Сказка о Джеймсе Максвелле и его ручном демоне
Ник. Горькавый
В двадцатом веке электричество превратилось из диковинки в движущую силу цивилизации.
(Другие научные сказки Ник. Горькавого печатались в журнале «Наука и жизнь» в 2010—2013 гг. и в №№ 1—3, 7, 8, 10, 12, 2014 г.)
— Никки, расскажи про электричество, — попросила Галатея. — А то Андрей мне плохо объяснил, что такое ток.
— Я хорошо объяснил, это ты плохо поняла, — возразил старший брат.
— Электрический ток — не простая штука, — усмехнулась королева Никки, которая приехала в гости к принцессе Дзинтаре и по традиции рассказывала новую историю её детям. — Двадцатый век часто называют эпохой электричества, потому что появившиеся тогда бесчисленные электрические устройства сыграли в развитии человечества более значительную роль, чем даже компьютеры, космические ракеты и атомная энергия, которых без электричества, впрочем, не было бы.
В двадцатом веке электричество превратилось из диковинки в движущую силу цивилизации. Важнейшую роль в достижении этой цели сыграл один человек, о котором я сейчас вам расскажу.
Природные электрические явления были хорошо известны даже первобытным людям. Например, молния и гром: молния — это световая вспышка из-за разряда атмосферного электричества, а гром — его акустическое сопровождение.
— А какие ещё природные явления связаны с электричеством? — полюбопытствовала Галатея.
— Ну, например, полярные сияния. Они генерируются потоками электронов и протонов, летящих от Солнца и попадающих в ловушку магнитосферы Земли. Свечение рождается в воздухе, когда облака заряженных солнечных частиц, накопленных в радиационных поясах Земли, переполняют их и врезаются в атмосферу Земли.
А вы сами можете вспомнить какой-нибудь природный электрический феномен?
Дети задумались.
— Компас! — воскликнул Андрей. — Его стрелка всегда «смотрит» на северный магнитный полюс.
— Верно, — согласилась Никки. — Магнитные свойства металлической стрелки связаны с движением электронов в её атомах, а магнитное поле нашей планеты вызвано электрическими токами в потоках расплавленного металла в центре Земли. И когда маленькая стрелка в прозрачной коробочке поворачивается на север, её движение соединяет в себе эффекты микромира и планетарные процессы.
Андрей победно посмотрел на Галатею:
— Вот какой прекрасный пример я нашёл!
Та покраснела и сердито выпалила:
— А меня часто «жалят» электрические разряды, когда я надеваю шерстяной свитер или берусь за металлическую ручку.
— Отлично! — Никки похвалила Галатею. — Это происходит разряд статического электричества, накапливающегося при трении одних предметов о другие. Электризацию вызывает, например, трение янтаря о шерсть, из-за чего к янтарю притягиваются мелкие бумажки. На основе этого явления в девятнадцатом веке создали электрофорные машины, которые накапливали заряд в особых банках-конденсаторах и на больших металлических шарах. Эти машины использовали для исследования электрических явлений и как источники постоянного тока.
— Я видела молнии между такими шарами! — воскликнула Галатея с сияющими глазами. Никки одобрительно кивнула.
— К началу девятнадцатого века изучением явлений электричества и магнетизма занимались многие учёные. Одни исследовали статические заряды на шарах, другие — электрические токи в проводах и то, как они взаимодействуют с намагниченной стрелкой компаса. А как связаны многочисленные электромагнитные явления друг с другом, долгое время оставалось загадкой.
Но вернёмся к нашему герою. В 1831 году в Шотландии, в семье владельца большого фамильного поместья под Эдинбургом Джона Клерка Максвелла, родился сын Джеймс. Мальчик рос любознательным в окружении книг и диковинных механических игрушек. До десяти лет он получал домашнее образование под началом специально нанятого учителя. В 1841 году отец отправил Джеймса в школу, которая называлась «Эдинбургская академия». Позже, с 1847 по 1850 год, талантливый юноша учился в Эдинбургском университете, а затем перешёл в Кембриджский, который закончил в 1854 году.
