Электрические и магнитные силы

 

И все же, несмотря на свою очевидность и ту важную роль, которую гравитация играет для Вселенной и человеческой жизни, она является самой слабой из всех четырех сил. Это особенно заметно в сравнении с другой силой, с которой мы встречаемся на каждом шагу и которая тоже имеет чрезвычайно важное значение для нашего тела, – электромагнетизмом. Сфера ее действия не ограничивается только электрическим феном и магнитиками, которые мы крепим к холодильнику. Электромагнитные силы лежат в основе взаимодействия любых тел в мире.

Как только два тела вступают в непосредственный контакт (например, когда вы что‑то трогаете, толкаете или на что‑то садитесь), между ними возникает электромагнитная сила. Нажимая клавишу компьютера, вы, должно быть, полагаете, что ваш палец касается пластика. На самом деле электроны атомов, из которых состоит палец, отталкиваются от электронов атомов, из которых состоит клавиша. Между ними не происходит контакта. Нажатие клавиши осуществляется за счет электромагнитной силы отталкивания.

Точно так же электромагнитные силы проявляются и в парке развлечений, когда ваше тело вступает в контакт с сиденьями аттракционов, а колеса тележки, в которой вы катитесь по американским горкам, – с рельсами. Разумеется, гравитация тоже вносит свой вклад. Благодаря принципу эквивалентности вы знаете, почему ваше тело кажется тяжелее, когда вы, скатившись вниз, стремительно взмываете вверх или когда при повороте вас тянет в сторону. Но электромагнетизм присутствует в нашей жизни всегда, когда вы соприкасаетесь с другими предметами. Электромагнитные силы действуют повсюду.

 

Эксперимент, доказывающий слабость гравитации

 

Снимите с холодильника сувенирный магнит и отойдите с ним подальше от тяжелых металлических предметов. Держа магнит на уровне талии, выпустите его из рук. Как и ожидалось, он упадет на пол. А теперь проделайте то же самое, но рядом с холодильником. При падении магнит прилипнет к холодильнику. Несмотря на всю силу притяжения Земли с ее огромной массой, сравнительно небольшой металлический предмет воздействует на магнит гораздо сильнее.

Выполняя этот эксперимент, вы можете удивиться: зачем нужна его первая часть? Ведь и так ясно, что магнит упадет на пол. Но этим‑то наука и отличается от обычной жизни. Вы можете предполагать что угодно, но здравый смысл в науке зачастую подводит. Всегда лучше проверить свои предположения и на основе эксперимента сделать обоснованный вывод.

В данном эксперименте мы проверяли действие магнетизма, но можно было точно так же обратиться и к электричеству, например понаблюдать, как кусочек бумаги прилипает к расческе после того, как вы потерли ее о волосы и она приобрела электрический заряд. Электричество и магнетизм – два проявления одной и той же силы, которая намного сильнее гравитации. Если говорить точнее, в 1040 раз. Единственная причина того, что гравитация настолько важна, заключается в том, что атомы и молекулы в основном электрически нейтральны и не подвластны действию электромагнитных сил (при контакте двух предметов в игру вступают лишь электрические заряды компонентов атома), но подчиняются законам гравитации.

 

Течет» ли электричество?

 

В повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с одним из аспектов электромагнетизма – электричеством. Оно играет фундаментальную роль в функционировании организма человека. В частности, мозг и нервная система используют электрические импульсы как средство коммуникации и контроля действий тела. От них зависит и ритм сердца.

Болшинство уроков в школе, на которых нас знакомят с электричеством, состоит из манипуляций с батареями, лампочками и проводами, но, даже усвоив необходимые навыки, мало кто понимает, что же на самом деле представляет собой электричество. И в этом нет ничего удивительного. Электричество, как и многие другие изобретения, вошедшие в наш быт, работает на квантовом уровне, противоречащем здравому смыслу.

Электричество часто описывают, пользуясь аналогией с потоком воды, но это очень неудачное сравнение. Если бы оно текло по проводам, словно вода по трубам, нам приходилось бы чем‑то затыкать розетки, когда в них нет надобности, чтобы электричество не вытекало из них. Из‑за этой аналогии мы до сих пор пользуемся такими терминами, как ток (от слова «течь»), электронный вентиль и т. п.

Электрический ток возникает вследствие того, что проводники (обычно металлические) имеют свободные электроны, которые являются общими для нескольких атомов и «плавают» в межатомном пространстве. Предположим, мы подаем положительный заряд на правый конец металлического провода. Все свободные отрицательно заряженные электроны должны были бы устремиться к нему. Но тут возникает проблема. Если все электроны скопятся в правом конце, то в левом будет наблюдаться их дефицит. Отсутствие электронов будет означать, что левый конец приобретает положительный заряд и начинает, в свою очередь, притягивать к себе электроны. Только в том случае, если мы снабдим левый конец недостающими электронами, в проводнике возникнет направленный ток. Таким образом, в отличие от воды, электричество «течет» только при наличии замкнутой цепи.

