Текст книги "Карта незримого. Восемь путешествий по физике элементарных частиц"

VI. В недрах атома. Электрон

Позже, совершив небольшое морское путешествие назад и повторив наш прежний путь, мы снова швартуемся в порту Электрон. Мы пренебрегли уроком, данным нам лоцманом, но наш краткий визит в землю Атома показал, что нужно искать ответы здесь, в этом порту, прежде, чем углубляться в дебри земли Атома. Мы высаживаемся, надеясь избежать встречи со знакомым нам лоцманом, и рассредотачиваемся для получения дополнительной информации.

И вот что мы узнаем. Электрон – первая обнаруженная субатомная частица. Эти крошечные объекты впервые наблюдались как пучки так называемых катодных лучей – странного излучения, испускаемого металлами при нагреве. Некоторые исследователи считали, что эти лучи состоят из частиц, другие же полагали, что речь идет о распространении волн в эфире. Спустя два десятилетия после открытия этих частиц Дж. Дж. Томсон, работавший в Кембридже, в 1897 году утвердил статус электронов именно как частиц. Дело в том, что частицы имеют определенные массу и электрический заряд, из чего, в частности, следует, что отношение массы и заряда тоже имеет определенное значение. Чтобы доказать, что катодные лучи состоят из частиц, Томсон должен был показать, что отношение массы к заряду всегда одинаково, независимо от того, какой материал был использован в качестве источника катодных лучей. Положительный ответ послужил бы критерием того, что электрон – действительно частица. Первым ключевым доказательством стал тот факт, что катодные лучи отклонялись в электрическом и магнитном полях именно таким образом, как это ожидалось для пучка заряженных частиц. Ни одна волна, известная в то время, не являлась переносчиком заряда, и поэтому это могло считаться хоть и косвенным, но сильным доказательством в пользу трактовки электрона как частицы. Вторую часть доказательства Томсон получил, изучив, как ведет себя в вакууме траектория пучка катодных лучей под действием электрического и магнитного полей. Томсон смог настроить поля таким образом, что они взаимно компенсировали друг друга. Путем такого регулирования можно было получить на выходе скорость пучка[15]15
  Действующая на частицу магнитная сила зависит как от скорости этой частицы, так и от ее заряда, тогда как электрическая сила зависит только от заряда частицы. Следовательно, если добиться равенства магнитной и электрической сил, неизвестное значение заряда может быть удалено из соответствующих уравнений путем алгебраических преобразований – таким образом можно вычислить скорость частицы.


[Закрыть].

Наконец, поскольку скорость известна, магнитное поле можно отключить, и степень отклонения пучка в электрическом поле поможет определить отношение заряда к массе[16]16
  Знать скорость чрезвычайно важно, поскольку ее величина расскажет, как долго действовала на электроны электрическая сила при прохождении пучка между двумя пластинами. Степень отклонения пучков прямо пропорциональна величине заряда (больший заряд означает более продолжительное действие силы и, следовательно, большее отклонение пучка) и обратно пропорциональна массе (бо́льшая масса означает бо́льшую инертность и, следовательно, меньшее отклонение пучка). Таким образом, отклонение пучка определяется отношением заряда к массе.


[Закрыть]. Как отметил Томсон, для электрона отношение заряда к массе примерно в две тысячи раз больше, чем соответствующее соотношение для иона водорода, который представляет собой одиночный протон – легчайшую частицу из известных на тот момент. Сказанное означает, что или заряд электрона сильно превышает заряд протона, или масса электрона гораздо меньше массы протона.

Существует много способов выяснить, какое из двух предположений верно. Вероятно, наш старый друг лоцман, попадись мы ему снова, захотел бы нас подразнить и предложил бы подвешивать в электрическом поле маленькие заряженные сферы. Электростатическая сила, действующая на заряженную сферу, зависит как от напряженности электрического поля, так и от наведенного электрического заряда сферы. Если сфера неподвижна (не падает и не поднимается), то электростатическая сила должна в точности компенсировать гравитационную силу, зависящую от массы сферы. Таким образом, если напряженность поля и масса сферы известны, то заряд может быть вычислен. Производя такие измерения и расчеты много раз, можно увидеть, что заряд сферы всегда кратен небольшой величине, которую будем называть e. Сферы могут нести заряд e, или 2e, или 3e, или сотни e, но никогда не половину e или еще какую-то дробную часть этой величины, называемой «заряд электрона»[17]17
  Это очень кропотливый эксперимент, тем более что для него берут капли масла, а не сферы, которые первоначально были в распоряжении американского физика Роберта Милликана в 1910 году. Эксперимент проводится до сих пор, в основном безуспешно, во многих лабораториях – силами щурящихся и нетерпеливых аспирантов.


