2. Что такое электрический заряд?

Трудности определений

Что такое электрический заряд? Откроем Большую Советскую Энциклопедию и прочтем: "Электрический заряд - свойство некоторых частиц (электронов, протонов, позитронов, некоторых видов мезонов), состоящее в том, что они всегда связаны с электрическим (электромагнитным) полем и испытывают определенные воздействия внешних электромагнитных полей". Но что же такое электромагнитное поле? Откроем Энциклопедию на соответствующем месте. Сказано следующее: "Электромагнитное поле - физическое поле движущихся электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними". Возникает известная ситуация - змея кусает себя за хвост. Заряд это то, что связано с электромагнитным полем, а поле - то, что связано с зарядом.

Здесь не недосмотр редакции. Бросающаяся в глаза недостаточность этих определений отражает ту действительно существующую трудность, с которой сталкивается каждый, пытающийся дать краткое определение этих фундаментальных понятий. Дело в том, что кратких, удовлетворительных во всех отношениях определений вообще дать здесь невозможно. Самое важное - уяснить себе именно это. Мы привыкли находить понятные нам объяснения для весьма сложных образований и процессов вроде атома, термодиффузии, цепной ядерной реакции и т. д. В действительности же именно такие сложные образования, как, например, атом, не так уж трудно пояснить. А вот самые основные, элементарные понятия, не расчленимые уже далее на более простые, лишенные по данным науки на сегодняшний день какого- либо внутреннего механизма, кратко удовлетворительным образом уже не пояснить. Особенно, если они непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств. Именно к таким фундаментальным понятиям относятся электрический заряд и электромагнитное поле. При знакомстве с ними в школе часто происходит следующее: сначала их просто не понимают, потом привыкают к самим понятиям и используют их, не отдавая себе отчета во всей глубине содержания.

Трудности определений

Положение здесь настолько сложно, что еще сравнительно недавно, в середине прошлого столетия, даже выдающиеся умы своего времени были способны придерживаться удивительнейших представлений о сущности электричества. Так, Гегель считал, что электричество - это "собственный гнев, собственное бушевание тела", его "гневная самость", которая "проявляется в каждом теле, когда его раздражают" ("Философия природы").

Электрический заряд и элементарные частицы

Мы попытаемся вначале выяснить, не что такое электрический заряд, а что скрывается за утверждением: данное тело или частица имеют электрический заряд. Это почти одно и то же, но не совсем и, пожалуй, второе проще для понимания.

В настоящее время ни для кого не является секретом, что все тела природы построены из мельчайших неделимых уже далее, насколько нам сейчас известно, частиц, которые принято по этой причине называть элементарными. Нам нет нужды перечислять все открытые на сегодня частицы. Важно, что основную роль строительных кирпичей мироздания играют электроны, протоны и нейтроны. Чем же отличаются эти частицы друг от друга?

Собственно говоря, утверждая, что частицы различны, мы только утверждаем, что они по-разному воздействуют на окружающий мир и по-разному ведут себя под его влиянием. Так, например, все частицы имеют массу, причем масса их различна. У протона она в 1846 раз больше, чем у электрона, а у нейтрона несколько больше, чем у протона, и т. д. Соответственно, с одной стороны, эти частицы по-разному ведут себя под влиянием внешних сил, ибо инертные свойства их различны, а, с другой стороны, силы гравитационного взаимодействия их друг с другом и с внешним миром различны при прочих равных условиях.

Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, то это означает, что они способны к взаимодействиям определенного типа (электромагнитным) и ничего более. Отсутствие заряда у частицы означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает. Сам заряд - это количественная мера способности тела к электромагнитным взаимодействиям, подобно тому как гравитационная масса - величина, определяющая интенсивность гравитационных взаимодействий. Электрический заряд - вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире.

Во всем сказанном нет ничего необычного. В сущности ведь и люди, если не говорить об их внешности, отличаются друг от друга главным образом по тому, как они воздействуют на окружающий мир и какое влияние способно оказать на них окружение. Так, например, когда мы говорим, что мистер Пиквик был добрым человеком, способным даже вызволить из долговой тюрьмы вдову, которая пыталась его на себе женить, то тем самым мы подразумеваем определенную закономерность его поведения в окружении людей. Если поведение человека обнаруживает обратную закономерность, то он будет злодеем, как мистер Каркер из "Домби и сына", у которого даже каждый зуб казался миссис Домби орудием зла. Наконец, человек может спокойно зрить

 "...на правых и виновных, 
 Добру и злу внимая равнодушно, 
 Не ведая ни жалости, ни гнева".

Таков, например, Пимен в "Борисе Годунове".

В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона - отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных - притягиваются.

Подобно тому как люди различаются не только добротой и весом, элементарные частицы имеют кроме заряда и массы ряд других свойств. Но вот что важно: как бы ни отличались свойства элементарных частиц в других отношениях, заряд, если он вообще есть, одинаков у всех: у электронов, протонов, позитронов, антипротонов, легких, тяжелых и сверхтяжелых мезонов. Различными могут быть только знаки. Заряд, меньший заряда электрона, в природе не существует. Доброта же, как и прочие нравственные качества, распределена между людьми весьма и весьма неравномерно. Между ангельским и дьявольским - этими крайними воплощениями человеческой личности - лежит целая бездна разнообразных характеров.

