Проте найбільше мені подобається демонструвати магнітну левітацію за допомогою чудової маленької дзиґи, відомої як левітрон. Різні її версії можна побачити на сайті levitron.com. У мене в кабінеті є одна з перших моделей, яка вже принесла радість сотням відвідувачів.
Поїзди на магнітній подушці мають незаперечну екологічну перевагу — вони відносно ефективно використовують електрику й не виділяють парникових газів. Але їх використання потребує величезних коштів. Оскільки більшість колій для маглевів не сумісні зі звичайними залізничними полотнами, будівництво цих систем вимагає значних первинних капіталовкладень, і це поки що є перепоною для їхнього повсюдного комерційного використання. Попри це нам конче потрібно створити нові системи громадського транспорту, ефективніші й екологічно чистіші за нинішні, якщо ми не хочемо, щоб наша планета зварилася.
Визначне досягнення Максвелла
Багато фізиків вважають Джеймса Клерка Максвелла одним з найславетніших фізиків в історії, який, можливо, поступається лише Ньютону й Ейнштейну. Він зробив внесок у цілу низку галузей фізики: від аналізу кілець Сатурна до вивчення поведінки газів, термодинаміки й теорії кольору. Але найблискучіше його досягнення — чотири рівняння, сьогодні відомі як рівняння Максвелла, що описують і пов’язують електричні й магнітні явища. Хоча ці рівняння здаються простими на вигляд, за ними стоїть досить складна математика. Якщо ви впевнено почуваєтеся з інтегралами й диференціальними рівняннями, будь ласка, перегляньте мої лекції або почитайте про рівняння Максвелла в інтернеті. А я в цій книжці поясню простішими словами, що зробив Максвелл.
Перш за все, Максвелл об’єднав теорію електричного й магнітного полів, показавши, що вони є різними виявами єдиного поля — електромагнітного. За винятком одного дуже важливого моменту рівняння Максвелла не є його «законами» або відкриттями; у тій чи іншій формі вони існували до того. Проте заслуга Максвелла полягає в тому, що він звів їх разом, створивши так звану теорію електромагнітного поля.
Перше рівняння — це закон Гауса для електричного поля, який пояснює зв’язок між електричними зарядами і силою та поширенням електричного поля, яке вони створюють. Друге рівняння, закон Гауса для магнітного поля, найпростіше із чотирьох, і з нього випливає одразу кілька речей. Згідно із цим законом, не існує магнітних монополів. У магнітів завжди є північний і південний полюси (ми називаємо їх диполями), на відміну від електричних явищ, де можливі монополі (монополь — це позитивно або негативно заряджена частинка). Якщо ви розламаєте один зі своїх магнітів (у мене їх чимало на холодильнику) на два шматки, кожний матиме північний і південний полюси, і якщо ви переламаєте магніт на 10 000 шматочків, кожен з них так само матиме два полюси. Не існує жодного способу, щоб в одній руці був північний полюс магніту, а в другій — південний. Утім якщо у вас є наелектризоване тіло (наприклад, позитивно заряджене) й ви розділите його на дві частини, то обидві можуть бути заряджені позитивно.
Потім стає ще цікавіше. Третє рівняння — це закон Фарадея, що описує, як змінне магнітне поле створює електричне поле. Як ви бачите, це рівняння є теоретичним підґрунтям для електричних генераторів, про які я розповідав раніше. Четверте рівняння — це закон Ампера, в який Максвелл додав важливе уточнення. У початковій версії закон Ампера стверджував, що електричний струм створює магнітне поле. Опрацювавши його, Максвелл доповнив: змінне електричне поле створює магнітне поле.
Граючись із цими рівняннями, Максвелл передбачив існування електромагнітних хвиль, що поширюються в порожнечі. Крім того, йому навіть вдалося обчислити швидкість цих хвиль. Результат був приголомшливим — їхня швидкість дорівнювала швидкості світла. І він дійшов висновку, що світло, напевно, і є електромагнітними хвилями.
Ампер, Фарадей і Максвелл знали, що перебувають на межі величезного перевороту в науці. Уже століття тривали серйозні дослідження й спроби зрозуміти електричні явища, а ці хлопці постійно робили одне відкриття за іншим. Мені часом цікаво, чи спали вони ночами?
