Сержио Рарра Кастильо - Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
СЛЕДСТВИЯ ДИАМАГНЕТИЗМА: РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
«Теперь мы уже готовы к рассмотрению теории индуцированного магнетизма с той точки зрения, которой, как я полагаю, придерживался Фарадей. Когда магнитная сила действует на произвольную среду, магнитную, диамагнитную или нейтральную, внутри нее возникает явление, называемое магнитной индукцией, которая представляет собой направленную величину, имеющую природу потока, удовлетворяющую тем же условиям непрерывности, что и электрический ток и другие потоки».
Это цитата из книги Джеймса Клерка Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Несомненно, автор хотел особо подчеркнуть роль Фарадея в изучении электромагнетизма.
С другой стороны, в 1850 году немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер, в честь которого названа единица измерения магнитного потока в международной системе (вебер), предложил идею о том, что молекулы ферромагнетиков представляют собой маленькие магниты. При воздействии на них магнитным полем молекулы поворачиваются в одном направлении. Так ферромагнетик превращается в магнит. Однако эта идея противоречила постулатам феноменологической теории Пуассона, которая использовалась до сих пор для расчета эффекта от неопределенного количества произвольно расположенных статических электрических зарядов.
Как и прежде, находки Фарадея стали основой для теоретической разработки в рамках новых дисциплин, появившихся позднее. Если различия между диамагнетиками и парамагнетиками были экспериментально выведены британским физиком Джеймсом Альфредом Эвингом (1855–1935), характеристики ферромагнетиков не были глубоко проанализированы до тех пор, пока Поль Дирак и Вернер Гейзенберг (1901–1976) не применили для этого основы развивающейся квантовой механики в 1929 году.
Теория существования электронов подразумевалась в работах Фарадея и Максвелла, но окончательно была сформулирована нидерландским физиком Хендриком Антоном Лоренцем (1853–1928) и использована в первую очередь для оптических явлений.
В 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858–1947) ввел термин квант и открыл универсальную постоянную, названную постоянной Планка и использованную для расчета энергии фотона.
В 1905 году Эйнштейн высказал идею, что свет распространяется как частица, фотон. Де Бройль в 1923 году указал, что квантовая механика придает частицам волновые свойства, а излучению, электромагнитным волнам — свойства частиц. Наконец, Гейзенберг и Шрёдингер соединили макроскопические явления со свойствами атома и молекул, и стал понятен феномен ферромагнетизма: в любом ферромагнетике имеются элементарные носители магнитного момента, отвечающие за макроскопические магнитные эффекты и спонтанную намагниченность.
Глава 5.
Больше, чем искра гениальности
Хотя интеллектуальные достижения Фарадея признаны неоспоримыми, а без его наследия невозможно понять последующую научную революцию в физике, ученый никогда не забывал о своем простом происхождении.
Поэтому одной из его главных целей была популяризация науки, особенно среди детей.
Несмотря на приближавшийся закат карьеры Фарадея, первые лучи теоретических и практических следствий его открытий уже загорелись, и это предвещало великие научные открытия в физике, связанные с такими именами, как Эйнштейн, Гейзенберг и Шрёдингер.
Между тем Фарадей решил уйти просто и скромно, как истинный сандеманианец. Он даже умер, сидя в своем любимом кресле, и был погребен в простой могиле, без причудливых узоров и орнаментов на надгробии. Она выглядит так, как и должна выглядеть могила сына кузнеца — бедного, не получившего академического образования, по милости судьбы достигшего высоких должностей в самом главном научном учреждении Англии.
ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ
Фарадей становился все более уверенным в том, что все физические явления в мире связаны между собой. Эта мысль даже привела его к неудавшейся попытке в 1849 году установить связь между электромагнитными силами и ньютоновой гравитацией.
В конце концов он прекратил поиски в этой области, а эстафета оказалась в руках Эйнштейна, который обобщил результаты своих — также неудачных — поисков в так называемой единой теории поля. Фарадей и Эйнштейн умерли, будучи полностью убежденными в своей правоте. Фарадей в очерке *0 возможной связи между гравитацией и электричеством» писал:
«В течение долгого времени я был твердо убежден в том, что силы природы взаимозависимы — из-за их единого происхождения или из-за того, что они являются проявлением одной фундаментальной силы. Эта убежденность часто заставляла меня думать о возможности установить при помощи экспериментов связь, объединяющую гравитацию и электричество. Таким образом, гравитация оказалась бы включенной в группу, и образовалась бы цепочка, объединяющая магнетизм, химические силы, теплоту и другие проявления силы, с помощью взаимных соотношений».