О том, в каком напряжённом режиме он учился, свидетельствует следующий факт. Когда Максвелл получил сообщение об обязательном посещении утреннего богослужения в университете, он сказал: «Я в это время только ложусь спать».
Максвелл проявил себя настоящим гением в науке: он занимался астрономией и устойчивостью колец Сатурна, созданием основ цветной фотографии и теорией движения молекул в газах, — все физики мира знают «распределение Максвелла», которому подчиняется, например, распределение молекул газа по скоростям.
— А я слышал про «демона Максвелла»! — выпалил Андрей.
— Да, это воображаемое разумное существо микроскопического размера придумал Максвелл для одного из своих мысленных экспериментов. Возьмём сосуд с газом, — рассуждал он. — Разделим его пополам стенкой, в которой будет всего лишь одна крохотная дверца. Поставим возле этой дверцы швейцара-демона. Пусть он молниеносно открывает дверцу перед быстрыми молекулами, которые прилетают только из левой части сосуда в правую, и перед медленными молекулами, которые движутся только из правой части в левую, и захлопывает её перед «носом» остальных частиц. Постепенно, благодаря неустанной работе демона, в правой части накопится горячий газ с быстрыми молекулами, а в левой — холодный газ с медленными молекулами. Если сделать дверцу очень лёгкой, то работать демону будет не так уж трудно, зато сколько пользы он может принести! Правда, при этом нарушаются важные законы физики, что делает работу демона парадоксальной.
— Заставив работать демона Максвелла, можно сделать холодильник, которому не нужно электричество! — засмеялась Галатея.
— И чайник! — поддержал её Андрей.
— Учёные немало сил потратили на осмысление хитроумного демона Максвелла, пока не поняли, что ни один демон даром работать не будет — он всё равно потребует плату.
Но вернёмся к электричеству. Максвелл увлёкся математической задачей описания электромагнитных явлений, но никак не мог связать покоящиеся заряды и токи в проводах. Он вообще любил создавать математические теории, описывающие природные явления. Максвелл говорил: «Если вы окажетесь где-то не правы, природа сама сразу же скажет вам об этом». Он потратил много усилий на создание уравнений, которые описывали бы все известные магнитные и электрические явления. В конце концов ему это удалось!
— Все-все? — недоверчиво спросила Галатея.
— Все-все, причём не только известные, но и ещё неоткрытые явления! Труды Максвелла, Герца и других физиков доказали, что электричество присутствует в природе повсеместно и участвует в самых разных явлениях: оно накапливается в атмосферных тучах и разряжается молниями во время грозы, течёт в подземной расплавленной магме, заставляя стрелки компаса смотреть на север, и возникает в кипящей звёздной материи. Тучи пепла электризуются не хуже дождевых облаков, поэтому извержения вулканов тоже сопровождаются мощными молниями. Одним словом, электричество — это удивительный природный феномен, который человек сумел приручить и превратить в самую распространённую технологию современной цивилизации.
— Так что же такое электрический ток? — спросила Галатея.
— Это одновременно и очень простой, и очень сложный вопрос. В некоторых учебниках написано, что электрический ток — это направленное движение электронов по проводам. Многие так и думают. Но если щёлкнуть выключателем на стене, то электроны из этого выключателя дойдут до люстры (предположим, что мы используем постоянный, то есть не меняющий своего направления, ток) часов за десять.
— Как же так? — опешила Галатея. — Лампочка-то зажигается сразу!
— Верно! Но факт остаётся фактом, — электроны движутся со скоростью примерно миллиметр в секунду. А если учесть, что в обычной бытовой сети электрический ток переменный (со сменой направления пятьдесят раз в секунду), то электроны из выключателя вообще никуда не денутся, — они будут перемещаться туда-сюда на ничтожно малом (с нашей точки зрения) участке провода.
— Но как же лампочка узнаёт, что ей пора зажигаться? — недоумевала Галатея.