К сожалению, люди, разрабатывавшие модель электрического тока, еще не знали об электронах. Они по собственному усмотрению определили, куда должно течь электричество, и в результате оказалось, что оно прямо противоположно истинному направлению, то есть не совпадает с движением электронов.

Еще одно несходство с водой заключается в том, что электроны, в соответствии с этой устаревшей моделью, должны двигаться вдоль проводника, чтобы создавать ток. Если бы это действительно было так, то, включив электрическое устройство, нам пришлось бы довольно долго ждать, пока оно заработает. В действительности же электрический свет включается мгновенно, стоит только щелкнуть выключателем. Если измерить скорость электронов в проводнике, то окажется, что они движутся даже медленнее пешехода (на самом‑то деле их скорость огромна, но они больше топчутся на месте и значительная часть их противоположно направленных движений взаимно компенсируется, однако в итоге они постепенно передвигаются по направлению к положительному полюсу).

Из заряженной батареи исходит не пучок электронов, а электромагнитное поле, управляющее электромагнитной энергией. Вот оно‑то и распространяется со скоростью света. Эта невидимая волна (поток фотонов) приводит в движение электроны, которые уже находятся в лампе накаливания, и свет тут же зажигается. Электронам необязательно проделывать для этого весь путь по проводам от батареи до лампочки.

Электромагнетизм участвует во всех видах взаимодействия между светом и материей. Его действие проявляется не только в случае соприкосновения двух тел или в ходе работы электрических устройств. Без электромагнетизма мы не могли бы ничего видеть, а энергия Солнца не смогла бы пересечь космическое пространство, чтобы обогреть Землю.

 

Внутри атомного ядра

 

Для полноты картины мы должны вкратце рассмотреть две оставшиеся силы, существующие наряду с гравитацией и электромагнетизмом. Они так же важны для нашей жизни, но не столь очевидны. Самой мощной из них является сила, носящая название «сильное взаимодействие». По своей мощи она превосходит даже электромагнетизм. Без нее все атомы тела человека разлетелись бы на составляющие компоненты.

Сильное взаимодействие внутри ядра атома удерживает вместе положительно заряженные протоны. Электромагнитная сила пытается оттолкнуть их друг от друга, а сильное взаимодействие противостоит этому, иначе все атомы мгновенно распались бы.

Если бы сильное взаимодействие зависело от квадрата расстояния между объектами так же, как гравитация или электромагнетизм, нам всем пришел бы конец. Все ядра атомов во Вселенной начали бы неудержимо стремиться друг к другу. Но, к счастью, его сила по мере удаления убывает намного быстрее. На расстоянии всего 10–15 м от протона или нейтрона она практически равна нулю. Именно поэтому в природе не встречаются сверхмассивные атомы. Ядро любого атома, превосходящее по размерам атом урана, неизбежно распадается.

Но это только половина истории. Обеспечение стабильности ядра атома представляет собой лишь своего рода побочный эффект сильного взаимодействия, так как его основная функция заключается в «склеивании» кварков. Протон и нейтрон состоят из трех кварков, а удерживает их вместе именно сильное взаимодействие. В отличие от всех других сил, сильное взаимодействие в пределах своих границ не ослабевает по мере удаления объектов друг от друга, а, наоборот, усиливается. Пока кварки находятся внутри ядра атома, они могут свободно двигаться, но, как только какой‑то из них пытается покинуть ядро, сильно взаимодействие тут же возвращает его на место. Поэтому разбить протон или нейтрон на составляющие практически невозможно.

 

Слабое взаимодействие

 

Четвертый вид силы – самый необычный из всех. Это так называемое слабое взаимодействие. Оно примерно в миллион раз слабее сильного взаимодействия и уступает даже электромагнетизму, но намного сильнее гравитации. Слабое взаимодействие действует еще на более коротких расстояниях, чем сильное, и в его зону действия могут попасть только частицы, составляющие крошечную долю диаметра протона.

Таким образом, в функции слабого взаимодействия входит не столько взаимное притяжение или отталкивание частиц, сколько управление свойствами кварков. С его помощью кварки меняют «аромат», и за счет этого происходит превращение частиц из одного вида в другой. Так протоны превращаются в нейтроны в ходе реакции термоядерного синтеза, протекающей внутри звезды, или в процессе ядерного распада (например, бета‑распада, выбивающего электроны высоких энергий из ядра). Хотя слабое взаимодействие никак не участвует в нашей прогулке по парку аттракционов, без него не светилось бы Солнце, а на Земле не было бы жизни. Да и самой Земли тоже не было бы, потому что без ядерных реакций в недрах звезд не появились бы тяжелые элементы.

