много, в сотни раз больше ожидаемого времени распада. Нужное количество протонов выражается числом более чем с 34—35 нулями, и чтобы обеспечить его, масса вещества, называемая детектором, должна быть более десяти тысяч тонн. (Современные детекторы имеют пока меньшую массу.) И из бесконечного числа «целых» протонов за год непрерывного наблюдения могут распасться несколько частиц, продукты распада которых надо уловить специальными счетчиками. Задача потруднее, чем найти без применения технических средств иголку в стоге сена.

Поиск погибнувших протонов осложняется еще и тем, что в огромной массе вещества из-за радиоактивных примесей и космического фона будут распадаться и другие частицы, и эти события могут быть приняты за распад протонов. Чтобы преградить путь космическому фону, огромные детекторы прячут под большой толщей грунта или воды.

Но даже большая глубина не задержит нейтрино, рожденных космическими лучами в земной атмосфере. А они могут имитировать распад протона и практически не поглощаются всей толщей земного шара. Представляют опасность и мюоны, элементарные частицы в 207 раз тяжелее электронов. Проникая глубоко под землю, они могут рождать в детекторе частицы с теми же энергиями, что и распавшиеся протоны. Чтобы отличить ложный след от истинного распада, нужны тонкие ухищрения. В поиски распавшихся протонов включились крупные научные коллективы. Одно из первых приближений для времени распада было получено на Баксанском нейтринном сцинцилляционном телескопе. Следов распада обнаружено не было, поэтому, исходя из характеристик приборов, сделан вывод, что время распада не менее 1,5∙1030 лет. Первая установка, специализированная для изучения проблемы, создана индийскими и японскими специалистами в Индии в золотоносной шахте на трехкилометровой глубине. Замеренное здесь время распада составило около 1031 лет. Впрочем, результату полностью доверять нельзя — впоследствии был найден еще один источник фона, связанный с мюонами, который мог бы дать такой же результат. Проводились наблюдения и на установках в США, Японии, однако пока нельзя достоверно сказать, что распад протона обнаружен.

Планируется строительство детекторов большой массы. Веществом обычно служит очищенная вода, а подсчет числа распавшихся протонов должны вести счетчики, регистрирующие излучение Черенкова — Вавилова.

Американские физики обсуждают проект детектора с массой 40—60 тысяч тонн. Напомню, что масса столичной гостиницы «Москва» (кстати, определенная с помощью мюонов) равна примерно 45 тысячам тонн.

Новое поколение детекторов, возможно, в конце концов обнаружит распавшийся протон. А если нет, значит, время его жизни превышает 1033 лет. Дальнейшие работы в этом направлении сложны и дороги. Может оказаться, что создать установку для измерения времени распада порядка 1034 лет легче на Луне, чем на Земле. Ведь на нашем спутнике нет всепроникающих атмосферных нейтрино, мешающих опытам. Кстати, проекты постройки детекторов на естественном спутнике нашей планеты уже обсуждаются учеными.

Обнаружат ли ученые распад протона, покажет будущее. Если нет, то тогда физики придумают другие эксперименты, косвенно подтверждающие теорию. На пути к большому объединению ожидаются и большие открытия. Физики настроены оптимистично. Они уверены, что будущие находки лишь подтвердят достигнутое. И кто знает, может, в недалеком будущем удастся проникнуть в святая святых природы — познать первооснову всех ее сил. Создаваемая теория великого без преувеличения объединения всех физических взаимодействий, как сказал академик Анатолий Логунов, «может произвести переворот в практической деятельности человека. Ведь с помощью одних сил можно будет управлять другими, превосходящими их во много раз».

А истоками современного поиска сути природных сил являются замечательные уравнения Максвелла, объединившие электричество, магнетизм и свет. И этим объединением мы обязаны интуиции Максвелла.

Мы живем в очень динамичное время. Чем глубже проникают физики в фундамент природы, тем больше «сногсшибательных» новостей появляется на свет. Не всегда, правда, они подтверждаются…

В самое последнее время стройную концепцию о четырех видах сил грозит нарушить возможное появление на физической сцене пятой силы. Основанием для сенсации послужили результаты некоторых экспериментов.

Со школы мы помним опыты Галилея, когда он бросал с Пизанской башни разные предметы. Ученый пришел к выводу, что без учета сопротивления воздуха все предметы вне зависимости от своей массы и характера материалов, из которых они изготовлены, падают на Землю с одинаковым ускорением. Спустя столетие Ньютон использовал результаты Галилея при создании теории всемирного тяготения. И вот фундаментальная основа принципа сегодня группой физиков из американского университета в Пердью ставится под сомнение. Высказывается предположение о существовании ранее неизвестной пятой силы, противодействующей силе тяжести, в результате чего различные по химическому составу предметы падают с неодинаковым ускорением. Правда, разница очень незначительна — на уровне одной стомиллионной, — и замерить ее сложно.

Для объяснения феномена физики предположили существование «антигравитационной» силы, которая зависит от гиперзаряда, или, иначе, барионного заряда. К барионам относятся протон, нейтрон и другие «тяжелые» элементарные частицы. Чем больше барионный заряд атома вещества (а он равен суммарному числу протонов и нейтронов в атомном ядре), тем сильнее силы «антигравитации». То есть чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем сильнее они отталкиваются от протонов и нейтронов другого предмета.

