Едва ли курение можно назвать полезным занятием. Тем не менее вдумчивый исследователь может и из него извлечь пользу. Правда, для того чтобы рассказать об этом, придется начать несколько издалека.
Общеизвестно, что чем более разрежен воздух, тем меньшее сопротивление способен он оказывать движущимся в нем предметам. Так, например, самолет мог бы при той же мощности моторов развить в разреженном воздухе стратосферы скорости, во много раз большие того, что он дает возле поверхности земли. Если же от разреженного воздуха перейти к пустоте, то, очевидно, там сопротивление движению должно исчезнуть совсем. Действительно, мы наблюдаем в космическом пространстве движение множества звезд и планет, и нет никаких оснований предполагать, что они встречают какое-либо заметное сопротивление своему движению.
Поэтому можно было бы сделать вывод, что пустое пространство вообще неспособно передавать какие-либо усилия. Однако это не так. Возьмем хотя бы электромотор. Он состоит, как известно, из якоря (ротора) цилиндрической формы, входящего в пространство между электромагнитами. Сняв один из подшипников, можно легко вынуть якорь из мотора и убедиться, что никаких связей между ним и остальной машиной (кроме подшипников и иногда коллекторов) нет. Между тем стоит только приключить мотор к проводам, якорь начинает вращаться и может совершать значительную работу. К его оси прикладывается значительное усилие.
И вот невольно возникает мысль, откуда это усилие берется. Кажется, как будто существует какая-то невидимая система рычагов или зубчатых колес, которые заставляют вращаться якорь. Но мы знаем, что никаких таких механизмов здесь нет. Воздух, окружающий якорь и подшипники, конечно, не вызывает вращения, а даже несколько ему препятствует. Итак, приходится согласиться с тем, что сама «пустота» действует на якорь с огромной силой. Этой силе собственно даже нет предела, — все зависит от конструкции мотора и мощности питающего его тока.
*
Когда ученые в конце XVIII века стали подробнее знакомиться с электрическими и магнитными силами, то сначала преобладало мнение, что основной задачей является измерение самих сил. О механизме же их передачи через пространство, через «пустоту», говорить они не решались. Только в первой половине XIX века знаменитый английский исследователь Михаил Фарадей решился первый заполнить пустоту предполагаемым механизмом, передающим электрические силы. Сначала его взгляды считались грубым и наивным изображением явлений. Однако около полувека спустя английский ученый Максвелл разработал, исходя из взглядов Фарадея, стройную математическую картину электрических и магнитных взаимодействий. После этого идеи Фарадея нашли себе широкое признание.
Чтобы понять, как же именно вращается якорь электромотора, отбросим все усложняющие детали. Сущность же здесь очень проста. На якорь, параллельно его оси, уложены электропровода. Возьмем один такой провод. На станине мотора укреплены электромагниты. Возьмем один такой электромагнит. Поместим провод около одного из концов электромагнита и пустим по проводу электрический ток. Тотчас же возникнет сила, отбрасывающая провод в сторону. Эта сила направлена перпендикулярно проводнику и является как раз причиной движения электромотора.
 |
| Сняв один из подшипников, можно легко вынуть якорь из электромотора и убедиться, что никаких связей между ним и остальной машиной нет. |
Для объяснения механизма этого явления последуем за Фарадеем и даже пойдем несколько дальше, чем он. Благодаря этому наша картина станет еще наглядней.
Что такое электромагнит? Как известно, электромагнитом может быть любой кусок железа, обмотанный электропроводом. Можно даже обойтись одной обмоткой без железа, — только тогда электромагнитные силы будут меньше. По обмотке идет ток. Электрический же ток представляет собою в металле движение электронов, идущих от отрицательного полюса к положительному. Эти электроны будут кружиться в обмотке, образуя как бы электронный вихрь или водоворот.
 |
| Возьмем какой-либо проводник и поместим его около электромагнита. Пустим по проводу электрический ток. Тотчас возникнет сила, отбрасывающая провод в сторону. |
И вот можно предположить, что этот электронный вихрь вызывает какое-то движение в окружающем пространстве. Известно вообще много явлений, при которых движение электронов передается как-то окружающему пространству. О некоторых из них мы уже говорили в статье «Частицы и волны» (см. «Техника молодежи», № 5, 1934 г.). И здесь своеобразный смерч заполнит внутреннюю часть обмотки. Если внутри обмотки будет находиться какое-либо тело, то этот смерч будет увлекать за собой электроны, входящие в состав атомов этого тела. Между тем известно, что электроны в атомах также вращаются. Поэтому электромагнитный смерч будет стремиться повернуть все атомы так, чтобы все электроны вращались в ту же сторону, в какую вращаются электроны в обмотке.
