Свет оказался волной электричества. Из этого выросли радио и Wi-Fi

Мы привыкли думать, что свет, магнит на холодильнике и ток в розетке не имеют друг к другу никакого отношения. В XIX веке два британских физика выяснили, что это одно и то же явление. Один из них почти не знал математики, другой выразил его догадки формулами. В расчётах второго в какой-то момент появилось число, ради которого стоит дочитать эту историю.

Электричество и магнетизм долго считали чужими

В начале XIX века о природе света спорили всерьёз. Ньютон считал его потоком частиц. Томас Юнг и Огюстен Френель опытами показали, что свет ведёт себя как волна. Оставалось неясным, что именно колеблется в этой волне. Электричество изучали отдельно от света, магнетизм тоже отдельно, и между этими тремя областями никто не видел связи.

В 1820 году в Копенгагене Ханс Кристиан Эрстед на лекции заметил, что стрелка компаса дёргается, когда рядом по проводу идёт ток. Выходило, что электричество умеет порождать магнетизм. Тогда возник естественный вопрос: может ли магнит порождать ток?

Переплётчик без формул увидел невидимые линии

Ответ нашёл Майкл Фарадей, сын кузнеца. В юности он учился переплётному делу, а в науку попал после публичных лекций Хэмфри Дэви в лондонском Королевском институте. В 1831 году Фарадей намотал две катушки на железное кольцо. В момент, когда он включал или выключал ток в первой катушке, ток появлялся во второй. Так была открыта электромагнитная индукция: меняющийся магнетизм рождает электричество.

Уравнений Фарадей почти не писал. Пространство вокруг магнита он представлял пронизанным «силовыми линиями», которые можно натягивать и сгибать. Современники считали эти линии удобной картинкой и не более. В 1845 году Фарадей показал, что магнитное поле поворачивает плоскость поляризации света, проходящего через стекло. Это была первая прямая связь между светом и магнетизмом. Объяснить её он не мог.

Скорость из лабораторных приборов совпала со скоростью света

Джеймс Клерк Максвелл родился в Эдинбурге в 1831 году, в тот самый год, когда Фарадей открыл индукцию. Он решил записать силовые линии Фарадея на языке математики. В его уравнениях меняющееся электрическое поле рождало магнитное, а меняющееся магнитное рождало электрическое. Такие поля могли поддерживать друг друга и отрываться от проводов.

Это похоже на двух детей, которые прыгают друг через друга по очереди: каждый толкает второго вперёд, и пара движется дальше, хотя никто её не тянет. Максвелл вычислил скорость такой волны. Для этого ему хватило констант, измеренных с катушками и конденсаторами. Получилось около 310 тысяч километров в секунду. Ипполит Физо ещё в 1849 году измерил скорость света и получил близкое число.

В 1865 году Максвелл опубликовал вывод: свет — это электромагнитная волна. В этом выводе сошлись оптика, электричество и магнетизм. При этом уравнения допускали волны любой длины, а не только видимые глазу. Если такие волны существуют, их можно попробовать создать в лаборатории.

Невидимые волны поймали через двадцать лет

Максвелл умер в 1879 году, ему было 48 лет, и подтверждения своей теории он не увидел. Его теория была записана примерно двадцатью громоздкими уравнениями. В 1880-х Оливер Хевисайд переписал её в векторной форме, и получились те четыре уравнения, которые сегодня проходят в университетах. Около 1887 года в Карлсруэ Генрих Герц получил искровым разрядником волны длиной в метры. Они отражались и преломлялись так же, как свет.

Дальше события пошли быстро. В 1895 году Александр Попов в Петербурге показал приём радиосигнала, а в 1901 году Гульельмо Маркони передал сигнал через Атлантику. Потом появились телевидение, радары и мобильная связь. Wi-Fi работает на волнах длиной около 12 сантиметров, видимый свет — на волнах в сотни нанометров, но уравнения для них одни и те же. Индукция Фарадея тем временем крутит генераторы, которые вырабатывают почти всё электричество планеты, в том числе для дата-центров, где обучают нейросети.

Индукция работает и в динамическом микрофоне: катушка движется в поле магнита и превращает голос в ток, а дальше запись можно отдать на расшифровку аудио в текст. Магнитно-резонансный томограф использует сильное магнитное поле и радиоимпульсы. Беспроводная зарядка телефона устроена почти так же, как кольцо Фарадея.

Читайте также: Углекислый газ греет планету: это посчитали в 1896 году и забыли

Где теория остановилась

Максвелл и его современники считали, что волны бегут в невидимой среде, «эфире». Опыт Майкельсона и Морли в 1887 году эфира не обнаружил. Позже выяснилось, что свет приходит ещё и порциями, фотонами. Для фотонов понадобилась квантовая физика, уравнения Максвелла её не заменяют. Из противоречия между этими уравнениями и механикой Ньютона в 1905 году выросла теория относительности Эйнштейна.

Мысль Фарадея о невидимых линиях вокруг магнита кажется скромной. Но сегодня вы читаете этот текст благодаря тому, что электричество и магнетизм подталкивают друг друга со скоростью света, как и предсказал Максвелл. Его вывод подтверждается каждый раз, когда роутер передаёт сигнал на телефон. Другие истории о таких идеях собраны в разделе статей.

Ещё в «Высоких технологиях»

Беспорядок может только расти. Поэтому время не умеет идти назадГоры растут со скоростью ногтя. Так люди открыли глубокое времяБолото дубит кожу, как кожевник, но забирает у тела скелет

Все материалы раздела →