— Чтобы лучше понять, что такое электрический ток, давайте проведём мысленный эксперимент: расставим десять солдат на десятикилометровом отрезке дороги на расстоянии километра друг от друга. Все они смотрят в одну сторону, как и полагается в строю, и внимательно прислушиваются друг к другу. Вот последний в строю солдат кричит «Марш!» и начинает двигаться вперёд. Следующий солдат, уловив его еле слышную команду, долетевшую сзади, немедленно громко повторяет её: «Марш!» — и тоже начинает шагать вперёд, и так до тех пор, пока первый в строю солдат не начнёт маршировать, услышав команду предыдущего. Звук проходит километровую дистанцию за три секунды, значит, команда «Марш!» промчит расстояние в десять километров за полминуты. За эти полминуты первый солдат прошагает всего метров сорок. Если приравнять медлительных солдат к электронам, а быструю команду, которую они передают друг другу, — к электромагнитному полю, то мы поймём, почему электроны, двигаясь медленно, перемещаются по всему проводу одновременно. И лампочка, не дожидаясь медлительных электронов из розетки, загорается сразу — вернее, электроны, получив команду электромагнитного поля, которое распространяется по проводу со скоростью триста тысяч километров в секунду, начинают двигаться по всему металлическому проводу и по спирали, называемой телом накала, практически одновременно.
— Значит, скорость электромагнитного поля равна скорости света в вакууме? — спросил Андрей. — Это случайное совпадение?
— Конечно, нет! — воскликнула Никки. — Главная заслуга Максвелла состоит не только в том, что он привёл в порядок известные законы электродинамики. Записывая свою систему уравнений, Максвелл заметил, что ей не хватает красоты. И он добавил в одно из уравнений слагаемое, приводившее к симметрии между электрическим и магнитным полями! Ни один из выполненных к тому времени экспериментов не вынуждал его к такому шагу. Но математически красивая теория имеет больше шансов оказаться правильной. Красота и симметрия постепенно стали путеводными звёздами физиков-теоретиков, указывающими дорогу в мир неизведанного.
После такого дополнения Максвеллу открылось чудо: оказалось, что для существования электрических и магнитных полей вовсе не обязательно наличие зарядов и токов! Электрические и магнитные поля, не привязанные к зарядам и токам, могут перемещаться в пустом пространстве, даже в чистейшем вакууме. Такие поля имеют вид бегущих волн, где электрическое и магнитное поля не существуют одно без другого, — они тесно сплетаются, перетекают одно в другое в пространстве. Уравнения Максвелла доказывали, что скорость распространения таких волн равна скорости света в вакууме. Поняв это, учёный решился на удивительное утверждение: Максвелл заявил, что эти электромагнитные волны и есть свет, который рождается Солнцем и свечой, молнией и светляком.
— Ух ты! — выдохнула взволнованная Галатея. — Значит, светлячок тоже электрическое явление!
— Но ведь это всего лишь предположение Максвелла, — Андрей был настроен скептически. — Откуда мы знаем, что Максвелл прав и что его уравнения верно описывают солнечный свет?
— Вопрос по существу! — похвалила Андрея Никки. — Хорошая теория должна не только описывать уже известные явления, но и предсказывать новые, причём предсказание должно быть достаточно конкретным, чтобы дать посыл экспериментаторам: ищите! И если результат эксперимента согласуется с предсказанием теории, значит, теоретик прав.
Галатея укоризненно взглянула на Андрея. Она не сомневалась, что предсказание такого умного физика, как Максвелл, повелевающий даже демонами, выдержит самую суровую экспериментальную проверку. А Никки меж тем продолжала:
— Для подтверждения гениальной догадки Максвелла осталось сделать всего один шаг: породить электромагнитные волны экспериментально, управляя зарядами и токами с помощью проводов, магнитов и батареек. Эту задачу решил другой гениальный физик — Генрих Герц. Он сумел создать и зарегистрировать электромагнитные волны более низкой частоты, чем световые. Теперь мы называем их радиоволнами, а частоту различных колебаний стали измерять в «герцах»: Герц (Гц) — количество колебаний в секунду. Например, в герцах измеряется частота переменного тока в обычной бытовой электросети, — он меняет своё направление с частотой 50 Гц.