[Закрыть].

Результатом всех этих доказательств стало утверждение о существовании крошечной частицы электрона, обладающей определенными массой и зарядом. Поскольку электроны намного меньше атомов, то разумно предположить, что прежде чем сформировать катодные лучи, они обитают где-то внутри атомов. Вот теперь мы действительно готовы вернуться на землю Атома и начать исследование ее внутренних областей.

VII. Ядерные свойства

Знания, добытые нами в порту Электрон, позволяют нам уверенно ступить на землю Атома с готовностью понять некоторые особенности, которые мы там обнаружим. Но внутри атома должно ведь быть и что-то еще, помимо электронов. Электроны очень легкие по сравнению с целым атомом, и что-то должно отвечать за оставшуюся бо́льшую часть массы. Кроме того, атомы электрически нейтральны и, следовательно, в атоме должно быть что-то, несущее положительный заряд, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов. Что же это может быть за дополнительная составляющая атома и как по отношению к ней распределены электроны?

Первые инструменты, необходимые для дальнейшего исследования атома, были получены при открытии явления радиоактивности. Земля Атома лежит восточнее, а значит, для похода туда нам нужны более высокие энергии, чем те, что могут обеспечить нежные катодные лучи. К счастью, по причинам, которые станут ясны позднее, некоторые элементы испускают естественное радиоактивное излучение, и его энергия может быть весьма высока. Это и будет нашим средством передвижения, который поможет проникнуть в земли Атома.

Одна из наиболее распространенных естественных форм радиоактивного излучения – это альфа-частицы[18]18
  Другая форма – это бета-частицы, то есть электроны, и гамма-лучи, то есть фотоны.


[Закрыть]. «Ударный десантный отряд» в составе Ганса Гейгера, Вальтера Мюллера и Эрнеста Резерфорда (снова в Манчестере) в результате решительных действий добился значительных – для того времени – успехов при разведке земель Атома. Ученые использовали пучок альфа-частиц, полученных в результате радиоактивного распада недавно обнаруженного тогда химического элемента радона, для бомбардировки атомов золота. Относительно высокая энергия альфа-частиц означает, что они в принципе пригодны для исследования мельчайших особенностей внутри атома. Идея заключалась в том, что альфа-частицы должны были отклоняться этими «субатомными особенностями», которые находились внутри атомов золота. Анализируя углы рассеяния и отмечая, насколько часто происходят такие рассеяния, можно изучить детали внутренней структуры атома.

Раньше никто не мог заглянуть внутрь атома, и было множество гипотез о том, что же там может происходить. Согласно одной из моделей внутренней структуры атомов (ее, по-видимому, предпочитал сам Резерфорд), электроны распределены в атоме, как изюм в сливовом пудинге. Кстати, как ни удивительно, в сливовом пудинге совсем нет слив (скорее всего, для объяснения этого курьеза существует какая-нибудь историческая «изюминка»). Представьте теперь то удивление, которое испытали Гейгер, Мюллер и Резерфорд, когда выстрелили пучком альфа-частиц в золотую фольгу. Если бы атом действительно обладал структурой сливового пудинга, то альфа-частицы прошли бы сквозь него с незначительными отклонениями. Но оказалось совсем иначе. В то время как большинство альфа-частиц проходили, почти не отклоняясь, некоторые из них отскочили назад, а другие были отклонены на гораздо бо́льшие углы, чем это ожидалось в простой модели диффузного – «пудингоподобного» – распределения вещества внутри атома.

Резерфорд красочно описал проведенный эксперимент: результат был подобен стрельбе 15-дюймовым снарядом по клочку салфетки с его последующим сногсшибательным – в буквальном смысле слова – отскоком. Такой результат можно объяснить только одним образом: основная часть положительно заряженной массы атома сосредоточена в объеме, который в тысячи раз меньше размера всего атома.