Полагают, что пятая сила в сто тысяч раз слабее гравитации и действие ее проявляется на расстоянии не более 180 метров.

В результате действия пятой силы такие вещества, как железо, с большим числом протонов и нейтронов, будут сильнее отталкиваться Землей, чем, скажем, падающая вода, поскольку в молекулах воды меньше этих частиц. Отсюда: капля воды будет падать быстрее, чем кусок железа.

Эксперименты пока не могут ответить однозначно: быть или не быть пятой силе. Вопрос остается открытым…

 

О ПОЛЬЗЕ ИНТУИЦИИ

Согласно уравнениям Максвелла, изменяющееся магнитное поле создает меняющееся вихревое электрическое поле. И не только в окружающей среде, но и в пустоте. Оказалось, что электрические силовые линии тоже могут быть замкнутыми, а не обязательно начинаться и кончаться на зарядах. Это означает, что электромагнитное поле может существовать без зарядов. Электрические заряды требуются лишь для возбуждения поля, но в них нет необходимости, чтобы поддерживать его в дальнейшем. Если провести аналогию с волнами на воде, то заряды играют роль камня. Мы видим, как бежит волна по поверхности пруда, несмотря на то, что камень, вызвавший ее, уже покоится на дне.

Электрическое вихревое поле, в свою очередь, рождает магнитное. Таким образом, электрические и магнитные поля, генерируя друг друга, могут свободно распространяться в виде электромагнитной волны и в отсутствие каких-либо зарядов и токов.

Уравнения Максвелла вовлекли электрические и магнитные поля в своего рода общий танец — электромагнитную волну. Неразрывно, мертвой хваткой соединены поля друг с другом, вытаскивают один другого, можно сказать, с «того света». Они заботливо сохраняют друг друга. Допустим, исчезает магнитное поле, но, умирая, оно рождает электрическое поле. Такое же самопожертвование свойственно электрическому полю. Исчезая, оно воскрешает магнитное поле. И пока бежит волна, происходит непрерывная перекачка полей.

Волна может существовать вечно, если не будет поглощена какой-либо средой, в которой рассеет свою энергию. Пример долгожительства электромагнитной волны — так называемое реликтовое излучение, порожденное Большим взрывом, создавшим Вселенную. Реликтовым оно названо именно потому, что несет информацию о давнем ее прошлом.

Когда Максвелл определил скорость распространения электромагнитной волны, то она получилась близкой к скорости света. Что это? Случайное совпадение? Максвелл не прошел мимо него… Ведь еще Фарадей показал, что магнит влияет на луч света. А еще ранее англичанин Юнг и француз Френель доказали волновую природу света. Значит, свет тоже электромагнитная волна! Так Максвелл совершил одно из великих обобщений в физике.

Не просто было прийти к такому выводу. Дело в том, что скорость света была в то время определена ошибочно и принималась равной 193 118 миль в секунду. Максвелл тоже счастливо ошибся и нашел, что скорость распространения электромагнитных колебаний в эфире равна 193 088 миль в секунду.

Да, дерзкой догадке улыбнулся случай. Не всегда он приходит на помощь в науке. Английский физик Джине провел интересную историческую параллель между открытиями Максвелла и Ньютона: «Ситуация была сравнима по своей драматической напряженности с великим моментом, когда Ньютон впервые подверг испытанию свой закон всемирного тяготения путем вычислений, связанных с расстоянием до Луны. По несчастливой случайности Ньютон воспользовался неточным значением для земного диаметра, и это привело к настолько неудовлетворительному численному совпадению, что Ньютон отложил свою теорию почти на двадцать лет. С Максвеллом случилось обратное — оба числа, приведенные выше, совпадают с точностью до 30 миль в секунду. И особенно удивительно то, что оба числа ошибочны, с ошибкой большей, чем 60 миль в секунду… К счастью, Максвелл, по-видимому, осознал, что скорость света была найдена далеко не точно, и поэтому не дал обескуражить себя существенному расхождению в числах, как это случилось с Ньютоном».

И еще одно важное следствие Максвелл извлек из своей теории: он предсказал давление света и даже вычислил его величину: «В ясную погоду солнечный свет, поглощаемый одним квадратным метром, дает 123,1 килограммометра энергии в секунду, он давит на эту поверхность в направлении своего падения с силой 0,41 миллиграмма».

Таким образом Максвелл сам указал, как экспериментально проверить свою теорию — получить электромагнитные волны, подобные свету, и измерить давление света.

Но осуществить предсказания Максвелла оказалось не так-то легко. Сам Максвелл, видимо, не предпринимал ничего, чтобы доказать правильность своей теории — получить электромагнитные волны. Правда, ряд исследователей был очень близок к открытию уже в конце 70-х годов прошлого столетия.

 

КАК ВЫПУСТИТЬ ДЖИННА ИЗ БУТЫЛКИ

Великие открытия требуют ученых особого склада. Такой исследователь должен обладать, можно сказать, особым экспериментальным инстинктом. Его мысль должна непрестанно интенсивно работать в исследуемой области. Без этих качеств можно пройти мимо нового явления, не заметив его, ведь подчас так невзрачны и незначительны его проявления.