Значительный поворот атомов окажется возможным далеко не во всяком веществе. Наибольшим он будет в железе. Поэтому сердечник электромагнита и делается обыкновенно железным. В этом случае вихрь, вызванный обмоткой, может быть усилен в несколько тысяч раз благодаря соединению с атомными вихрями, вращающимися в одну с ним сторону.
 |
| Любой кусок железа, обмотанный проводом, может быть электромагнитом. Когда по обмотке идет ток, образуется как бы электронный вихрь, вызывающий эфирный водоворот, выходящий из электромагнита. |
 |
| В проводнике, пересекающем магнитное поле, возникает электрический ток. |
Однако электроны, движущиеся в проводнике довольно свободно или другие тела, служащие изоляторами, выскочить в воздух почти не могут.
Поэтому электроны, отбрасываемые вихрем, будут прижиматься к одной стороне проводника и производить известное усилие отбрасывающее проводник в эту сторону. Именно эта самая сила приводит в движение электромотор. Пространство, заполненное вихрем, было названо Фарадеем «магнитным силовым полем».
 |
| Эфирный водоворот выходит далеко за пределы электромагнита. Если его путь пересекает проводник, по которому идет ток, т. е. движутся электрона, то он будет их отбрасывать в сторону своего движения. |
*
Теперь остановимся на другом, не менее важном свойстве силового поля, которое было открыто Фарадеем несколько более ста лет назад.
До Фарадея пользовались в качестве источников электрического тока различными гальваническими элементами, которые были очень неудобны и, главное, не могли дать тока большой мощности. Фарадей же открыл простой и удобный способ получения тока какой угодно мощности.
Представим себе уже рассмотренный вихрь, через который мы двигаем какой-либо внешней силой электропровод. При этом тока в проводе первоначально нет. Когда тока в металле нет, то там все же имеется огромное количество, так сказать, бродячих электронов. Они беспорядочно движутся, переходя от одного атома к другому, но не могут выйти наружу. Как только такой металл попадет в электромагнитный вихрь, сейчас же этот вихрь подхватит все бродячие электроны и повлечет их за собой. Все они бросятся в одну сторону, и, если им предоставить пути для дальнейшего движения, мы можем получить очень сильный электрический ток. Чем быстрее мы двигаем провод, тем больше получается электродвижущая сила. Такой принцип, отличающийся большой простотой, и лежит в основе всех динамо-машин.
Нечто подобное имеет место и в радиопередаче. Чтобы нагляднее представить себе в чем тут дело, мы обратимся за помощью к курильщику. Некоторые курильщики умеют так ловко выпускать изо рта струю дыма, что образуются вихревые кольца. Образование такого кольца оказывается возможным потому, что вдоль его оси движется быстро струя воздуха. Эта струя увлекает соседние слои воздуха и заставляет их вращаться.
 |
| Некоторые курильщики умеют так ловко выпускать изо рта струю дыма, что образуются вихревые кольца. |
Весьма сходная картина происходит и при работе радиостанции. Переменные токи, попадающие в ее антенну, порождают целую систему быстро разрастающихся и следующих друг за другом вихревых колец. Они вращаются во взаимно противоположные стороны. Если на их пути находится антенна приемника, то при пересечении ее вихревые кольца будут отбрасывать электроны антенны поочередно то в одну, то в другую сторону. Таким образом вихревые кольца будут вызывать в антенне переменный ток в точности той же частоты, как и у станции, посылающей сигнал. Расстояние, на котором следуют друг за другом вихревые кольца с одинаковым направлением вращения, называются обычно «длиною волны». Число же колец одинакового направления вращения, образующихся в единицу времени, называется «частотою».
 |
| Переменные токи, попадающие в антенну радиостанции, порождают целую систему быстро разрастающихся и следующих друг за другом вихревых колец. Если на их пути находится антенна приемника, то при пересечении ее вихревые кольца будут вызывать в антенне переменный ток в точности такой же частоты, как и у станции посылающей сигнал. |
*
Итак, получается простая и стройная картина электромагнитных явлений: в пространстве вокруг движущихся электронов могут возникать особые вихри.