Теперь мы знаем, что это – атомное ядро. Преобладающая часть массы любого ядра сосредоточена в объеме, который примерно в 10^–15 раз меньше объема всего атома. Именно такая огромная концентрация вещества и приводит к тому, что альфа-частица отскакивает в сторону, противоположную той, откуда она прилетела.

Основная структура каждого атома такова: очень тяжелое ядро, окруженное облаком более легких электронов. Следующая часть нашего путешествия будет посвящена исследованию того, как эти электроны связаны с ядром; мы рассмотрим также далеко идущие последствия их связи.

VIII. Истоки химии

Все наши предыдущие исследования говорили нам, что бо́льшая часть массы атома сосредоточена в ядре. Существенно более легкие электроны «жужжат» вокруг ядра. Благодаря электромагнитным силам притяжения отрицательно заряженные электроны вынуждены оставаться поблизости от ядра, имеющего положительный заряд. Такая картина на первый взгляд напоминает миниатюрную Солнечную систему, в которой более легкие по сравнению с Солнцем планеты вращаются вокруг массивной центральной звезды. Но это только кажущаяся аналогия. Как мы уже знаем, электроны – это не классические частицы, и в рассматриваемом случае их квантово-механическая природа проявляет себя в огромной степени. Так, именно квантово-механические свойства электрона диктуют способ связи и реакции атомов при формировании молекул и более сложных соединений, а также объясняют структуру самой периодической таблицы Менделеева.

У разных элементов способность к взаимодействию зависит от того, насколько сильно электроны связаны с ядром атома. Когда мы исследуем землю Атома, посещаем атомы разных элементов, мы обнаруживаем, что эти атомы содержат разное количество электронов – такое количество, которое нужно, чтобы скомпенсировать положительный заряд разных ядер. Обнаруживаем мы и тот факт, что электроны не могут обладать произвольной энергией. Их энергии принимают значения строго из определенного набора, характерного для атомов определенного элемента. Именно этот набор энергий и определяет способность атома формировать молекулы и другие соединения с соседними атомами, а это, в свою очередь, лежит в основе всей химии и всего того, что следует из химических свойств элементов. Будучи от природы любопытными исследователями, мы горим желанием узнать, как все это работает и, прежде всего, какой механизм создает определенные энергетические уровни.

Обладающий определенной энергией электрон обладает и определенной длиной волны, связанной с энергией, как мы выяснили в нашем предыдущем путешествии. Электроны, свободно передвигающиеся по океанам, отмеченным на нашей карте, могут иметь любую длину волны и, следовательно, любую энергию. Ограничений нет. Однако, будучи ограниченными территорией земли Атома, плененные вблизи атомного ядра электроны утрачивают свободу в выборе возможных значений длины волны.

Тот факт, что для электрона разрешены только определенные значения энергий, приводит к ограничению длины волны. Осознав это, мы начинаем понимать, что же происходит с электронами.

Мы знаем по опыту, что существуют и другие ситуации, когда бывают доступны только некоторые определенные длины волн, например колебания гитарной струны. К счастью, на нашей лодке есть гитарист, который поможет нам наглядно это понять.

В гуще лесов, покрывающих землю Атома, мы находим полянку и разбиваем лагерь. Разжигаем костер, садимся вокруг него и замираем в ожидании, о чем поведает нам гитара в тот час, когда сгустятся сумерки и в тишине до нас донесется жужжащая песенка крошечных электронов, парящих в древесных кронах высоко над нашими головами.

Каждая нота музыкального инструмента соответствует определенной звуковой волне. Гитарная струна некоторой фиксированной длины порождает звучащую ноту. Эта нота определяется тем фактом, что точное число соответствующих ей полуволн должно вписаться в отведенное для струны пространство. Концы струны закреплены на струнодержателе и колках грифа и, следовательно, не могут вибрировать, как все остальные участки этой струны. Таким образом, волна на струне должна иметь неподвижные точки, расположенные на концах этой струны, и в них амплитуда колебаний равна нулю.