Теперь, когда вы узнали, что представляют собой все четыре силы, не приходится удивляться, что после посещения американских горок голова идет кругом. А не чувствуете ли вы себя помолодевшим после этого аттракциона? Ведь благодаря поездке на такой скорости вы стали на крошечную долю секунды моложе, чем те, кто стоял вокруг.

 

Путешествие во времени

 

Давайте обратимся к самому экстремальному примеру. Предположим, вы записались добровольцем в полет на новейшем космическом корабле, который может лететь со скоростью, составляющей 99 процентов от скорости света. Это 297 тысяч километров в секунду. Продолжительность космического круиза составляет два года и девять месяцев. По возвращении домой вы испытаете настоящий шок. Дело в том, что, пока вы отсутствовали, на Земле прошло 20 лет. Все ваши друзья и родственники стали на двадцать лет старше, и все это прошло мимо вас. Фактически вы совершили путешествие в будущее более чем на 17 лет вперед.

И это путешествие во времени, и ваше едва заметное омоложение после катания на американских горках являются следствием одного из самых революционных достижений науки XX века – специальной теории относительности Эйнштейна. Эйнштейн сумел понять особое свойство света: он может двигаться в вакууме только с определенной скоростью – 300 тысяч километров в секунду.

Это объясняется особым характером взаимодействия между электричеством и магнетизмом. Приведите в движение источник электричества – и вы получите магнетизм. Приведите в движение магнит – и вы получите электричество. А если электрический импульс будет двигаться со скоростью света, то электрическое поле станет последовательно переходить в магнитное, затем опять в электрическое и так далее. Фотон света летит, непрерывно изменяя сам себя. Но этот процесс может происходить только при определенной скорости. Стоит ее снизить, и все прекращается.

У всех остальных вещей скорость может меняться в зависимости от того, с какой скоростью вы сами движетесь относительно их. Допустим, автомобиль едет со скоростью 60 километров в час, но если вы сидите в нем, то он неподвижен по отношению к вам, если не считать тряски на неровностях дороги. Зато окружающий пейзаж проносится мимо вас. Таким образом, любое движение относительно. Если сталкиваются два автомобиля и скорость каждого из них составляет 60 километров в час, то относительно друг друга в момент столкновения их скорость будет 120 километров в час. Но со светом все обстоит иначе. Независимо от того, движетесь вы к источнику света или от него, его скорость всегда будет одинаковой.

 

Относительность света

 

Когда Эйнштейн ввел постоянную и неизменную скорость света в законы движения, действовавшие со времен Ньютона, то должны были соответственно измениться и величины, считавшиеся до этого постоянными, – масса тела и время движения. Чем быстрее вы движетесь, тем больше замедляется время. При этом масса вашего тела растет, а размеры по линии движения уменьшаются. Таковы следствия специальной теории относительности.

Специальная теория относительности также устанавливает, что ничто в обычных условиях не может двигаться быстрее света. Время все больше замедляется и в конце концов полностью останавливается при достижении скорости света. Если бы можно было двигаться еще быстрее, то это было бы равносильно течению времени вспять. Однако, несмотря на эти ограничения, существуют способы преодолеть световой барьер.

Самый простой пример превышения скорости света (хотя его и нельзя использовать в качестве машины времени), можно наблюдать в любом ядерном реакторе с водяным охлаждением. Если бы у вас была возможность взглянуть на воду, окружающую сердцевину реактора, вы бы увидели в ней зловещее голубоватое свечение. Оно вызвано электронами, движущимися быстрее скорости света.

Как мы уже установили, в воде свет движется медленнее, чем в воздухе (а в воздухе медленнее, чем в вакууме). Максимальная скорость, за которой время начинает течь в обратном направлении, – это скорость света в вакууме. Но скорость света в воде, которая составляет примерно 225 тысяч километров в секунду, вполне можно превысить. Например, электроны, рождающиеся в ходе ядерной реакции (с участием слабого взаимодействия), превышают эту скорость.

Сталкиваясь с молекулами воды, они выбивают из них другие электроны, создавая так называемое черенковское излучение, проявляющееся в виде свечения. Иногда это явление сравнивают с ударной волной, создаваемой самолетом, который летит быстрее звука. Голубоватое свечение – это оптическая ударная волна, создаваемая электронами, которые летят быстрее света.