Никки посмотрела на внимательно слушающую девочку:
— Вернёмся к твоему вопросу о природе электрического тока, Галатея. Хотя электромагнитное поле мчится вдоль провода очень быстро, а электроны ползут по металлическому проводу со скоростью улитки, они тесно связаны. Электрический ток, распространяющийся по проводам, — это проявление совместного движения медленных электронов и быстрого электромагнитного поля. Таков самый простой ответ. Но если копнуть поглубже — а это очень увлекательное занятие в любой деятельности, — то окажется, что даже электрический ток в обычной бытовой сети представляет собой очень сложное атомное явление.
Зададимся вопросом: как работает электрический ток в наших домах? Оставим в стороне сложные устройства, рассмотрим обычную спираль конфорки электрической плиты или спираль утюга, которая разогревается, когда по ней проходит электрический ток. Что при этом происходит между электронами и металлической спиралью? Отчего она становится так горяча?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте пофантазируем. Вы никогда не играли в футбол в густом лесу, где растут мачтовые сосны? Попробуйте сильными ударами по мячу отфутболить его на расстояние в сотню метров. Эта задача, простая для обычного футбольного поля, в густом лесу превращается в трудновыполнимое дело. При каждом ударе мяч попадает в дерево и отскакивает от него назад или в сторону. Ваши ноги дают ему нужное направление, а деревья сбивают его с пути. Когда вы наконец добьётесь выполнения задачи, вытрите пот со лба и задумайтесь. Мяч играл роль электрона, вы — электромагнитного поля, ускоряющего его в нужном направлении, а стволы сосен изображали атомы металла, которые рассеивают электроны, мешая им двигаться. Энергия, которую вы, вернее, электромагнитное поле затратило на проталкивание электронов сквозь «заросли» атомов, идёт на нагревание провода.
— Значит, когда от попадания мяча сосны начинают покачиваться — это и есть аналог выделяющегося на атомах тепла? — спросил Андрей, улыбаясь.
— Верно. Закон немецкого физика Георга Ома связывает сопротивление материала, напряжение и силу электрического тока. Он сформулирован на основе многочисленных опытов, но без понимания внутренних процессов. Описать точно электрическое сопротивление можно только в рамках квантовой механики, которой не было во времена Ома. На самом деле мы жарим яичницу и гладим брюки на квантовом тепле, которое появляется в результате сложных взаимодействий электронов, атомов и электромагнитного поля.
Каждый организм жив, пока получает энергию извне. В этом наши дома похожи на живые организмы, — им для функционирования тоже нужна энергия, и они получают её по проводам, вернее, по металлической проволоке. По ней движется электрический ток, который зажигает лампочки, заставляет работать холодильник, телевизор, телефон, пылесос, электроплиту и множество других приборов, питающихся электричеством.
Радио, телевидение, компьютеры, мобильные телефоны — всё это возникло благодаря Максвеллу и его уравнениям, которым подчиняются электромагнитные поля звёзд и полярных сияний, электрических розеток и компьютерных процессоров.
***
Джеймс Максвелл (1831—1879) — великий британский физик, шотландец по происхождению. Заложил основы классической электродинамики.
Генрих Герц (1857—1894) — выдающийся немецкий физик. Опираясь на предсказания теории Максвелла, сумел сгенерировать электромагнитные волны электротехническими методами. Этим он не только подтвердил справедливость уравнений Максвелла, но и заложил основы радиосвязи.
Георг Ом (1789—1854) — знаменитый немецкий физик. Открыл закон, связывающий напряжение и силу тока с электрическим сопротивлением проводника.
Статьи по теме
- Сказка о вундеркинде Готфриде Лейбнице, придумавшем новую математику
- Сказка об Африке, где водятся гориллы, крокодилы и... атомные реакторы
- Сказка о рождении Луны
- Сказка о химике Белоусове, который изготовил жидкие часы
- Сказка о роковой ошибке кардинала Виссариона, вундеркинде Региомонтане и хитроумном Колумбе
- Сказка об астрономе Слайфере, который открыл разбегание Вселенной
Читайте в любое время