Как следствие из всего сказанного, не все длины волн могут реализоваться при таких колебаниях. Длины волн, равные длине струны, не запрещены: они обладают двумя фиксированными точками на каждом конце и одной фиксированной точкой в середине. Пики и провалы приходятся на первую и третью четверти пути соответственно.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда длина волны в два раза превышает длину гитарной струны, причем средняя часть струны колеблется вверх-вниз. Это будет самое низкое колебание струны, открытая нота гитары. Важный момент здесь – то, что запрещена волна любой длины, которая не допускает стационарную точку на каком-либо конце струны.

Именно так происходит и с электронами, когда их положение ограничено некоторой областью вблизи атомного ядра. Расстояние от электронов до ядра подобно расстоянию от струнодержателя до грифа на гитаре: оно тоже определяет фиксированные точки, за пределы которых электрон не может выйти и где волна, ассоциированная с электроном, стационарна. Вышесказанное означает, что для электрона допустимы только определенные длины волн, а из этого, в свою очередь, следует, что для электронов допустимы только определенные значения энергии. Наконец, последний факт объясняет своеобразие структур связности электронов с ядрами атомов, с чем мы столкнулись в земле Атома[19]19
  Уравнение, описывающее эти волны, называется уравнением Шрёдингера. Оно менее известно, чем одноименный кот, но фактически куда более полезно.


[Закрыть].

Мы получили недостающую часть необходимой нам информации для понимания внутренних механизмов земли Атома. Существует строго определенный список допустимых энергетических уровней для электронов, находящихся в связанном состоянии внутри атома, – гармоник их орбит вокруг центрального массивного ядра. Разумно ожидать, что наиболее устойчивое состояние атома – это когда все электроны «садятся» на уровень с наименьшей энергией. Другими словами, все электроны «дружно поют басом». Однако такого мы не наблюдаем. Каждый энергетический уровень позволяет, чтобы его занимали только два электрона, после чего он становится полностью заполненным: для всех остальных желающих вывешивается табличка «Нет свободных мест». Таким образом, другие электроны, стремящиеся занять места с минимальной энергией, вынуждены довольствоваться уже только оставшимися энергетическими уровнями, где ситуация снова повторится: будут взяты только два электрона, а остальным опять придется искать себе места на более высокоэнергетических уровнях[20]20
  Такое враждебное поведение носит название «принцип запрета»; его открыл Вольфганг Паули, один из первых исследователей земли Атома. С ним мы еще встретимся, хотя и не очень скоро.


[Закрыть]. У атома в состоянии с самой низкой энергией все электроны занимают самые нижние допустимые энергетические уровни, а все уровни с более высокой энергией пусты. К примеру, у кремния 14 электронов находятся на семи нижайших энергетических уровнях, по два на каждом. Натрий имеет 11 электронов, которые заполняют нижайшие пять энергетических уровней, а шестой уровень заполнен наполовину: на нем один электрон и одно свободное место.

Таким образом, атомы создают «оболочки» из электронов. Энергетические уровни внутри таких электронных оболочек заполнены, снаружи – пусты, а посередине иногда бывают свободные места. Эта сложная структура из электронов и энергетических уровней определяет размер атома и его способность вступать в реакции и образовывать молекулы. Здесь сразу возникает множество вопросов. Например, почему именно два электрона приходятся на один энергетический уровень? Почему не один или столько, сколько мы захотим? Этого мы еще не знаем. Но трудно переоценить важность сути самого открытия: энергетические уровни различны для одного атома, различны для разных атомов и даже для разных молекул, которые образуются при связи атомов друг с другом. Все это означает, что у нас есть способ определять составные части вещества по косвенным признакам, даже не дотрагиваясь непосредственно до них.