Рівняння Максвелла, що в 1861 році об’єднали такі важливі явища, без перебільшень стали найвеличнішим досягненням фізики ХІХ століття, і, безумовно, всієї фізики між Ньютоном і Ейнштейном. І як і всі глибокі відкриття, вони вказали шлях для подальших спроб об’єднати фундаментальні наукові теорії.
Від часів Максвелла фізики докладали титанічних зусиль, намагаючись створити теорію, яка б поєднала чотири типи фундаментальних взаємодій: електромагнітну, сильну, слабку та гравітаційну. Альберт Ейнштейн останні тридцять років свого життя присвятив спробам об’єднати електромагнетизм і гравітацію в так званій єдиній теорії поля, що йому так і не вдалося.
Намагання створити єдину теорію не припиняються. У 1979 році Абдус Салам, Шелдон Ґлешоу та Стівен Вайнберґ отримали Нобелівську премію із фізики за об’єднання електромагнітної й слабкої взаємодії в електрослабку взаємодію. Зараз багато фізиків намагаються об’єднати електрослабку й сильну взаємодію в межах так званої теорії великого об’єднання, або скорочено ТВО. Об’єднання на такому рівні стало б приголомшливим досягненням, нарівні з досягненням Максвелла. І якщо хтось десь колись зможе об’єднати гравітаційну взаємодію з ТВО і створити те, що більшість називає теорією всього, — це буде найсвятіший зі Святих Граалів у фізиці. Єдина теорія — це мрія, що захоплює багатьох.
Саме тому, коли під час курсу «Електрика й магнетизм» ми нарешті бачимо рівняння Максвелла в усій їхній красі й простоті, я відображаю їх по всій аудиторії за допомогою проектора і дарую квіти студентам, щоб відсвяткувати цей важливий етап. Якщо ви зможете витримати інтригу, то більше дізнаєтеся про це в розділі 15.
Розділ 9
Збереження енергії — нічого не змінюється
В одному зі своїх найпопулярніших експериментів, який я демонстрував студентам упродовж багатьох років, я ризикував життям, підставляючи голову під кулю-молот15 — щоправда, зменшену версію, але запевняю, що вона легко могла б мене вбити. Ці кулі можуть важити приблизно тонну, тоді як моя важить 15 кілограмів. Стоячи в одному кінці аудиторії, притуливши голову до стіни, я тримаю в руках кулю близько до підборіддя. Я маю бути надзвичайно обережним, щоб не надати ані найменшого поштовху, не доклавши навіть крихти зусилля. Будь-який поштовх може призвести до мого травмування — або, як я казав, навіть убити. Я прошу студентів не відволікати мене, не галасувати й навіть на деякий час затамувати подих. Інакше, кажу я, ця лекція може бути останньою в моєму житті.
Мушу визнати, що під час цього експерименту я щоразу відчуваю потужний приплив адреналіну, коли куля, повертаючись, летить на мене. Хоч я цілком упевнений, що фізика мене врятує, але завжди дуже нервуюся, коли стою на шляху кулі, що мчить за кілька міліметрів від мого підборіддя. Я мимоволі зціплюю зуби. І якщо чесно, я завжди заплющую очі. Ви можете спитати: що змушує мене раз у раз проводити такі досліди? Моя цілковита віра в одне з найважливіших понять у всій фізиці — закон збереження енергії.
Наш світ має таку дивовижну особливість, що один вид енергії може перетворюватися в інший, а потім ще і ще в інакший, і навіть повертатися до початкового стану. Енергія може трансформуватися, але ніколи нікуди не зникає й не з’являється нізвідки. Насправді таке перетворення відбувається постійно. Усі цивілізації, не тільки наша, а й найменш технологічно розвинені, залежать від цього процесу в найрізноманітніших виявах. Найочевидніший приклад — наше харчування. Хімічна енергія їжі, яка міститься насамперед у вуглеці, перетворюється на сполуку під назвою аденозинтрифосфат (АТФ), що запасає енергію, яку наші клітини можуть використовувати в різних процесах. Те саме ми спостерігаємо, коли розпалюємо багаття, перетворюючи хімічну енергію, що зберігається в дереві або деревному вугіллі (вуглець з’єднується із киснем), на тепло й вуглекислий газ.
