Казка про Джеймса Максвелла і його ручний демон

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 60

Інші наукові казки Нік. Горькавого див. у «Науці і житті» № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, № 11, 2011, № 6, 2012, № 7, 2012, № 8, 2012, № 9, 2012, № 10, 2012, № 12, 2012, № 1, 2013, № 1, 2014, 2014, № 1, 2014, № 2 № 2014, № 2014, №

— Ніккі, розкажи про електрику, — попросила Галатея. — А то Андрій мені погано пояснив, що таке струм.

— Я добре пояснив, це ти погано зрозуміла, — заперечив старший брат.

— Електричний струм — не проста штука, — посміхнулася королева Ніккі, яка приїхала в гості до принцеси Дзінтари і за традицією розповідала нову історію її дітям. тому що з’явилися тоді незліченні електричні пристрої зіграли в розвитку людства більш значну роль, чим навіть комп’ютери, космічні ракети і атомна енергія, яких без електрики, втім, не було б.

У двадцятому столітті електрика перетворилася з дивина на рушійну силу цивілізації. Найважливішу роль у досягненні цієї мети зіграла одна людина, про яку я зараз вам розповім.

Природні електричні явища були добре відомі навіть первісним людям. Наприклад, блискавка і грім: блискавка — це світловий спалах через розряд атмосферної електрики, а грім — його акустичний супровід.

А які природні явища пов’язані з електрикою?

— Ну, наприклад, полярні сяйва. Вони генеруються потоками електронів і протонів, що летять від Сонця і потрапляють у пастку магнітосфери Землі. Світіння народжується в повітрі, коли хмари заряджених сонячних частинок, накопичених у радіаційних поясах Землі, переповнюють їх і врізаються в атмосферу Землі.

Полярне сяйво виникає в північних широтах, коли космічні струми взаємодіють із земною атмосферою. Фото Любові Трифонової (м. Североморськ)

А ви самі можете згадати якийсь природний електричний феномен?

Діти задумалися.

— Його стрілка завжди «дивиться» на північний магнітний полюс.

— Магнітні властивості металевої стрілки пов’язані з рухом електронів в її атомах, а магнітне поле нашої планети викликано електричними струмами в потоках розплавленого металу в центрі Землі. І коли маленька стрілка в прозорій коробочці повертається на північ, її рух з’єднує в собі ефекти мікроміру і планетарні процеси.

Андрій переможно подивився на Галатею:

— Ось який прекрасний приклад я знайшов!

Та почервоніла і сердито випалила:

А мене часто «жалять» електричні розряди, коли я одягаю вовняний светр або беруся за металеву ручку.

Ніккі похвалила Галатею. Електричність викликає, наприклад, тертя бурштину об вовну, через що до бурштину притягуються дрібні папірці. На основі цього явища в дев’ятнадцятому столітті створили електрофорні машини, які накопичували заряд в особливих банках-конденсаторах і на великих металевих кулях. Ці машини використовували для дослідження електричних явищ і як джерела постійного струму.

— Я бачила блискавки між такими кулями! — вигукнула Галатея з сяючими очима. Ніккі схвально кивнула.

— До початку дев’ятнадцятого століття вивченням явищ електрики і магнетизму займалися багато вчених. Одні досліджували статичні заряди на кулях, інші — електричні струми в дротах і те, як вони взаємодіють з намагниченою стрілкою компаса. А як пов’язані численні електромагнітні явища один з одним, довгий час залишалося загадкою.

Електричні розряди, або блискавки, в хмарах вулканічного попелу. Виверження вулкана Рінджані на острові Ломбок в Індонезії 1995 року. Фото: Олівер Спальт

Але повернемося до нашого героя. У 1831 році в Шотландії, в родині власника великого прізвища під Единбургом Джона Клерка Максвелла, народився син Джеймс. Хлопчик ріс допитливим в оточенні книг і дивовижних механічних іграшок. До десяти років він отримував домашню освіту під керівництвом спеціально найнятого вчителя. У 1841 році батько відправив Джеймса в школу, яка називалася «Единбурзька академія». Пізніше, з 1847 по 1850 рік, талановитий юнак навчався в Единбурзькому університеті, а потім перейшов у Кембриджський, який закінчив у 1854 році.

