1. Какие силы называются электромагнитными?

Дети и ученые

Лежащая на столе книга, конечно, не провалится сквозь стол, несмотря на притяжение к Земле. Всем известно, что книга не соскользнет, если даже стол немного наклонить. Никого обычно не удивляет способность ног резко увеличивать нашу скорость, если из-под ворот выскакивает злая собака. Наконец, мало кто размышляет о причинах, по которым книга, стол, камень и другие твердые тела сохраняют свою форму.

Подобные факты мы встречаем на каждом шагу и привыкли к ним с детства. Они становятся настолько очевидными, что мы совершенно не ощущаем потребности в их объяснении. В большинстве случаев, чтобы уверенно ориентироваться в окружающем нас мире, это и не нужно. Всегда важно знать, что произойдет, но не всегда важно знать - почему это происходит так, а не иначе.

Дети и ученые

Очевидно, только в раннем детстве нас могут волновать вопросы о том, почему происходят вокруг нас самые обыденные явления. Но решение этих вопросов совершенно непосильно для ребенка, а взрослый человек очень редко возвращается к тем задачам, от решения которых отказался в детстве. Стремление к объяснению поведения "простых" вещей оказывается, по словам английского физика Перри, запрятанным далеко в глубине сознания, и ум привлекают явления неожиданные, непривычные. Только детям и ученым свойственна любознательность по отношению к самым привычным явлениям.

Вот почему во многих отношениях легче рассказать, например, о необычайных свойствах пространства и времени, вскрытых в теории относительности, чем объяснить, почему камень сохраняет свою форму. В первом случае мы немедленно ощущаем интерес к предмету, а второй факт настолько привычен, что объяснение его сразу рискует вызвать скуку.

В действительности же ответить на вопрос о причинах примелькавшихся явлений, перечисленных в начале этой главы, далеко не просто. Попытки разобраться в них очень быстро заведут нас весьма далеко. Собственно говоря, настолько далеко, насколько в настоящее время продвинулась наука. Не забираясь пока в такие глубины, проследим только на одном примере хотя бы начало цепочки вопросов, которые неизбежно возникнут у каждого, кто попытается вдуматься в объяснение обыденных фактов. Фактов, которые даже неудобно называть таким научным термином, как физические явления.

Сила упругости и ее "родственники"

Перед вами сейчас лежит на столе книга. На нее действует сила тяжести. Тем не менее она не падает вниз. Почему? Человек, не искушенный в науках, ответит: "Ей не дает падать стол". Но это ведь не объяснение, а просто указание на факт.

Тот, кто приобщился к школьной физике, пойдет дальше. На книгу, скажет он, действует сила со стороны стола, которая и уравновешивает силу тяжести. Эту силу называют силой упругости, и она возникает из-за небольшого, незаметного на глаз прогиба стола, вызванного книгой. Но ответить на вопрос, почему при прогибе стола возникает сила упругости, школьник уже вряд ли сможет.

Мы с вами также на этом месте прервем цепочку вопросов и ответов и вернемся к выяснению причины появления сил упругости только много страниц спустя. Для этого имеются весьма серьезные основания. Дело в том, что силы упругости имеют общее происхождение со многими другими силами, имеют многочисленную родню, и совсем не напоминают в этом отношении силы всемирного тяготения, у которых наука не отыскала на сегодняшний день даже самых отдаленных родственников.

Силы упругости, которые позволяют твердым телам сохранять свою форму, препятствуют изменению объема жидкостей и сжатию газов; силы трения, тормозящие движение твердых тел, жидкостей и газов; и, наконец, силы наших мышц - все это члены одной обширной семьи. Все они имеют общую природу, общее происхождение: это электромагнитные силы. Электромагнитным силам природа предоставила самую широкую арену деятельности. В повседневной жизни, за исключением притяжения к Земле и приливов, мы встречаемся только с различными видами электромагнитных взаимодействий, только с ними, если не считать ядерных, которые мы сравнительно недавно научились использовать. В частности, упругая сила пара также имеет электромагнитную природу.