Такие физики вскоре нашлись. Электромагнитные волны получил Генрих Герц, а давление света измерил Петр Николаевич Лебедев. Интересно, что знаменитый физик лорд Кельвин, изумленный изяществом опытов Лебедева, сказал К. А. Тимирязеву: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами…»

Довольно тонкий опыт провел американский физик Генри Роуланд за десять лет до экспериментов Герца. Результат его хотя и не был столь убедительно явным, как у Герца, но тоже сработал в пользу теории Максвелла.

До Максвелла не было полной ясности в том, будет ли механическое перемещение электрически заряженного тела так же вызывать магнитное поле, как и в случае постоянного тока. Экспериментально доказать этот факт было чрезвычайно трудно даже по современным меркам. Ведь ожидаемая величина магнитного поля составляла примерно стотысячную долю от магнитного поля Земли. Роуланд превосходно справился с задачей. Он зафиксировал магнитное поле, создаваемое при движении наэлектризованной поверхности. Его возникновение предвидел Максвелл в своем «Трактате».

Сорок восемь лет прожил человек, предсказавший существование электромагнитных волн. Еще меньше времени судьба отпустила тому, кто получил их экспериментально, — всего 37 лет. Но столь короткой жизни Генриху Герцу оказалось достаточно, чтобы обессмертить свое имя.

Более двух лет охотился Герц за электромагнитными волнами, но отнюдь не для того, чтобы подтвердить теорию Максвелла. В ее правильности ему довелось невольно убедиться, когда он ставил свои бесчисленные опыты. Незамысловатыми были его приборы. Еще одно подтверждение изречения «до гениального просто». Возможные направления поиска были ограничены. На первый взгляд напрашивался самый простой путь — каким пошел Роуланд — получить переменное магнитное или электрическое поле, а, следовательно, и излучение, осуществляя механические колебания магнита или электрического заряда. Но здесь возникли непреодолимые в то время трудности, и главная из них состояла в том, чтобы заставить магнит или заряженное тело механически колебаться очень быстро — сотни тысяч раз в секунду. Даже трепетные камертоны не могли дрожать чаще десятка тысяч раз в секунду. А мы помним, что длина волны равна скорости ее распространения, разделенной на частоту. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн равна 300 тысячам километров в секунду, а частота возможных в то время вращательных и колебательных механизмов была порядка десяти тысяч колебаний в секунду, то и длина волны получалась равной 30 километрам — слишком большой, что бы исследовать ее в лабораторных условиях.

Нужно было изыскать какой-то иной способ. Задел в этом направлении уже имелся. Еще в 1826 году заметили, что если разрядить известную нам со школы лейденскую банку через проволоку, свитую в катушку, или, иначе, через индуктивность, то ток в цепи имел колебательный характер, то есть с определенной частотой он менял свое направление. В 1842 году Генри повторил опыт и дал ему объяснение. Впоследствии переходными процессами, в том числе и разрядом, занялся Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин. Что происходит в ничтожную долю секунды между моментом подключения батареи к цепи и моментом, когда ток достигает своей полной величины? — задал он себе вопрос. В 50-х годах прошлого века экспериментально исследовать эти явления было не так-то просто. А в наши дни мы встречаемся с ними ежедневно в быту. Включая, например, в сеть электрический прибор, мы одновременно слышим щелчок в радиоприемнике. Так проявляет себя процесс установления тока в сети.

Будущего лорда от науки (знатным титулом были отмечены его научно-технические заслуги) разряд конденсатора (кстати, лейденская банка — это первый в мире простейший конденсатор) через индуктивность особенно заинтересовал. Томсон нашел удачную аналогию для иллюстрации переходных процессов в электрических цепях — маятник, погруженный в какую-либо вязкую среду, создающую сопротивление. Если трение велико, маятник будет медленно опускаться и не перейдет за точку покоя. Наоборот, если трение незначительно, маятник, прежде чем перейти в состояние покоя, проделает ряд колебаний с затухающей амплитудой. В гипотетическом случае, когда трение отсутствует, колебания будут продолжаться бесконечно. Именно так поведет себя и электрический ток в цепи, содержащей заряженный конденсатор и индуктивность, когда цепь замкнута. За способность хранить электричество конденсатор также называют емкостью, которая, как и емкость бутылки, имеет свою, только электрическую единицу измерения, названную в честь Фарадея. Фарада — очень большая емкость. Если вообразить металлическую сферу размером с земной шар, то ее емкость составила бы всего лишь семь десятитысячных от фарады. Поэтому обычно пользуются единицами, в миллион раз и миллион миллионов раз меньшими — микрофарадами и микромикрофарадами.

Если вернуться к аналогии с маятником, то в момент замыкания цепи ему соответствует крайнее положение. Далее через катушку потечет постепенно увеличивающийся ток. Вокруг катушки появляется нарастающее магнитное поле, в которое переходит электрическая энергия, первоначально запасенная в конденсаторе. Сила тока достигнет максимального значения, когда конденсатор полностью разрядится и энергия сосредоточится в магнитном поле катушки. На нашей модели этому моменту соответствует нижнее положение маятника — кинетическая энергия его максимальна. Между прочим, энергию магнитного поля часто уподобляют кинетической энергии механической системы, а энергию электрического поля — потенциальной. Хотя электрическая энергия в конденсаторе оказалась исчерпанной, ток в цепи не прекращается. Он продолжает течь в том же направлении, поддерживаемый энергией магнитного поля, запасенной в индуктивности. Ток снова заряжает конденсатор, только полярность зарядов на обкладках конденсатора меняется. Пластина конденсатора, которая была заряжена положительно, заряжается отрицательно, и наоборот. Таким образом, в цепи из емкости и индуктивности возникают колебания, сопровождающиеся превращением электрической энергии в магнитную и обратно. Недаром такую цепь назвали колебательным контуром.