Единбурзька академія — перший навчальний заклад, в якому здобував освіту Джеймс Максвелл. Фото: Original uploder Was Macunba / Wikimedia Commons

Про те, в якому напруженому режимі він навчався, свідчить наступний факт. Коли Максвелл отримав повідомлення про обов’язкове відвідування ранкового богослужіння в університеті, він сказав: «Я в цей час тільки лягаю спати».

Максвелл проявив себе справжнім генієм у науці: він займався астрономією і стійкістю кілець Сатурна, створенням основ кольорової фотографії і теорією руху молекул в газах, — всі фізики світу знають «розподіл Максвелла», якому підпорядковується, наприклад, розподіл молекул газу по швидкостях.

А я чув про «демона Максвелла»! — випалив Андрій.

— Так, це уявна розумна істота мікроскопічного розміру придумав Максвелл для одного зі своїх мислених експериментів. Візьмемо посудину з газом, — міркував він. — Розділимо її навпіл стінкою, в якій буде лише одна крихітна дверцята. Поставимо біля цих дверцят швейцара-демона. Нехай він блискавично відкриває дверцята перед швидкими молекулами, які прилітають тільки з лівої частини судини в праву, і перед повільними молекулами, які рухаються тільки з правої частини в ліву, і захлопує її перед «носом» інших частинок. Поступово, завдяки невтомній роботі демона, у правій частині накопичиться гарячий газ зі швидкими молекулами, а в лівій — холодний газ з повільними молекулами. Якщо зробити дверцята дуже легкими, то працювати демону буде не так вже й важко, зате скільки користі він може принести! Правда, при цьому порушуються важливі закони фізики, що робить роботу демона парадоксальною.

Демон Максвелла сортує молекули за їхньою швидкістю (малюнок ліворуч), і в результаті в судині ліва камера стає холодною, а права — гарячою (малюнок праворуч). Ріс. Htkym /Wikimedia Commons/CC-BY-SA

— Змусивши працювати демона Максвелла, можна зробити холодильник, якому не потрібна електрика! — засміялася Галатея.

— І чайник! — підтримав її Андрій.

— Вчені чимало сил витратили на осмислення хитромудрого демона Максвелла, поки не зрозуміли, що жоден демон задарма працювати не буде — він все одно вимагатиме плату.

Але повернемося до електрики. Максвелл захопився математичним завданням опису електромагнітних явищ, але ніяк не міг зв’язати заряди і струми в дротах. Він взагалі любив створювати математичні теорії, що описують природні явища. Максвелл говорив: «Якщо ви опинитеся десь не праві, природа сама відразу ж скаже вам про це». Він витратив багато зусиль на створення рівнянь, які описували б усі відомі магнітні та електричні явища. Зрештою йому це вдалося!

— Недовірливо запитала Галатея.

— Все-все, причому не тільки відомі, але і ще невідкриті явища! Праці Максвелла, Герца та інших фізиків довели, що електрика присутня в природі повсюдно і бере участь у різних явищах: воно накопичується в атмосферних хмарах і розряджається блискавками під час грози, тече в підземній розплавленій магмі, змушуючи стрілки компаса дивитися на північ, і виникає в киплячій зоряній матерії. Хмари попелу електризуються не гірше дощових хмар, тому виверження вулканів теж супроводжуються потужними блискавками. Одним словом, електрика — це дивовижний природний феномен, який людина зуміла приручити і перетворити на найпоширенішу технологію сучасної цивілізації.

— Так що ж таке електричний струм? — запитала Галатея.

— Це одночасно і дуже просте, і дуже складне питання. У деяких підручниках написано, що електричний струм — це спрямований рух електронів по проводах. Багато хто так і думає. Але якщо клацнути вимикачем на стіні, то електрони з цього вимикача дійдуть до люстри (припустимо, що ми використовуємо постійний, тобто не змінює свого напрямку, струм) годин за десять.

Портрет великого Джеймса Максвелла і сторінка з його трактату з електродинаміки. Фото з двотомного твору Максвелла. Видавництво «Наука», 1989 рік

— Опішила Галатея.

