Читать интересную книгу Физика невозможного - Мичио Каку

Так что же такое защитное силовое поле? В научной фан­тастике это обманчиво простая штука: тонкий невидимый, но при этом непроницаемый барьер, способный одинаково легко отражать лазерные лучи и ракеты. На первый взгляд силовое поле представляется настолько простым, что создание — и скорое — боевых щитов на его основе кажется неминуемым. Так и ждешь, что не сегодня-завтра какой-нибудь предприимчивый изобретатель объявит, что ему удалось получить защитное си­ловое поле. Но истина гораздо сложнее.

Подобно лампочке Эдисона, которая коренным образом изменила современную цивилизацию, силовое поле способно глубоко затронуть все без исключения стороны нашей жизни. Военные воспользовались бы силовым полем, чтобы стать не­уязвимыми, создали бы на его основе непроницаемый щит от вражеских ракет и пуль. В теории можно было бы создавать мосты, великолепные шоссе и дороги одним нажатием кнопки. Целые города возникали бы в пустыне словно по мановению волшебной палочки; все в них, вплоть до небоскребов, строи­лось бы исключительно из силовых полей. Купола силовых по­лей над городами позволили бы их обитателям произвольно управлять погодными явлениями — штормовыми ветрами, снежными бурями, торнадо. Под надежным пологом силово­го поля можно было бы строить города даже на дне океанов. От стекла, стали и бетона можно было бы вообще отказаться, заменив все строительные материалы силовыми полями.

Но, как ни странно, силовое поле оказывается одним из тех явлений, которые чрезвычайно сложно воспроизвести в ла­боратории. Некоторые физики даже полагают, что это вообще не удастся сделать без изменения его свойств.

Майкл Фарадей

Концепция физического поля берет начало в работах великого британского ученого XIX в. Майкла Фарадея.

Родители Фарадея принадлежали к рабочему классу (его отец был кузнецом). Сам он в начале 1800-х гг. состоял в подмастерьях у переплетчика и влачил достаточно жалкое существование. Но юный Фарадей был зачарован недавним гигантским прорывом в науке — открытием таинственных свойств двух новых сил, электричества и магнетизма. Он жадно поглощал всю доступную ему информацию по этим вопросам и посещал лекции профессора Хамфри Дэви из Королевского ин­ститута в Лондоне.

Однажды профессор Дэви серьезно повредил глаза во время неудачного химического эксперимента; понадобился секретарь, и он взял на эту должность Фарадея. Постепенно молодой человек завоевал доверие ученых Королевского института и получил воз­можность проводить собственные важные эксперименты, хотя нередко ему приходилось терпеть и пренебрежительное отноше­ние. С годами профессор Дэви все ревнивее относился к успехам своего талантливого молодого помощника, который поначалу считался в кругах экспериментаторов восходящей звездой, а со временем затмил славу самого Дэви. Только после смерти Дэви в 1829 г. Фарадей получил научную свободу и осуществил целую серию поразительных открытий. Результатом их стало создание электрических генераторов, обеспечивших энергией целые горо­да и изменивших ход мировой цивилизации.

Ключом к величайшим открытиям Фарадея стали сило­вые, или физические, поля. Если поместить железные опилки над магнитом и встряхнуть, выяснится, что опилки укладыва­ются в рисунок, напоминающий паутину и занимающий все пространство вокруг магнита. «Нити паутины» — это и есть фарадеевы силовые линии. Они наглядно показывают, как рас­пределяются в пространстве электрическое и магнитное поля. К примеру, если изобразить графически магнитное поле Земли, то обнаружится, что линии исходят откуда-то из области Север­ного полюса, а затем возвращаются и снова уходят в землю в области Южного полюса. Аналогично, если изобразить сило­вые линии электрического поля молнии во время грозы, выяс­нится, что они сходятся на кончике молнии.

Пустое пространство для Фарадея вовсе не было пустым; оно было заполнено силовыми линиями, при помощи кото­рых можно было заставить отдаленные предметы двигаться.

(Бедная юность не позволила Фарадею получить систематиче­ское образование, и он практически не разбирался в математи­ке; вследствие этого его записные книжки были заполнены не уравнениями и формулами, а нарисованными от руки диаграм­мами силовых линий. По иронии судьбы именно недостаток математического образования заставил его разработать вели­колепные диаграммы силовых линий, которые сегодня можно увидеть в любом учебнике физики. Физическая картина в науке нередко более важна, чем математический аппарат, который используется для ее описания.)