Сколь долго длятся колебания? Все зависит от потерь в контуре. Если вернуться к аналогии с маятником, то роль трения здесь играет активное сопротивление (то есть сопротивление проводника, из которого сделана катушка) электрическому току. На нагревание проводника теряется часть энергии. Есть и другие составляющие потерь, на которых мы не будем останавливаться. Это уже, можно сказать, специальные тонкости. В частности, в конденсаторе потери вызываются и током смещения в изолирующем друг от друга пластины диэлектрике. Если потери в контуре велики, то в нем произойдет плавный всплеск тока и конденсатор не перезарядится. Если потери не очень велики, то амплитуда тока будет с каждым периодом уменьшаться, пока рано или поздно колебания не затухнут. Если же потерь нет, то перекачка энергии из электрического поля в магнитное и наоборот будет продолжаться вечно. Именно для этого случая в 1853 году Томсон вывел знаменитую формулу

где L — величина индуктивности, которая измеряется в особых единицах, носящих имя «генри» в честь уже знакомого нам американского ученого Генри, а С — значение емкости в фарадах. Формула подходит для большинства практических случаев, поскольку в радиотехнике обычно используются контуры с малыми потерями, которыми можно пренебречь при расчетах частоты колебаний.

Итак, возможность получить электромагнитные колебания была. Но недаром такой колебательный контур назвали «закрытым» — энергия электрического и магнитного полей перекачивалась друг в друга внутри контура: из емкости в индуктивность и обратно. Как раскрыть контур, как проторить электромагнитным колебаниям дорожку из него наружу?

И была еще одна трудность. Дело в том, что в лабораторных условиях можно было изучать только довольно короткие электромагнитные волны, длина которых была бы в несколько раз меньше размеров помещения. Как мы видим из формулы Томсона, чтобы уменьшить частоту, а следовательно, и длину волны, надо уменьшить и индуктивность и емкость. Правда, здесь такая закономерность: если уменьшить емкость и индуктивность одновременно, то падает амплитуда колебаний. Она зависит от отношения индуктивности к емкости, Чем меньше отношение, тем слабее колебания. Так что для получения колебаний высоких частот такие контуры с сосредоточенными индуктивностью и емкостью не очень подходили.

И тут Герцу улыбнулась удача. «Счастливый случай, — пишет Герц, — представился мне осенью 1886 года». Именно тогда он подметил, что в «коротких металлических проводниках могут быть возбуждены колебания, свойственные этим проводникам». Свойственные — значит, их длина определяет частоту возбуждаемых в них колебаний.

Гениальная интуиция Герца привела к новому виду контура — открытому колебательному контуру, где индуктивность и емкость не сосредоточены в одном месте, а распределены по каждому элементику контура.

Вид открытие имело простецкий: разрезанный посередине металлический стержень, обе части которого раздвинуты на небольшой промежуток. Впоследствии его назвали вибратором Герца. Лет тридцать назад, когда еще не было телевизионных антенн коллективного пользования, каждый владелец телевизора устанавливал на крыше свою антенну, именно вибратор Герца. Крыши были усеяны вибраторами и издали напоминали кладбище. Две горизонтальные металлические трубки, симметрично прикрепленные к вертикальному держателю — тот же крест, только со срезанной верхушкой.

Герцу пришла в голову мысль: а нельзя ли зарядить стержни зарядами противоположного знака, как конденсатор, а затем разрядить, то есть как-то замкнуть стержни. Он надеялся, что в них начнется колебательный процесс. Как осуществить это? Решение родилось как бы само собой во время демонстрации опыта с индукционными катушками в физическом кабинете технической школы.

И до Герца многие исследователи наблюдали искорки при работе с индукционной катушкой, сконструированной в 1852 году известным парижским мастером физических приборов Генрихом Румкорфом. Но, как по обыкновению бывает, лишь единицам дано извлечь из обыденного новую истину.

Почти без каких-либо принципиальных изменений дошла до наших дней индукционная катушка. Один из ее примеров — известная всем автолюбителям бобина в системе зажигания автомобиля. Ее устройство довольно просто: катушка с двумя обмотками. Одна обмотка с толстым проводом и небольшим числом витков, вторая — с тонким проводом и очень большим числом витков.

С помощью бобины постоянное напряжение аккумулятора преобразуется в высоковольтные импульсы, для чего ток в первичной низковольтной обмотке прерывается и в результате во вторичной обмотке наводится высокое напряжение, которое и пробивает воздушный промежуток в свече зажигания. Сейчас мы знаем, что любой искровой разряд тоже источник радиоволн и в довольно широком диапазоне частот. Они подчас воспринимаются как помехи в радиоприемниках и телевизорах. В те времена такой чувствительной аппаратуры еще не создали. А для Герца искра была нужна как своего рода сверхбыстродействующая перемычка через воздушный промежуток, соединяющая стержни, чтобы разрядить их.