Поэтому фактически смена "века пара" "веком электричества" означала лишь смену эпохи, когда мы не умели управлять электромагнитными силами, эпохой, когда мы научились распоряжаться ими по своему усмотрению.

Электромагнитные силы позволяют вам видеть книгу, которую вы читаете, ибо свет - это одна из форм электромагнитных взаимодействий. Сама жизнь была бы немыслима без этих сил. Живое существо, и даже человек, как показали полеты космонавтов, способны длительное время существовать в состоянии невесомости. Но если бы на мгновение действие электромагнитных сил прекратилось, то сразу исчезла бы и жизнь.

При взаимодействии частиц в самых компактных системах природы - в атомных ядрах - и при взаимодействии космических тел электромагнитные силы играют выдающуюся роль, в то время как ядерные и гравитационные силы существенны только либо в очень малых, либо в космических масштабах. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы и образование кусков вещества определяются только электромагнитными силами. Трудно, почти невозможно указать явление, которое не было бы связано с действием электромагнитных сил. Соответственно трудно даже перечислить все многообразие их проявлений. Пока мы перечислили далеко не все.

С чего начать?

Легко после сказанного представить себе, что вряд ли целесообразно начинать знакомство с такой обширной семьей с внимательного рассмотрения одного из ее членов - сил упругости. Но с чего же тогда начать? Мы назвали множество разнообразных сил электромагнитными. Что это значит? Ведь назвать - это еще не значит что-либо объяснить^*. Тем более, что обычно электрическими и магнитными силами называют совсем другое. Силой электрического притяжения или отталкивания называют силу взаимодействия между наэлектризованными телами. Например, силу, заставляющую мелкие кусочки бумаги притягиваться к расческе, которой мы несколько раз провели по волосам. Под магнитной силой обычно понимают силу, действующую со стороны магнита на проводник с электрическим током, или силы взаимодействия магнитов.

^*(Правда, к сожалению, у многих людей так велика привычка видеть объяснение в одном слове, если это слово достаточно авторитетно, что достаточно сказать: "здесь действует электричество", как они сразу удовлетворены, хотя к настоящему объяснению только после этого и нужно приступать.)

Пока мы только высказали утверждение, что большое количество разнообразных по форме взаимодействий имеет общую природу. В первую очередь, очевидно, нужно ответить на следующий вопрос: в чем же состоит общность перечисленных взаимодействий? Или, говоря иными словами: какие силы называются электромагнитными?

Электрически заряженные тела

Мы в дальнейшем не будем бояться некоторых повторений, памятуя мудрое замечание глубокомысленной Совы из чудесной книжки "Винни Пух и все остальные" о тот, что существуют вещи, которые "вы спокойно можете объяснить два раза, не рискуя, что кто-нибудь поймет, о чем вы говорите". Там это замечание относилось к объяснению того, что такое "Необходимая или Соответствующая Спинная Мускулатура", у нас речь пойдет о не менее сложных вещах.

Если постараться возможно короче ответить на наш основной вопрос, то можно сказать так: в основе действия всех перечисленных сил лежат одни и те же общие законы - законы взаимодействия электрически заряженных тел. Все перечисленные силы обусловлены в конечном счете взаимодействием между элементарными частицами, несущими электрические заряды. Взаимодействие же между заряженными частицами осуществляется посредством электромагнитного поля. Поэтому данные силы и называются электромагнитными. Если бы по мановению волшебной палочки все электрические заряды исчезли, то сразу прекратили бы свое существование силы упругости, трения и т. д. Распались бы на составные части не только тела, но и слагающие их атомы.

Наша ближайшая цель будет состоять в знакомстве с основными законами электромагнитных взаимодействий. Только после этого мы сможем разобраться во всем богатстве проявлений электромагнитных сил и понять, почему эти силы столь широко распространены в природе и столь разнообразны.