Когда электроны перепрыгивают с одного энергетического уровня на другой, они испускают или поглощают характерное количество энергии в виде фотонов света. Измерением величины этого излучения и определением, для каких атомов характерно то или иное излучение, занимается наука спектроскопия, и именно благодаря этой науке мы знаем, из чего сделаны Солнце, другие звезды и межзвездная пыль. Поскольку допускается существование только нескольких определенных энергетических уровней, могут существовать только вполне определенные скачки энергии. Таким образом, лишь некоторые определенные порции энергии фотона могут быть поглощены или испущены. Из-за этого в спектре появляются либо темные полосы (свет определенной длины проходит сквозь вещество, и эти длины волн фотонов поглощаются), либо светлые (свет испускается веществом при нагревании; например, свет натриевой лампы имеет жёлтую окраску). Желтый цвет, зафиксированный спектрометром, указывает на то, что основным компонентом таких ламп является натрий. Точно так же линии в спектре других веществ позволяют определить, из атомов каких видов состоит исследуемое вещество. Это обстоятельство объясняет характерные частоты света, ответственные за открытие гелия на Солнце.

Электронная структура атомов и молекул – детальная картография земли Атома – была открыта с помощью энергий порядка нескольких сотен или даже тысяч электронвольт (эВ)[21]21
  1 эВ – это энергия электрона, который ускоряется в электрическом потенциале в 1 вольт. Так, батарея в 12 вольт может ускорить электрон до энергии в 12 эВ. Чтобы достичь миллионов эВ, нужна энергия от нескольких сотен тысяч таких батарей или ядерная энергия, образующаяся в результате ядерного распада.


[Закрыть]. Понимание этой структуры имело решающее значение для того, чтобы подтвердить квантовую природу электронов и фотонов, а также выявить, какие элементы присутствуют в звездах и пыли далеких галактик. Это понимание воодушевляет нас и дает информацию для дальнейших исследований. Теория взаимодействия электронов и фотонов – квантовая электродинамика (КЭД) – стала первой частью разрабатываемой стандартной модели физики частиц. Как мы увидим в дальнейшем, точные атомные измерения сыграли важнейшую роль в становлении КЭД.

Земля Атома – отправная точка для нашего путешествия в дальние области физики элементарных частиц. Преодолеть тяготы пути нам поможет квантовая теория, которой мы попутно обзавелись. Следующим этапом нашего путешествия станет уже вошедшее в привычку возвращение в порт Электрон, но на этот раз мы вернемся туда по суше. Если сказать точнее, то мы вернемся даже не в сам порт, а в земли все еще неизвестного нам острова, на побережье которого этот порт расположен. Итак, достигнув южной оконечности земли Атома, мы обнаружили некий мост, а сразу за ним – что оказалось очень кстати – пункт проката автомобилей. Мы тут же пересекли мост, взяли машину и отправились по берегу острова, чтобы исследовать территорию вдали от порта Электрон.

Путешествие III
Остров Лептонов и дороги, уходящие в даль

Мы тронулись в путь.

•

Максвелл.

•

Объединим силы и двинемся дальше.

•

Plus ça change, plus c’est la même chose[22]22
  «Чем больше все меняется, тем больше все остается по-старому (фр.)» – крылатая фраза французского писателя и журналиста Альфонса Карра. – Прим. изд.


[Закрыть].

•

Относительность, квантовая механика и новый корабль, который плывет на юг.

•

Решение старой задачи и новые миры.

•

На восток!

IX. Электромагнетизм

Сила, соединяющая электрон, атомное ядро и многие другие объекты на нашей карте – это электромагнетизм. Электромагнетизм описывается КЭД – квантовой теорией, разработанной Фейнманом, Швингером и Томонагой. Об этой теории мы уже кратко говорили выше. КЭД играет ключевую роль в устойчивости земли Атома и обеспечивает существование не только того моста, через который мы недавно проходили, но и всех дорог, которые теперь открываются перед нашим взором. Электромагнитная сила переносится фотоном – квантом света, с которым мы уже сталкивались в наших предыдущих путешествиях. Теперь мы исследуем остров, на котором порт Электрон был отправной точкой нашего первого путешествия, и подробно изучим, как здесь все устроено. Это будет поразительное исследование – оно изменит привычное видение пространства и времени.

Путешествуя по земле Атома, мы увидели, что электроны связаны с ядром сложной серией энергетических уровней, потому что они представляют собой квантовые частицы с отрицательным зарядом, а ядро обладает положительным зарядом. Чтобы попасть достаточно далеко на восток и увидеть само ядро, нам понадобится энергия альфа-частиц, которая составляет несколько миллионов эВ. Чтобы увидеть электроны вокруг ядра, нужно меньше энергии: нескольких тысяч эВ будет достаточно; это так называемая энергия связи электронов в типичном атоме[23]23
  Энергия связи для разных атомов меняется в очень широких пределах, начиная с нескольких эВ. – Прим. перев.