-Вірно! Але факт залишається фактом, — електрони рухаються зі швидкістю приблизно міліметр на секунду. А якщо врахувати, що в звичайній побутовій мережі електричний струм змінний (зі зміною напрямку п’ятдесят разів на секунду), то електрони з вимикача взагалі нікуди не подінуться, — вони будуть переміщатися туди-сюди на мізерно малій (з нашої точки зору) ділянці дроту.

— Але як лампочка дізнається, що їй пора запалюватися? — дивувалася Галатея.

— Щоб краще зрозуміти, що таке електричний струм, давайте проведемо уявний експеримент: розставимо десять солдатів на десятикілометровому відрізку дороги на відстані кілометра один від одного. Всі вони дивляться в одну сторону, як і годиться в строю, і уважно прислухаються один до одного. Ось останній у строю солдат кричить «Марш!» і починає рухатися вперед. Наступний солдат, вловивши його ледве чутну команду, яка долетіла ззаду, негайно голосно повторює її: «Марш!» — і теж починає крокувати вперед, і так до тих пір, поки перший в строю солдат не почне марширувати, почувши команду попереднього. Звук проходить кілометрову дистанцію за три секунди, значить, команда «Марш!» промчить відстань в десять кілометрів за півхвилини. За ці півхвилини перший солдат прошагає всього метрів сорок. Якщо прирівняти повільних солдатів до електрон, а швидку команду, яку вони передають один одному, — до електромагнітного поля, то ми зрозуміємо, чому електрони, рухаючись повільно, переміщаються по всьому проводу одночасно. І лампочка, не чекаючи повільних електронів з розетки, загоряється відразу — вірніше, електрони, отримавши команду електромагнітного поля, яке поширюється по дроту зі швидкістю триста тисяч кілометрів на секунду, починають рухатися по всьому металевому дроту і по спіралі, званій тілом напруження, практично одночасно.

— Отже, швидкість електромагнітного поля дорівнює швидкості світла у вакуумі? — запитав Андрій.

— Головна заслуга Максвелла полягає не тільки в тому, що він привів до ладу відомі закони електродинаміки. Записуючи свою систему рівнянь, Максвелл зауважив, що їй не вистачає краси. І він додав в одне з рівнянь солодке, що призводило до симетрії між електричним і магнітним полями! Жоден з виконаних до того часу експериментів не змушував його до такого кроку. Але математично красива теорія має більше шансів виявитися правильною. Краса і симетрія поступово стали дороговказами фізиків-теоретиків, що вказують дорогу в світ незвіданого.

Після такого доповнення Максвеллу відкрилося диво: виявилося, що для існування електричних і магнітних полів зовсім не обов’язкова наявність зарядів і струмів! Електричні та магнітні поля, не прив’язані до зарядів і струмів, можуть переміщатися в порожньому просторі, навіть у найчистішому вакуумі. Такі поля мають вигляд біжучих хвиль, де електричне і магнітне поля не існують одне без іншого, — вони тісно сплітаються, перетікають одне в інше в просторі. Рівняння Максвелла доводили, що швидкість поширення таких хвиль дорівнює швидкості світла у вакуумі. Зрозумівши це, вчений зважився на дивовижне твердження: Максвелл заявив, що ці електромагнітні хвилі і є світло, яке народжується Сонцем і свічкою, блискавкою і світляком.

Пам’ятник Джеймсу Максвеллу в Единбурзі. Скульптор А. Стоддарт. Фото: Kim Traynor/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0

Видихнула схвильована Галатея.

Але ж це лише припущення Максвелла, — Андрій був налаштований скептично. — Звідки ми знаємо, що Максвелл правий і що його рівняння вірно описують сонячне світло?

Питання по суті! — похвалила Андрія Ніккі. — Хороша теорія повинна не тільки описувати вже відомі явища, але і передбачати нові, причому передбачення має бути досить конкретним, щоб дати посил експериментаторам: шукайте! І якщо результат експерименту узгоджується з передбаченням теорії, значить, теоретик правий.