Как показывает опыт, электрический заряд в природе сохраняется. Сумма зарядов всех частиц (с учетом знака зарядов) остается не измененной. Если возникает новая заряженная частица (а это случается весьма часто), то одновременно мы обязательно наблюдаем рождение частицы, имеющей заряд противоположного знака. Гибнут пары противоположно заряженных частиц также только одновременно.

Заряд и законы электромагнитных взаимодействий

Наличие электрического заряда у частиц предполагает строго onределенные законы силовых взаимодействий между ними. Законы, которые допускают точную математическую формулировку, и определяют движение самих частиц. Вполне очевидно, что мы в сущности ничего не знаем еще о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов по существу органически должно входить в наши представления о заряде. (Ведь нам ничего не говорила бы характеристика человека - добрый, если бы мы не знали, что такое добрые дела.) Законы эти отнюдь не просты и изложить их в двух словах невозможно. Написаны сотни томов, посвященных электромагнитным взаимодействиям, и еще сотни будут написаны. Конечно, для понимания того, что такое электрический заряд, не обязательно прочитать все эти тома, но более или менее основательное знакомство с электродинамикой (так называют науку об электромагнитных взаимодействиях) необходимо.

Чеширский кот из сказки 'Алиса в стране чудес'

Если после всего сказанного вы прочувствовали причину, по которой нельзя столь же просто рассказать, что такое электрический заряд, как, например, рассказать, что такое паровоз, можно спокойно продолжать наш рассказ дальше. Если же нет, то не поможет ли вам еще одно соображение?

Вы, наверное, помните прекрасную сказку Льюиса Кэролла "Алиса в стране чудес". У Алисы был друг - Чеширский кот. В затруднительных случаях он являлся к ней, причем не весь сразу. Сначала появлялась улыбка и лишь затем обрисовывалось все остальное. Исчезал он в обратной последовательности, начиная с кончика хвоста и кончая улыбкой, которая оставалась еще некоторое время после того, как все остальное скрылось. "Часто приходилось видеть кота без улыбки, - удивлялась Алиса, - но - улыбка без кота!"

Чеширский кот - пример частицы без заряда

Совершенно аналогично часто можно встретить частицу без заряда, но заряд без частицы - это та же улыбка без кота, и поэтому может появиться только в сказке. Электрический заряд по современным представлениям нельзя рассматривать как некий дополнительный механизм, который несут на себе частицы. Механизм, который можно снять с частицы, разложить на составные части и снова собрать. Наличие у частицы заряда неразрывно связано со всей ее не известной нам пока еще структурой, точно так же как, например, доброта со всем психическим обликом человека. Как нет отдельного механизма, ответственного за добрые дела, так нет механизма, ответственного за "электромагнитные дела" в частице.

Зарядом мы называем в сущности не механизм в частице, а способность ее в целом взаимодействовать с другими частницами определенным образом^*.

^*(Следует заметить, однако, что электрический заряд действует одинаковым образом у всех частиц. Другие свойства частиц не оказывают влияния на ее электромагнитное поведение.)

Речь идет у нас сейчас о том, каковы представления в науке сегодня. Не следует думать, что наши сведения о заряде являются исчерпывающими и в дальнейшем наука уже ничего к ним не в состоянии добавить. Уже сейчас в физике элементарных частиц ставятся вопросы: почему заряжены только некоторые элементарные частицы? Почему не существует заряда большего или меньшего, чем у электрона? Как величина заряда связана с другими мировыми постоянными, такими как скорость света, постоянная Планка и т. д.? Кто знает, быть может недалеко то время, когда ответы будут найдены: определенные успехи в исследовании самого сокровенного уже налицо. В опытах Хофштадтера при бомбардировке протонов электронами очень большой энергии удалось установить примерный характер распределения электрического заряда внутри этих частиц. Оказалось, что заряд протона "размазан" по конечной области пространства (радиусом около 0,8·10^-13 сантиметра) и распределен в этой области отнюдь не равномерно. В центре имеется уплотненная часть - так называемый "керн" примерно в 4 раза меньших размеров, чем сам протон. Одновременно выяснилось, что заряженные области имеются и внутри нейтрона.

Самое поразительное в том, что, несмотря на размазанность заряда в пространстве, от него нельзя отщипнуть ни единой крупицы. Невозможность существования заряда, меньшего определенного количества, - самый, пожалуй, непонятный факт во всем, что касается природы и сущности электрического заряда.

Заметим еще, что пока мы говорили только о зарядах элементарных частиц. Тело больших размеров (макроскопическое), как нетрудно представить себе, будет электрически заряжено, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц одного знака. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный - их недостатком. Большинство тел электрически нейтрально, так как число электронов в них равно числу протонов. Нейтрален ли в целом мир? Если Вселенная конечна, то ее электрический заряд равен нулю. В случае бесконечной Вселенной полный заряд может быть отличен от нуля.

Существенно, что электрическая нейтральность совсем не означает отсутствия у тела электромагнитных свойств. В скрытой форме они всегда имеются. Даже нейтральная элементарная частица нейтрон их не лишена.

По своим электромагнитным свойствам нейтрон подобен маленькому магниту.