[Закрыть].

Энергия связи – это важная концепция, которая будет часто находить отображение на нашей карте. Энергия частиц, входящих в один объект, не равна сумме энергий отдельных частиц в составе этого объекта. Это означает, что необходимо добавить энергию, чтобы разорвать объект.

Рассмотрим в качестве аналогии запуск космического корабля с поверхности планеты. Космический корабль и планета представляют собой связанную систему. Чтобы разъединить их, вам придется вложить много энергии в виде высвобождаемого ракетного топлива, чтобы достичь так называемой скорости убегания. Точно так же, чтобы удалить электрон от атома, то есть ионизировать его или, в конечном итоге, создать плазму, в которой электроны и ионы будут летать свободно, нужно добавить энергию. Если вы хотите высвободить один из самых сильно связанных с ядром электронов, вам нужно приложить достаточно много энергии, иначе ядро не отпустит электрон.

Энергия связи определяет долготу земли Атома на нашей карте. Притягивающая сила электромагнетизма – это и есть сила, ответственная за энергию связи. Фактически, взаимодействие, которое мы называем электромагнетизмом, – это объединение двух сил, которые изначально считались самостоятельными. Так, существует электростатическая сила, благодаря которой два электрически заряженных объекта притягиваются или отталкиваются друг от друга. Если есть два объекта и они оба заряжены либо отрицательно, либо положительно, то они будут отталкивать друг друга. Если один заряжен отрицательно, а другой – положительно, то они будут притягивать друг друга. Большинство объектов электрически нейтральны, потому что положительный заряд атомных ядер в них в точности уравновешивается и, следовательно, компенсирует отрицательный заряд электронов. Однако если потереть воздушным шариком волосы на голове, можно добиться того, что часть электронов перейдут с одной стороны шара на другую, что приведет к разбалансировке заряда и, следовательно, электростатическому отталкиванию[24]24
  Более реалистичный пример наведения сильного электростатического заряда – это катание с детской пластиковой горки. – Прим. перев.


[Закрыть].

В дополнение к электростатической силе, если два электрически заряженных объекта движутся друг относительно друга, – например, электроны переносят ток в разных направлениях по двум проводникам, – они будут испытывать действие магнитной силы, которая зависит не только от заряда этих объектов, но и от их скорости[25]25
  Вспомните, что именно благодаря балансу этих двух сил Дж. Дж. Томсон обнаружил электрон.


[Закрыть]. Магнитное поле Земли будет искривлять электрические токи, а само магнитное поле вызвано наличием токов внутри земного ядра.

Однако с этими двумя силами для нас пока остается много неясного. И электрические, и магнитные силы зависят от электрического заряда, поэтому они должны быть связаны друг с другом. Но как? Другой вопрос: а мгновенна ли связь между заряженными частицами, или что-то переносит ее с конечной скоростью? Если верно последнее, то что это может быть и как быстро оно путешествует? Как ведет себя эта сила, когда расстояние между зарядами меняется, или когда заряды движутся, или когда заряды вращаются? Это вовсе не какие-то малозначительные детали. Ответы на все эти вопросы уходят глубоко, в самое сердце физики. Правильное понимание ответов заключается не только в том, что мы – как обычно! – просто хотим знать, как все происходит. Детальное поведение электронов при действии этой силы важно понимать еще и потому, что оно есть ключ к большинству процессов в реальном мире, в том числе в мире наших технологий, не говоря уж о биологических процессах. Даже трюмные насосы нашей маленькой лодки работают с помощью электрического двигателя.

В нашем путешествии мы ориентируемся на показания стрелки компаса. Каждый раз, когда мы сверяемся с ее показаниями, я делаю заметки на своем ноутбуке, напичканном всевозможными электронными технологическими элементами. Закончив очередную запись, я отправляю ее моему издателю при помощи хорошо всем известного беспроводного интернета Wi-Fi или, возможно, при помощи серии сигналов с мобильного телефона. Любой, кто придет после меня в будущем, сможет прочесть мои слова при помощи света, даже если у него не будет фонетического шрифта или аудиоверсии моего послания. Информация, которую я посылаю, воспринимается на универсальном языке уравнений, связывающих между собой электрические заряды, а также электрические и магнитные поля.