Итак, Герц подсоединил к своему вибратору вторичную обмотку катушки Румкорфа и получил простейший передатчик. Стоило прервать ток в первичной обмотке, как во вторичной возникало высокое напряжение, в результате стержни вибратора заряжались, через воздушный промежуток проскакивала искра. На время ее действия в вибраторе возникал колебательный процесс, такой же, как в закрытом колебательном контуре, с той лишь разницей, что электрическое и магнитное поля вырывались из мест своего заточения, из сосредоточенных емкости и индуктивности, в окружающее вибратор пространство и соединялись вместе.

Читатель вправе спросить: а где же в вибраторе, в этих двух кусках металлического стержня, индуктивности и емкости? А везде, в каждом их кусочке. Ведь что такое индуктивность? Это способность создавать магнитное поле. Если два стержня замкнуть и пропустить через них электрический ток, то вокруг возникнет магнитное поле. Вспомним опыт Эрстеда. Причем свой вклад будет вносить каждый маленький кусочек стержня. Значит, индуктивность распределена равномерно вдоль стержня. И каждый маленький кусочек одной половины стержня вместе со своим собратом, расположенным симметрично на другой половине, образуют конденсатор.

 

КАК УСТРОЕНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА

За период колебаний тока в вибраторе вокруг него формируется и от него «отрывается» сгусток двух взаимно-перпендикулярно сцепленных вихрей, электрического и магнитного, и отправляется путешествовать. Это и есть электромагнитная волна. Причем электрические силовые линии лежат во всевозможных плоскостях, параллельных вибратору, а магнитные — в перпендикулярных. Картина излучения, представленная в силовых линиях, довольно сложная. Когда она мне попадается в каком-либо радиотехническом учебнике, то вспоминается одно остроумное высказывание видного специалиста-физика. На просьбу студента: «Профессор, дайте мне, пожалуйста, приближенное описание электромагнитных волн, пусть даже слегка неточное, но такое, чтобы я смог увидеть их, и я видоизменю эту картину до нужной абстракции», — американский ученым Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике за 1955 год за работы в области квантовой электродинамики, ответил: «Увы, я не могу этого сделать для вас… У меня нет картины электромагнитного поля, которая была бы хоть в какой-то степени точной. Я узнал об электромагнитном поле давным-давно, 25 лет тому назад, когда я был на вашем месте, и у меня на 25 лет больше опыта размышлений об этих колеблющихся волнах. Когда я начинаю описывать магнитное поле, движущееся через пространство, то говорю о полях Е и В (векторные величины, характеризующие соответственно электрическое и магнитное поля. — В. Р.), делаю руками волнистые движения, и вы можете подумать, что я способен их видеть. А на самом деле что я вижу? Вижу какие-то смутные, туманные, волнистые линии, на них там и сям написано Е и В, а у других линий имеются словно какие-то стрелки… которые исчезают, едва в них вглядишься. Когда я рассказываю о полях, проносящихся сквозь пространство, в моей голове катастрофически перепутываются символы, нужные для описания объектов, и сами объекты. Я не в состоянии дать картину, хотя бы приблизительно похожую на настоящие волны. Так что если вы сталкиваетесь с такими же затруднениями при попытках представить поле, не терзайтесь, дело обычное. Наша наука предъявляет воображению немыслимые требования. Степень воображения, которая теперь нужна науке, несравненно превосходит ту, что была необходима для некоторых прежних идей.

Нынешние идеи намного труднее вообразить. Правда, мы используем для этого множество средств. В ход пускаются математические уравнения и правила, рисуются различные картинки. Вот сейчас я ясно осознаю, что всегда, когда я завожу речь об электромагнитном поле в пространстве, фактически перед моим взором встает своего рода суперпозиция всех тех диаграмм на эту тему, которые я когда-либо видывал. Я не воображаю маленьких пучков линий поля, снующих туда и сюда; они не нравятся мне потому, что если бы я двигался с иной скоростью, то они бы исчезли. Я не всегда вижу и электрические, и магнитные поля, потому что временами мне кажется, что гораздо правильнее была бы картина, включающая векторные и скалярные потенциалы, ибо последние, пожалуй, имеют больший физический смысл, чем колебания полей.

Быть может, вы считаете, что остается единственная надежда на математическую точку зрения? Но что такое математическая точка зрения? С математической точки зрения в каждом месте пространства существует вектор электрического поля и вектор магнитного поля, то есть с каждой точкой связаны шесть чисел. Способны ли вы вообразить шесть чисел, связанных с каждой точкой пространства? Это слишком трудно. А можете вы вообразить хотя бы одно число, связанное с каждой точкой пространства? Я лично не могу! Я способен себе представить такую вещь, как температура в каждой точке пространства: имеется теплота и холод, меняющиеся от места к месту. Но, честное слово, я не способен представить себе число в каждой точке.

Может быть, поэтому стоит поставить вопрос так: нельзя ли представить электрическое поле в виде чего-то, сходного с температурой, скажем, похожего на смещение куска студня? Сначала вообразим, что мир наполнен тонкой студенистой массой, а поля представляют собой какие-то искривления (скажем, растяжения или повороты) этой массы. Вот тогда можно было бы мысленно представить себе поле. А после того как мы «увидели», на что оно похоже, мы можем отвлечься от студня. Именно так многие и пытались делать довольно долгое время. Максвелл, Ампер, Фарадей и другие пробовали таким способом понять электромагнетизм.  (Порой они называли абстрактный студень «эфиром».) Но оказалось, что попытка вообразить электромагнитное поле подобным образом на самом деле препятствует прогрессу. К сожалению, наши способности к абстракциям, к применению приборов для обнаружения поля, к использованию математических символов для его описания и т. д. ограничены. Однако поля в известном смысле — вещь вполне реальная, ибо, закончив возню с математическими уравнениями (все равно, с иллюстрациями или без, с чертежами или без них, пытаясь представить себе поле въяве или не делая таких попыток), мы все же можем создать приборы, которые поймают сигналы с космической ракеты или обнаружат в миллиарде световых лет от нас галактику и тому подобное».

Пусть простит меня читатель за то, что привел столь пространный ответ профессора. Высказывание его несомненно поучительно. Как мы видим, непросто вообразить электромагнитную волну, и вполне возможно, что ее истинная картина совсем не такая, какой она предстает перед нами в различных моделях. Самый лучший и правильный путь — абстрактное представление электромагнитного поля. Надо просто, не ломая себе голову по поводу действительной картины, рассматривать поле как математические функции координат и времени. Вспомним, что Максвелл для объяснения физического смысла тока смещения прибегал к эфиру, от которого потом отказались. А математическая сторона явления оказалась независимой от тех физических одежд, в которую ее пытались, и небезуспешно, одеть. Так и мы прибегнем к абстрактной модели электромагнитной волны.

Чтобы применить математику к исследованию какого-либо явления, надо его как-то измерить. Как же измерить электромагнитную волну — неразрывную комбинацию электрического и магнитного полей? Со школы мы знаем, что электрические и магнитные поля проявляют себя в виде сил, действующих на электрический заряд. Вот эти силы могут быть непосредственно измерены. Через них и придем к характеристикам электрического и магнитного полей. Электрическое поле задается его напряженностью Е — силой, которую оказывает поле на единичный электрический заряд. Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В. Она определяет силовое воздействие магнитного поля на движущийся заряд. (На неподвижный заряд магнитное поле не действует.) Е и В — величины векторные, то есть они определяют не только количественное значение электрической и магнитной сил, но и их направление.

А теперь рассмотрим одну из «конструкций» электромагнитной волны. Ее будет вполне достаточно и для радиолюбительской и даже для инженерной практики. Пример, можно сказать, классический — плоская электромагнитная волна. Ее «изобрел» еще Оливер Хейвисайд. Чтобы представить себе плоскую волну, обратимся опять к эксперименту с бросанием камня в пруд. Волна на поверхности воды от брошенного камня расходится в виде ряби — концентрическими кругами. Фронт ее, то есть самая передняя часть волны, — окружность. Плоская же волна распространяется всюду в одном направлении, и фронт ее передвигается словно огромная плоскость.

Строго говоря, такие плоские волны создать невозможно. Но на очень большом расстоянии от места возникновения волны ее фронт можно считать плоским, точно так же как во многих задачах плоской полагают поверхность Земли. Солнечный свет — тоже плоская волна: слишком далеко она ушла от своего источника.

А теперь представим себе две взаимно перпендикулярные плоскости: горизонтальную и вертикальную, и вообразим, что каждая из них — это водная гладь. Конечно, непривычно мыслить водную поверхность вертикальной, но и не так уж трудно. Предположим, что мы и окружающий нас мирок незаметно для нас сместились на 90 градусов. Все осталось как прежде, только стороннему наблюдателю видится, что пол вертикален, и мы ходим по нему как по вертикали. В общем, уподобимся фантастам: будем считать, что у нас два пространства. Одно обычное, другое — повернутое на 90 градусов.

Проведем мысленный эксперимент. Бросим камень на линию пересечения водных поверхностей. И побегут волны по воде наших прудов: вертикального и горизонтального. Нас будет интересовать совместная картина волн на пересечении водных поверхностей. В любой точке они будут синфазны (совпадать по фазе), то есть иметь одно и то же состояние, в нашем случае амплитуду. Если в вертикальном пруду гребень, то в горизонтальном — тоже, если в вертикальном — впадина, то соответственно в горизонтальном в таком же месте тоже впадина. Вот вам и аналог плоской электромагнитной волны. Линия пересечения водных поверхностей в спокойном состоянии — это линия распространения электромагнитной волны. Профиль волны горизонтального пруда в вертикальной плоскости — аналог распространения электрического поля, то есть вектора Е, а профиль вертикального пруда в горизонтальной плоскости — аналог магнитного поля, то есть вектора В.

Получается двумерная картина. Электрическая волна бежит в одной плоскости, а синфазная с ней магнитная — в другой, взаимно перпендикулярной.

Электромагнитные волны принадлежат к семейству поперечных волн. Векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. То есть электромагнитное состояние среды совершает колебания поперек движения. В продольных же волнах свойства среды, в которой бежит волна, изменяются вдоль движения. Такой волной, например, является звук в воздухе, в жидкости или в твердом теле. Сила, породившая звук, вызывает периодические изменения давления в среде вдоль направления распространения волны. Волны на поверхности воды, к примеру которых мы часто прибегали, являются более сложным видом волнового движения. Частицы на поверхности воды совершают не продольные и не поперечные колебания, а вращательное и чуть-чуть поступательное движение.

