Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
В опыте Фарадея это магнитное поле образует первая катушка при присоединении к ней батареи. Оно воздействует на вторую катушку, порождая в ней электрическое поле. Так как эта катушка замкнута гальванометром, то через нее и через гальванометр проходит кратковременная порция — импульс — электрического тока.
Уравнения описывают это так: когда ток в первой катушке достигает своего наибольшего значения, определяемого законом Ома, его величина перестает изменяться. Остается неизменным и порожденное им магнитное поле. Поэтому ток во второй катушке исчезает.
Уравнения содержат в себе важнейший вывод. Они говорят — изменение магнитного поля порождает электрическое поле. Замкнутый проводник (вторая катушка, соединенная с гальванометром) нужен для того, чтобы выявить возникающее электрическое поле. И не только выявить, но и определить его величину путем измерения силы порожденного им электрического тока.
Так уравнения описывают главное содержание опыта Фарадея — закон электромагнитной индукции. В них не осталось наглядных силовых линий, но они делают излишними словесные объяснения.
Вторая группа математических уравнений описывает как изменение электрического поля порождает в окружающем пространстве магнитное поле.
Таким путем Максвелл сделал первый шаг в переводе результатов Фарадея с языка силовых линий на язык математических уравнений.
За этим шагом последовали дальнейшие.
ИНТЕРМЕДИЯ
Максвелл продолжал думать и работать в направлении, указанном Фарадеем. Но в это время Кембриджский университет объявил конкурс на тему об устойчивости колец Сатурна. Интерес к астрономии возник у Максвелла в детстве под влиянием отца. Но это был пассивный интерес. Он знал, что еще Галилей заметил два выступа по бокам планеты Сатурн. В 1610 году Галилею показалось, что планета состоит из трех частей, но два года спустя он не мог обнаружить двух из них. Сатурн выглядел как остальные планеты.
Знал Максвелл и о том, что Гюйгенс, изготовивший более совершенный телескоп, продвинулся дальше. Что с 1655 года он изучал Сатурн при помощи нового телескопа, а в следующем году написал статью об открытии спутника Сатурна. В этой статье содержалась также анаграмма — зашифрованное сообщение.
Так ученые ограждали в то время приоритет своего открытия, оставляя за собой возможность тщательной проверки. Если открытие не подтверждалось — анаграмма оставалась не расшифрованной.
Например, Галилей возвестил именно таким образом об открытии фаз Венеры. После расшифровки анаграмма читалась так: «Мать любви (т. е. Венера) подражает формам (т. е. фазам) Цинтии (т. е. Луны)». Анаграмма Галилея о наблюдении Сатурна расшифрована так: «Крайнюю планету я наблюдал тройною».
Гук, известный своими спорами о приоритете, зашифровал открытый им закон упругости такой оригинальной анаграммой: «ceiiinosssttuu». Вряд ли ее можно расшифровать не зная, что в ней в алфавитном порядке содержатся буквы, образующие латинскую фразу «uttensio sic uis», означающую «сила пропорциональна удлинению».
Гюйгенс расшифровал свою анаграмму только после трех лет тщательных наблюдений и сопоставлений с зарисовками других астрономов. В статье «Система Сатурна» он дает расшифровку анаграммы: «Сатурн окружен тонким плоским кольцом, нигде не соприкасающимся с планетой и наклоненным к эклиптике».
Кроме того, он объясняет почему вид кольца изменяется со временем. Кольцо очень тонкое. Оно перестает быть видимым через промежутки в пятнадцать лет, когда его плоскость проходит через наблюдателя (через Землю) и через Солнце. Спустя семь лет после каждого исчезновения кольца Земля, Солнце и Сатурн располагаются так, что кольцо кажется наиболее широким.
В 1675 году итальянец Д. Кассини заметил на кольце Сатурна темную линию. Впоследствии было установлено, что кольца Сатурна состоят, в действительности, из многих отдельных колец, разделенных промежутками.
Естественно, это уникальное явление привлекало внимание многих ученых.
Прошло около столетия до того, как развитие математики позволило поставить вопрос о строении колец Сатурна. Первым, сообщившим надежные сведения об этом, был знаменитый математик П. Лаплас. Он показал, что кольца не могут быть сплошными твердыми образованиями. Такие кольца были бы разрушены силами тяготения. (Развитие космической техники позволило в наши дни обнаружить аналогичные кольца и вокруг других больших планет.)
Максвелл, работая над конкурсной задачей, доказал, что кольца Сатурна не могут быть ни твердыми, ни жидкими сплошными системами, а состоят из множества небольших и очень маленьких твердых телец, самостоятельно обращающихся вокруг планеты.
Для решения задачи Максвеллу пришлось разработать новый математический метод исследования устойчивости движения сложных механических систем. Этот метод получил широкое применение далеко за пределами астрономии — при изучении устойчивости систем автоматического управления.
Исследование колец Сатурна принесло Максвеллу престижную премию и сделало его одним из известнейших ученых в области математической физики. Оно на время отвлекло Максвелла от идей Фарадея. Открывшееся его умственному взору зрелище множества мелких частиц, упорядоченно движущихся в космическом пространстве, естественно, направило его мысли на решение новых задач. Они были связаны с механической теорией теплоты, с новой кинетической теорией газов, с применением динамических законов движения к системам из множества частиц. Все это служило общей цели — определению законов поведения газов.
Максвеллу и в этой области удалось сказать свое, веское слово.
Основателем механической теории теплоты был немецкий ученый Клаузиус. Он обратил внимание на то, что постоянство отношения затраченной работы к полученной теплоте сохраняется лишь в циклических процессах. Если процесс протекает не циклически, то это отношение не соблюдается. Например, при испарении кипящей воды затрачивается значительно большее количество тепла, чем то, что затем уходит на расширение пара.
Куда исчезает остальная энергия?
Клаузиус догадался, что эта энергия скрывается в самом процессе испарения воды, переходя при кипении воды во внутреннюю энергию пара. Это скрытая теплота испарения. Ее учет позволил объяснить сохранение энергии в нециклических процессах. При конденсации пара она вновь выделяется.
Так Клаузиус придал конкретный смысл и облек в математическую форму постулат Карно, гласивший, что теплота не может без затраты энергии переходить от холодного тела к нагретому.
Дальнейшее развитие представляло собой, в существенной мере, математическую трактовку идеи, выдвинутой еще в 1738 году Д. Бернулли. Он считал, что теплота есть внешнее проявление движения молекул. Эту гипотезу поддерживали Лавуазье и Лаплас, Джоуль и Авогадро.
Все они, для упрощения математического анализа, полагали, что частицы, образующие газ, движутся прямолинейно и равномерно с одинаковыми скоростями.
Затем слово взял Максвелл. Он указал на то, что это предположение не соответствует действительности и является причиной расхождения расчетов с опытами.
Нужно принимать во внимание столкновение молекул, считал он. Столкновение придают им различные скорости. Вычислить скорость определенной молекулы газа невозможно из-за огромности их числа. Но применив теорию вероятностей можно вычислить как распределяется количество молекул по