В 1851 году ученый начал рассматривать физическое существование линий силы, догадки о которых он опубликовал впервые в 1831 году. Тогда в отчете он развивал свою концепцию на основе эксперимента, при котором железные опилки, рассыпанные на листе бумаги, расположенном на намагниченном бруске, начинали образовывать кривые, соединяющие полюса магнита.
Лекция «О связи золота (и других материалов) со светом», которую Фарадей прочитал в 1857 году, вдохновила ирландского физика Джона Тиндаля, который через два года после кончины Фарадея описал так называемый эффект Тиндаля, объясняющий голубой цвет неба.
Скоро после этой лекции Фарадей по причине преклонного возраста ушел с поста директора Королевского института, который занимал долгие 36 лет. Впервые в Англии человек, происходящий из низших слоев общества, занимал такой ответственный пост, до сих пор достававшийся людям с хорошим происхождением, для которых научный труд не был способом заработка.
* * * Эффект ТиндаляЭффект Тиндаля проявляется, когда пучок света проходит через среду, содержащую мелкие взвешенные частицы, рассеивающие свет. Свет без рассеивания был бы виден только наблюдателю, находящемуся перед источником света. При столкновении с частицами свет отклоняется в разных направлениях, достигая наблюдателя, находящегося на некотором расстоянии от источника, и становясь видимым. Мы можем наблюдать эффект Тиндаля, когда, например, зажигаем фары машины в тумане или когда луч света попадает в комнату с большим количеством пыли, висящей в воздухе. Тиндаль, как и Фарадей, был лектором Королевского института и великим экспериментатором. А в 1859 году он открыл парниковый эффект, воссоздав в лабораторных условиях атмосферу Земли для точного расчета того, сколько солнечной энергии достигает нашей планеты и сколько ее излучается в пространство.
Пучок света сначала проходит через стакан воды без взвешенных частиц. Без рассеивании свет не виден стороннему наблюдателю. В следующем сосуде находится вода со взвешенными частицами, которые рассеивают свет, делая пучок света видимым. * * *В 1858 году королева Виктория предоставила Фарадею в пожизненное пользование дом, в котором 12 марта 1862 года он провел свое последнее исследование — ученый искал экспериментальные доказательства рефракции солнечного луча под воздействием магнитного поля. Инструменты, имевшиеся в ту эпоху, не были достаточно совершенными, поэтому попытки Фарадея не дали результатов, хотя они и заинтересовали нидерландского физика Питера Зеемана (1865–1943). В1896 году Зееман обнаружил явление, которое искал Фарадей. За это открытие в 1902 году он получил Нобелевскую премию по физике. Таким образом, эффект расщепления спектральных линий источника света под воздействием сильного магнитного поля на разные компоненты, каждый из которых поляризован, известен сегодня как эффект Зеемана. В конце XIX века было известно, что вибрация электронов создает электромагнитное излучение, такое как свет, а также что электроны каждого атома испускают волны строго определенной частоты. То есть каждый атом испускает уникальную цветовую комбинацию, спектральные или цветовые линии являются подписью атомов.
Я принимаю их как почетные назначения, отказ от которых подразумевает оскорбление другой стороне.
Майкл Фарадей о полученных наградах и должностяхКоролева Виктория была особенно щедра к Фарадею, хотя он никогда не пользовался этим обстоятельством. Для сандеманианцев с их религиозным кредо авторитет королевы не был так уж велик: например, в 1844 году Фарадей был исключен из состава старейшин сандеманианцев, так как отсутствовал на воскресной службе, и это несмотря на то что он предварительно принес извинения, поскольку должен был ужинать с Ее Величеством. Когда в 1850-х правительство Британии пожелало увидеть Фарадея в составе группы ученых, которые должны были разрабатывать токсичный газ для использования в качестве химического оружия в Крымской войне против России, Фарадей отказался, поскольку подобные исследования не согласовывались с его моральными убеждениями. Несмотря на отказ Фарадея от всех излишеств и скептицизм относительно ценности открытий, он получил не менее сотни наград и должностей от всех основных мировых держав.