И чтобы закончить наше почти инженерное образование об электромагнитных волнах, расскажем о таком их параметре, как поляризация.

Поляризация — общее для всех волн понятие. Представление о ней дает такой простой опыт. Привяжем веревку к какому-либо предмету, скажем, к ручке от двери, и начнем дергать свободный ее конец вверх-вниз. По веревке побежит волна, то есть веревка придет в колебательное движение, причем происходить оно будет в вертикальной плоскости. Если же будем дергать верезку вправо-влево, то колебание ее будет совершаться в горизонтальной плоскости. В обоих случаях можно говорить, что получающиеся волны плоско или линейно поляризованы, поскольку волновое движение происходит в одной плоскости. В первом примере волна вертикально поляризована, во втором — горизонтально. Но можно конец веревки закрутить и по кругу, как будто вращая ручку швейной машины. Тогда веревка совьется в виде движущейся спирали. Проследив за ее тенью на стене, мы заметим, что она почти повторяет вертикально поляризованные волны, а ее тень на полу похожа на горизонтально поляризованные волны.

Получается, что спиральную волну можно рассматривать как комбинацию двух плоско поляризованных волн или же в виде плоско поляризованной волны с вращающейся плоскостью поляризации. Такой вид поляризации называется круговой.

Поляризацию электромагнитных волн принято определять по направлению колебаний вектора электрического поля Е. (Можно и по направлению колебаний вектора магнитной индукции, поскольку она связана с вектором Е, но это вопрос традиции.)

Для волн, излучаемых вибратором, плоскость поляризации определяется просто. Если вибратор горизонтален — поляризация горизонтальная, если вертикален, то вертикальная.

Высокие металлические башни — антенны радиовещательных станций — пример антенн, излучающих вертикально поляризованные волны. Металлическую башню можно рассматривать как половину вертикального диполя, а роль второй половины выполняет земля. Она — тоже проводник токов и зарядов. В СССР и США для телевидения применяют горизонтально поляризованные волны, а в Англии предпочитают вертикальную поляризацию. Поэтому у нас и в Америке приемные телевизионные антенны — горизонтальные вибраторы, а в Великобритании — вертикальные. Трудно однозначно сказать, какая поляризация лучше для телевидения. При вертикальной поляризации заводские трубы, столбы, шпили зданий и другие вертикальные объекты могут создавать помехи в виде переотраженных сигналов и мешать качественному приему. При горизонтальной поляризации сильнее сказываются помехи, вызванные переотражением сигналов от земли и от крыш домов.

Электромагнитные волны нетрудно сделать и с круговой поляризацией. Для этого надо два вибратора расположить крестообразно и подвести к ним высокочастотные колебания, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Такой вид поляризации применяется в радиолокации для подавления помех от дождя.

 

ПОДАРОК ПРИРОДЫ

Мы познакомились только с одной половиной опыта Герца — генерацией радиоволн, которые сразу же назвали «лучами Герца». Причем длина излучаемой волны превышала длину вибратора в два раза, поэтому довольно часто вибратор Герца называли также полуволновым.

Вибратор излучает радиоволны во все стороны далеко не одинаково, то есть обладает свойством направленности. Максимум излучения находится в плоскости, перпендикулярной середине стержня, а минимум — в направлении вдоль стержня.

Но излученные волны надо поймать, как-то увидеть, зафиксировать. Герц справился и с такой задачей. Здесь явно напрашивалась аналогия со звуковыми волнами. Помните школьные опыты с настроенными камертонами? Если ударить молоточком по одному камертону, то в унисон с ним зазвучит и второй. То же самое происходит и в музыкальных струнных инструментах. Если настроить две струны, то на звучание одной из них будет отзываться и другая. Это явление резонанса решил использовать Герц для поимки радиоволн. Только вот как сделать «камертон» для электромагнитных волн?

Он взял металлический стержень и согнул его в виде дуги. И, как в вибраторе, на оба конца насадил по металлическому шарику. Вот таким был резонатор, отзывавшийся на радиоволны, первый их приемник. Впоследствии ученые назвали резонатор Герца «электрическим глазом». Как наш глаз улавливает видимые световые волны, так и резонатор Герца дает знать о существовании невидимых электромагнитных волн.

Да, предельно простым представляется сейчас опыт Герца. На каждую искру в вибраторе резонатор откликался своей искрой. Вот оно, чудо рождения и ловли радиоволн. Волны, бегущие от вибратора, достигают резонатора, заставляют его «звучать» в унисон с вибратором, вызывают в нем такие же колебания электрического тока, какие на долю момента раньше существовали в вибраторе. И крошечная искра, проскакивавшая между шариками резонатора, возвещала: да, действительно есть в природе электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом!

Во время экспериментов Герц уносил свой приемник в другую комнату на многие метры, но все равно в разрыве приемной рамки проскакивала искра. Волна слабо спадала с расстоянием.

Правда, и до открытия «лучей Герца» думали об использовании электрических и магнитных явлений для беспроводной связи. Но все они имели один существенный недостаток — сигналы очень быстро теряли свою силу с увеличением расстояния. В такой же зависимости, как и сила тяготения в законе Ньютона, — обратно пропорционально квадрату расстояния. А если еще учесть и влияние земли, над которой должны передаваться электрические и магнитные сигналы, то ослабление будет еще сильнее — обратно пропорционально кубу расстояния. То, что затухание электромагнитных волн не подчиняется этим законам, и поразило больше всего Герца.