Очень соблазнительно было бы пойти дальше и допустить, что эти вихри образованы каким-то веществом, заполняющим пространство и похожим на другие вещества. Действительно, долгое время ученые считали, что такое вещество существует. Они называли его «эфиром» и приписывали ему свойства газов, жидкостей или даже твердых тел. Однако в поисках сходства не следует увлекаться. Материя богата и разнообразна. И всякий, кто стремится пренебречь ее богатством и втиснуть ее в узкие рамки того, что ему уже известно и привычно, бывает рано или поздно жестоко наказан. Так произошло и в этом случае. Исследователи рассуждали так: если «эфир» существует, значит, он якобы должен обладать всеми свойствами тел, состоящих из атомов и молекул. Поэтому земля, двигаясь через пространство, должна прорезать этот «эфир» и встречать «эфирный ветер» точно так же, как получается ветер при быстрой езде на автомобиле хотя бы и в безветренную погоду. Так как кроме того земля вращается около своей оси, то направление и сила «эфирного ветра» должна в течение суток меняться.
Утверждение это можно проверить особыми опытами. Известно, что свет распространяется через пустоту, и есть все основания предполагать, что свет является одной из форм движения «эфира». Поэтому не подлежит сомнению, что скорость света, идущего вдоль «эфирного ветра», должна быть больше, чем если свет идет против этого ветра.
В конце XIX века Майкельсон и Морлей произвели ряд опытов для проверки этого предположения. Аппараты их были весьма точны, и поэтому с большим интересом ожидались результаты измерения скорости «эфирного ветра». Сомнений в принципиальной правильности опытов не было никаких.
И вот произошел скандал. Оказалось, что никакого «эфирного ветра» нет. Выходило так, что земля якобы находится в «абсолютном покое», а все движется вокруг нее. При этом чем дальше от земли находится небесное тело, тем скорее оно должно двигаться. Получалась какая-то средневековая картина мира, совершенно не совместимая с основными законами механики. Многие исследователи повторили знаменитый опыт. И все получили один и тот же результат.
Итак, приходилось признать, что «эфирного ветра» нет и поэтому измерять направление и скорость «абсолютного движения» земли или чего-либо иного в пространстве нельзя.
Первый, кто решился формулировать достаточно определенно эту мысль и сделать из нее теоретические выводы, был немецкий ученый Эйнштейн. Именно невозможность измерения движения относительно «эфира» и легла в основу его знаменитой теории относительности. Однако математические трудности заслонили для многих простой и четкий материалистический фундамент этой теории. Постараемся восстановить его.
*
Мы видим, что в пространстве могут возникать различные формы движения. Однако все они всегда связаны с перемещением электронов или иных составных частиц вещества. «Эфир» независимо от этих частиц не двигается. Это значит, что движение эфира и необходимая для этого структура его вызываются только какой-либо частицей. Сам же «эфир» не обладает структурой. Он представляет сам по себе особую форму сплошной однородной материи, которая и определяет реальное существование и физические свойства пространства.
Но относительно этой cплошной среды не может быть никакого движения. Для того чтобы заметить движение, нужно ведь измерять расстояние до каких-либо предметов, считаемых неподвижными, а в «пустом» пространстве, в «эфире», зацепиться не за что. Поэтому и «эфирного ветра» самого по себе, без наличия электронов или других частиц, быть не может.
Всякий обычный ветер есть результат движения молекул воздуха. Давление ветра на любой предмет происходит от непрерывной бомбардировки этих быстро мчащихся молекул. В «эфире» же, лишенном частиц вещества, нет структуры, и поэтому ему нечем ударять и производить давление. Именно вследствие этого эфир нельзя считать привычным нам «веществом».
Однако вместе с тем эфир вполне материален. Это особая, нам еще мало знакомая форма материи. Конечно, ее сравнение с обычным веществом, разные наглядные схемы и рисунки, вроде помещенных здесь, могут быть правильными лишь до известной степени. Это происходит оттого, что всякий рисунок заставляет нас предполагать, что мы имеем дело с предметом из обыкновенного вещества. Между тем тот же рисунок, относимый к эфиру, может легко перестать быть правильным при расширении исследуемого вопроса. Например, оказывается, что при решении ряда задач следует считать, что из электромагнита выходит не один целый вихрь, а множество отдельных вихревых трубок, которые обычно называются «силовыми трубками», или силовыми линиями.
Тем не менее механическая сторона явлений в эфире, открытая Фарадеем, всегда будет являться первой ступенью при изучении электромагнетизма. Эйнштейн указал предел этому механическому пониманию — предел, обусловленный отсутствием самостоятельной структуры у эфира. Все это, вместе взятое, дает нам возможность ощутить с особенной ясностью многообразие, стройность и, — если вдуматься, — потрясающую простоту строения мира.
Комментариев нет:
Отправить комментарий