Все это – электромагнетизм. Исходные уравнения, которые объединяют электрические и магнитные силы и ведут к созданию и КЭД, и оптики, и радио, и Wi-Fi, – это уравнения Максвелла. Они были опубликованы шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в «Философских трудах Королевского общества» в 1865 году[26]26
  Оригинальная рукопись была представлена в 1854 году, но проходила долгое рецензирование, что хорошо знакомо ученым во всем мире. Сохранилось письмо Уильяма Томсона (впоследствии лорда Кельвина), датированное мартом 1865 года, в котором он извиняется за медлительность своей рецензии и пишет, что прочитал бо́льшую часть работы и что она представляется ему довольно неплохой или, по его словам, «определенно пригодной для публикации».


[Закрыть].

Уравнения Максвелла связывают магнитное и электрическое поля друг с другом, а также с электрическим зарядом и током. Из этих уравнений, в частности, следует, что электрическое и магнитное поля заставляют электрические заряды двигаться. Кроме того, электрические заряды создают электрические поля, а магнитных зарядов не существует. И, наконец, уравнения Максвелла указывают на то, что изменения магнитных полей приводят к появлению электрических полей и наоборот. Уравнения дают точное описание, как происходит все вышеописанное. В них содержится тот факт, что единственный способ изменения величины электрического заряда в заданном объеме – это наличие электрического тока, который забирает или вводит заряд. Заряд не может просто исчезнуть или появиться из ниоткуда: он сохраняется.

Уравнения выглядели очень многообещающими. В них Максвелл собрал вместе ряд уже известных законов, которые использовались для описания разных экспериментальных результатов. К примеру, Майкл Фарадей, работавший в Королевском институте Лондона в 1831 году, открыл, что перемещение магнита сквозь петлю заряженного проводника приводит к появлению электрического тока – эффект, называемый электромагнитной индукцией. Максвелл встроил закон электромагнитной индукции Фарадея в то, что может считаться «великой теорией объединения» электричества и магнетизма, включив в нее и описание того, каким образом заряды притягивают друг друга и каким образом магнитное поле генерируется электрическим током.

Собирая вместе и объединяя существующие законы, такие как закон индукции Фарадея, Максвелл также вывел, каким образом изменение электрического поля порождает магнитное поле, даже в отсутствие зарядов и токов. Удивительно то, насколько полно и глубоко эти уравнения смогли раскрыть физические принципы и богатство реальных физических явлений.

Важно отметить: уравнения Максвелла показывают, что электрическое и магнитное поля могут существовать даже при отсутствии электрических зарядов. Изменение электрического поля ведет к изменению магнитного поля, что, в свою очередь, приводит к еще большему изменению электрического поля и т. д. Математически это выражается в том факте, что уравнения могут быть переписаны в виде волнового уравнения, описывающего бегущую волну (с которой мы встречались раньше, наблюдая за чайкой на поверхности залива). В силу того, что электрическое и магнитное поля могут поддерживать бегущую волну, эти поля могут переносить энергию и информацию. Скорость этих волн можно вычислить из уравнения, и она составит 300 тысяч км в секунду – скорость света! Эти волны, фактически, и есть свет – электромагнитное излучение. На языке квантовой теории это – фотоны. Они встречаются во многих формах: видимый свет, радиоволны, Wi-Fi, рентгеновское излучение и др. Все эти волны по-разному взаимодействуют с веществом, по-разному поглощаясь и отражаясь разными материалами. Однако все эти различия полностью обусловлены различием в длинах волн.

Фотоны будут сопровождать нас на всем пути от самых низких энергий на западе к самым высоким на юге. Фотоны – это сеть наших дорог на карте, которые соединяют все, что несет электрический заряд. Иногда эти наши «знакомые» будут менять свой облик – видимый свет так непохож на гамма-лучи. Но с точки зрения уравнений Максвелла – и КЭД – все фотоны есть волны электромагнитного поля.