Историки выдвинули немало предположений о том, что именно привело Фарадея к открытию физических полей — одного из важнейших понятий в истории всей мировой науки. Фактически вся без исключения современная физика написа­на на языке фарадеевых полей. В 1831 г. Фарадей совершил ключевое открытие в области физических полей, навсегда из­менившее нашу цивилизацию. Однажды, пронося магнит — детскую игрушку — над проволочной рамкой, он заметил, что в рамке возникает электрический ток, хотя магнит с ней не соприкасается. Это означало, что невидимое поле магнита способно на расстоянии заставить электроны двигаться, соз­давая ток.

Силовые поля Фарадея, которые до этого момента счита­лись бесполезными картинками, плодом досужей фантазии, оказались реальной материальной силой, способной двигать объекты и генерировать энергию. Сегодня можно сказать на­верняка: источник света, которым вы пользуетесь, чтобы про­честь эту страницу, получает энергию благодаря открытиям Фарадея в области электромагнетизма. Вращающийся магнит создает поле, которое толкает электроны в проводнике и за­ставляет их двигаться, рождая электрический ток, который за­тем можно использовать для питания лампочки. На этом прин­ципе основаны генераторы электричества, обеспечивающие энергией города всего мира. К примеру, поток воды, падающий с плотины, заставляет вращаться гигантский магнит в турбине; магнит толкает электроны в проводе, формируя электрический ток; ток, в свою очередь, течет по высоковольтным проводам в наши дома.

Другими словами, силовые поля Майкла Фарадея и есть те самые силы, что движут современной цивилизацией, всеми ее проявлениями — от электровозов до новейших вычислитель­ных систем, Интернета и карманных компьютеров.

Полтора столетия фарадеевы физические поля вдохнов­ляли физиков на дальнейшие исследования. На Эйнштейна, к примеру, они оказали такое сильное воздействие, что он сформулировал свою теорию гравитации на языке физических полей. На меня тоже работы Фарадея произвели сильнейшее впечатление. Несколько лет назад я успешно сформулировал теорию струн в терминах физических полей Фарадея, заложив таким образом фундамент для полевой теории струн. В физике сказать про кого-то, что он мыслит силовыми линиями, означа­ет сделать этому человеку серьезный комплимент.

Четыре фундаментальных взаимодействия

Одним из величайших достижений физики за последние два тысячелетия стало выделение и определение четырех видов взаимодействия, которые правят вселенной. Все они могут быть описаны на языке полей, которым мы обязаны Фарадею. К несчастью, однако, ни один из четырех видов не обладает в полной мере свойствами силовых полей, описанных в боль­шинстве фантастических произведений. Перечислим эти виды взаимодействия.

1. Гравитация. Безмолвная сила, не позволяющая нашим ногам оторваться от опоры. Она не дает рассы­паться Земле и звездам, помогает сохранить целост­ность Солнечной системы и Галактики. Без гравитации вращение планеты вышвырнуло бы нас с Земли в космос со скоростью 1000 миль в час. Проблема в том, что свойства гравитации в точности противо­положны свойствам фантастических силовых полей. Гравитация — сила притяжения, а не отталкивания; она чрезвычайно слаба — относительно, разумеется; она работает на громадных, астрономических расстоя­ниях. Другими словами, являет собой почти полную противоположность плоскому, тонкому, непроницае­мому барьеру, который можно встретить едва ли не в любом фантастическом романе или фильме. К приме­ру, перышко к полу притягивает целая планета — Зем­ля, но мы легко можем преодолеть притяжение Земли и поднять перышко одним пальцем. Воздействие одного нашего пальца способно преодолеть силу притяжения целой планеты, которая весит больше шести триллио­нов килограммов.

2. Электромагнетизм (ЭМ). Сила, освещающая наши города. Лазеры, радио, телевидение, современная электроника, компьютеры, Интернет, электричество, магнетизм — все это следствия проявления электро­магнитного взаимодействия. Возможно, это самая по­лезная сила, которую удалось обуздать человечеству на протяжении всей его истории. В отличие от гравитации она может работать и на притяжение, и на отталкива­ние. Однако и она не годится на роль силового поля по нескольким причинам. Во-первых, ее можно легко нейтрализовать. К примеру, пластик или любой другой непроводящий материал без труда проникнет в мощ­ное электрическое или магнитное поле. Кусок пласти­ка, брошенный в магнитное поле, свободно пролетит его насквозь. Во-вторых, электромагнетизм действует на больших расстояниях, его непросто сосредоточить в плоскости. Законы ЭМ-взаимодействия описываются уравнениями Джеймса Клерка Максвелла, и похоже, силовые поля не являются решением этих уравнений.