В своих воспоминаниях он писал: «Особенно приводили меня в изумление все большие расстояния, вплоть до которых я мог обнаружить действие. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по закону Ньютона и, следовательно, с увеличением расстояния быстро становятся незаметно малыми».

Добавка в виде тока смещения, введенная Максвеллом в уравнение Ампера, привела к тому, что в решении максвелловых уравнений, помимо членов, убывающих как обратный квадрат расстояния, то есть по известному нам со школы закону Кулона, к счастью, содержится еще один член, названный волновым. Он описывает часть поля, которая спадает гораздо медленнее, чем обратный квадрат расстояния, а именно как величина обратная расстоянию в первой степени.

Читатель может спросить: почему к счастью? Да потому, что этому подарку природы, предсказанному Максвеллом, и обязана своим рождением вся нынешняя радиотехника.

Кажется чудом, что человек, говорящий во Владивостоке, с помощью каких-то электрических воздействий может быть услышан через многие тысячи километров, например, в Бресте. И все благодаря тому, что электромагнитное поле спадает обратно пропорционально не квадрату, а лишь первой степени расстояния.

Мы уже говорили о том, как «отрываются» электромагнитные волны от рождающих их колебаний тока в вибраторе. Не сразу рвется «пуповина», поначалу связывающая волну с вибратором. На расстоянии, равном примерно длине волны, электромагнитное поле еще не разорвало своих связей с породившими его зарядами и токами. Это пока поле индукции. Сильны еще электрические силы, подчиняющиеся закону Кулона. Лишь на расстоянии нескольких длин волн силы индукции практически исчезают и начинает главенствовать поле бегущей волны — поле излучения.

Герц много экспериментировал с электромагнитными волнами. Он убедился, что они, как и свет, распространялись прямолинейно. Металлический экран не пропускал их, зато изолятор (как, например, закрытая дверь) не был помехой.

А будут ли новые волны преломляться подобно световым лучам в призме? Чтобы ответить на этот вопрос, Герц сооружает почти двухтонную призму из твердого битума. И призма действительно преломляет волны. Он даже определил коэффициент преломления, который оказался близким к 1,7.

Казалось бы, простые эксперименты, а сколько в них научных идей, породивших спустя десятилетия целые научно-технические направления. Герц придумал, как сконцентрировать электромагнитные волны. Он разместил свой вибратор в фокусе вогнутого зеркала, изготовленного из цинкового листа в виде параболического цилиндра. Вот вам и прообраз зеркальных антенн, чаши которых сегодня «рассыпаны» по нашей планете.

С помощью двух таких антенн, одна из которых была подсоединена к индукционной катушке, а в фокусе другой находился резонатор, Герц передавал и принимал электромагнитные волны на расстоянии 16 метров. Такой была первая «система» радиосвязи.

А вот другой опыт, в котором прослеживается принцип радиолокации — отражение радиоволн от препятствия. Герц установил рядом передающую и приемную антенны и направил их в одну точку. Там он поместил металлический лист. Электромагнитные волны отражались от листа и принимались приемной антенной. В разрыве приемной рамки проскакивала искра. Стоило убрать металлический лист — и искра пропадала.

Герц провел опыты с поляризацией. Он развернул одну из антенн на 90 градусов, и прием прекратился, сколь близко он ни приближал антенны. Объяснение простое. Горизонтальный вибратор излучал волны с горизонтальной поляризацией и, если приемную рамку поставить вертикально, то горизонтальный вектор напряженности электрического поля не сможет навести в ней электрические заряды.

И еще одно интересное наблюдение сделал ученый. Он заметил, что в некоторых экспериментах искровой разряд в зазоре приемника возникал лишь тогда, когда он освещался светом от искры передатчика. Теперь-то мы знаем, что свет искры содержит ультрафиолетовое излучение. Именно оно способствовало высвобождению электронов из шариков разрядника, тем самым облегчая появление искры в резонаторе. Данное явление называют фотоэлектрическим эффектом. Его часто приводят в качестве подтверждения корпускулярной природы света.

Работал Герц неистово. Не многим дано испытать радость столь продуктивного труда и получить так много результатов, по существу, в одном эксперименте.

В декабре 1888 года вышла его работа «О лучах электрической силы», в которой были изложены результаты его исследований. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла.

Напряженная работа, хотя и доставлявшая ему радость, подорвала его и без того слабое здоровье. Сначала отказали глаза — следствие долгого высматривания в полной темноте едва видимых искр. Затем заболели уши, зубы, нос, и наступило общее заражение крови, от которого он умер на пороге нового, 1893 года в возрасте всего лишь 37 лет.

За несколько недель до смерти он писал своей матери: «Если со мной действительно что-то случится, вы не должны огорчаться, но должны мной гордиться и думать, что я принадлежу к тем особо избранным людям, которые жили хотя и не долго, но вместе с тем жили достаточно. Эту судьбу я не выбирал, но я доволен ей и если бы мне предоставили выбор, я, может быть, сам избрал ее».

Вероятно, Герц и не предполагал, сколь триумфальной будет судьба его открытия. Бытует даже мнение, правда, не всеми разделяемое, что он не верил в будущность своего открытия. Как бы там ни было, его труд пробудил всеобщий интерес к идее беспроволочной связи.