Галатея вкоризнено глянула на Андрія. Вона не сумнівалася, що передбачення такого розумного фізика, як Максвелл, що наказує навіть демонами, витримає найсуворішу експериментальну перевірку. А Ніккі між тим продовжувала:

— Для підтвердження геніальної здогадки Максвелла залишилося зробити всього один крок: породити електромагнітні хвилі експериментально, керуючи зарядами і струмами за допомогою проводів, магнітів і батарейок. Це завдання вирішив інший геніальний фізик — Генріх Герц. Він зумів створити і зареєструвати електромагнітні хвилі нижчої частоти, ніж світлові. Тепер ми називаємо їх радіохвилями, а частоту різних коливань стали вимірювати в «герцах»: Герц (Гц) — кількість коливань на секунду. Наприклад, у герцах вимірюється частота змінного струму в звичайній побутовій електромережі, — він змінює свій напрямок з частотою 50 Гц.

Ніккі подивилася на уважно слухаючу дівчинку:

— Повернемося до твого питання про природу електричного струму, Галатея. Хоча електромагнітне поле мчить уздовж дроту дуже швидко, а електрони повзуть по металевому проводу зі швидкістю равлика, вони тісно пов’язані. Електричний струм, що поширюється по проводах, — це прояв спільного руху повільних електронів і швидкого електромагнітного поля. Така найпростіша відповідь. Але якщо копнути поглиблче — а це дуже захоплююче заняття в будь-якій діяльності, — то виявиться, що навіть електричний струм у звичайній побутовій мережі являє собою дуже складне атомне явище.

Задамося питанням: як працює електричний струм у наших будинках? Залишимо осторонь складні пристрої, розглянемо звичайну спіраль конфорки електричної плити або спіраль праски, яка розігрівається, коли по ній проходить електричний струм. Що при цьому відбувається між електронами і металевою спіраллю? Чому вона стає такою гарячою?

Щоб відповісти на це питання, давайте пофантазуємо. Ви ніколи не грали у футбол в густому лісі, де ростуть щоглові сосни? Спробуйте сильними ударами по м’ячу відфутболити його на відстань в сотню метрів. Це завдання, просте для звичайного футбольного поля, в густому лісі перетворюється на важку справу. При кожному ударі м’яч потрапляє в дерево і відскакує від нього назад або в сторону. Ваші ноги дають йому потрібний напрямок, а дерева збивають його зі шляху. Коли ви нарешті досягнете виконання завдання, витріть піт з лоба і задумайтеся. М’яч грав роль електрона, ви — електромагнітного поля, що прискорює його в потрібному напрямку, а стовбури сосен зображували атоми металу, які розсіюють електрони, заважаючи їм рухатися. Енергія, яку ви, вірніше, електромагнітне поле витратило на проштовхування електронів крізь «зарості» атомів, йде на нагрівання дроту.

Значить, коли від потрапляння м’яча сосни починають похитуватися — це і є аналог тепла, що виділяється на атомах? — запитав Андрій, посміхаючись.

-Вірно. Закон німецького фізика Георга Ома пов’язує опір матеріалу, напругу і силу електричного струму. Він сформульований на основі численних дослідів, але без розуміння внутрішніх процесів. Описати точно електричний опір можна тільки в рамках квантової механіки, якої не було за часів Ома. Насправді ми смажимо яєчню і гладимо штани на квантовому теплі, яке з’являється в результаті складних взаємодій електронів, атомів і електромагнітного поля.

Кожен організм живий, поки отримує енергію ззовні. У цьому наші будинки схожі на живі організми, — їм для функціонування теж потрібна енергія, і вони отримують її по проводах, вірніше, по металевому дроту. Нею рухається електричний струм, який запалює лампочки, змушує працювати холодильник, телевізор, телефон, пилосос, електроплиту і безліч інших приладів, що живляться електрикою.

Радіо, телебачення, комп’ютери, мобільні телефони — все це виникло завдяки Максвеллу і його рівнянням, яким підпорядковуються електромагнітні поля зірок і полярних сяйв, електричних розеток і комп’ютерних процесорів.

Джеймс Максвелл (1831-1879) — великий британський фізик, шотландець за походженням. Заклав основи класичної електродинаміки.

Генріх Герц (1857-1894) — видатний німецький фізик. Спираючись на передбачення теорії Максвелла, зумів згенерувати електромагнітні хвилі електротехнічними методами. Цим він не тільки підтвердив справедливість рівнянь Максвелла, але і заклав основи радіозв’язку.

Георг Ом (1789-1854) — знаменитий німецький фізик. Відкрив закон, що пов’язує напругу і силу струму з електричним опором провідника.