Стена, с давних времен разделявшая в представлении людей электричество и магнетизм, дала трещину во время лекции по физике в Копенгагене. Лектор, датский физик Ханс Христиан Эрстед (17771851), демонстрируя студентам новое устройство Вольты, вдруг заметил, что каждый раз, когда батарея Вольты дает ток, стрелка лежавшего поблизости компаса приходит в движение. Таким образом оказалось, что движущиеся электрические заряды обладают магнетическими свойствами! Электричество и магнетизм оказались связанными явлениями! Но на установление природы этой связи ушло еще много времени.
Вероятно, за один только сегодняшний день вы, сами того не зная, уже неоднократно воспользовались результатами открытия Эрстеда: ведь из него логически следует изобретение электромотора. И когда вы, нажав кнопку, поднимаете стекло в окне вашей машины или делаете в миксере томатное пюре, вы даже не задумываясь пожинаете плоды этого открытия.
Спустя еще десятилетие английский физик Майкл Фарадей (17911867) наконец поставил на место последний кусочек этой мозаики. Он обнаружил, что, если вы изменяете магнитное поле вблизи провода (например, положив магнит в петлю из медной проволоки), по проводу проходит ток, даже если к нему не подсоединен никакой источник электроэнергии.
Таким образом, разговор об электричестве мы можем кратко изложить в виде четырех тезисов:
1. Разноименные электрические заряды притягиваются; одноименные отталкиваются (закон Кулона).
2. Не существует изолированных магнитных полюсов.
3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля.
4. Переменные магнитные поля порождают электрические токи.
Эти четыре тезиса, записанные в виде формул, играют в области электричества и магнетизма такую же роль, какую законы Ньютона играют в механике. Они исчерпывающе описывают все, что нам известно об этих явлениях. Таким образом, мы возвращаемся к ситуации, когда множество сложных природных явлений описывается несколькими простыми короткими законами.
Мы еще много раз будем обращаться к сформулированным выше тезисам об электричестве и магнетизме, рассуждая о возможности жизни на экзопланетах. В главе 13, например, мы поговорим о том, как могут повлиять на биосферу планеты корональные выбросы массы гигантские пузыри ионизованного газа, вырывающиеся из недр Солнца. Их образование и движение описываются именно законами электромагнетизма а ведь они способны разрушить даже высокоразвитую технологическую цивилизацию вроде нашей за какие‐то несколько часов. Поговорим мы и о том, что у Марса, в отличие от Земли, нет магнитного поля. Это позволяет солнечному излучению воздействовать непосредственно на поверхность планеты и, с вероятностью, уничтожать на ней любые возможные проявления жизни. Законы электричества и магнетизма будут особенно важны, когда мы будем говорить о развитии жизни, совершенно непохожей на нашу, ведь взаимодействие электрических и магнитных полей позволяет нам задать и описать тот уровень сложности, который мы видим в жизни, существующей по законам химии. Но истинная важность этих тезисов состоит в том, что они самый ценный инструмент в наборе средств, с помощью которого мы выбираем направления для поиска жизни во Вселенной и который позволяет нам осознать ограничения, накладываемые природой на возможность возникновения и развития жизни на различных экзопланетах.
Записанные нами законы обычно называют уравнениями Максвелла, в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (18311879). Хотя сам он не открыл ни одного из этих законов, но именно он первым осознал, что эти законы представляют собой стройную математическую систему, связывающую воедино электричество и магнетизм. Максвелл был одним из ведущих математиков своего времени он работал над теми разделами высшей математики, которые мы сейчас называем частными дифференциальными уравнениями и векторным анализом. Когда он применил эти методы исчисления к математической формулировке четырех законов электромагнетизма, то получил поистине удивительный результат. Из его уравнений логически следовало, что, когда электрические заряды ускоряются, они должны излучать некие волны. Такие волны, в свою очередь, должны состоять из колеблющихся электрического и магнитного полей и перемещаться в пространстве со скоростью, определяемой воздействием сил, возникающих между электрическими зарядами и магнитными полюсами, а так как эти силы были известны, то и скорость можно было вычислить.
Должно быть, Максвелл был потрясен, когда рассчитал численное значение этой скорости она оказалась равной скорости света, примерно 300 000 км/с. Свет оказался еще одной формой электромагнитного излучения. Таким образом, носок, прилипший к полотенцу, магнит, удерживающий список неотложных дел на дверце холодильника, и ваша возможность читать этот текст поскольку именно свет позволяет вам видеть и распознавать буквы связаны напрямую и являются проявлениями одного и того же физического явления.
И это еще не все. Видимый свет состоит из волн, длина которых составляет от примерно 4000 до 8000 атомов. Но из уравнений Максвелла следует, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. В конце XIX века была открыта целая плеяда таких волн сначала открыли радиоволны, потом и другие диапазоны электромагнитного спектра: как микроволновые и инфракрасные лучи, обладающие большей длиной волны, чем видимый спектр, так и более коротковолновые ультрафиолетовые, рентгеновские и наконец гамма‐лучи. Кроме того, выяснилось, что с уменьшением длины волны увеличивается энергия, которую эта волна переносит. Иначе говоря, возьмите волну видимого света и растяните ее получится радиоволна; сожмите и вот перед вами рентгеновские лучи.
Электромагнитные волны дают нам основную часть информации, которую мы в принципе можем получить об экзопланетах. Эти волны летят к нам со скоростью света. Каждая разновидность излучения описывает отдельное явление или ряд явлений например, рентгеновские лучи рассказывают о событиях, сопровождающихся выделением огромного количества энергии, а инфракрасное излучение о явлениях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако почти все эти лучи, кроме радиоволн и видимого света, обычно поглощаются атмосферой Земли. Поэтому так много необходимых нам научных данных о космических телах мы получаем с приборов и датчиков, установленных на обращающихся вокруг Земли искусственных спутниках, и путем наблюдения через наземные телескопы. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого впервые было описано уравнениями Максвелла, наш основной инструмент для изучения условий на экзопланетах и (о чем мы будем говорить в главе 5) поиска жизни во Вселенной за пределами Солнечной системы.
Термодинамика
Последний столп, на который опирается здание классической науки, термодинамика. Это название происходит от сочетания корней термо (тепло) и динамика (наука о движении.) Таким образом, термодинамика как наука описывает движение (то есть передачу) тепла (а в более широком смысле и других форм энергии). Как и с механикой, электричеством и магнетизмом, наши знания в этой области науки тоже можно сформулировать в виде достаточно небольшого числа законов в общем случае мы будем говорить о двух. Они называются первым и вторым законами (или «началами») термодинамики: