Электричество и Магнетизм

Примером фундаментальных силявляются электрические силы. В течение восемнадцатого столетия электрические явления экстенсивно изучались физиками и множеством любителей науки, не последнее место среди них занимал Бенджамин Франклин.[8]

Франклин рос в то время, когда Ньютон был наиболее уважаемой фигурой в англо-говорящем мире, а наука казалась самым благородным занятием для человека. Поднявшись к 40 годам из бедности до уровня скромного достатка, он удалился из активного издательского бизнеса с намерением посвятить оставшуюся часть жизни науке. В 1751 г. Франклин издал свою знаменитую книгу “ Опыты и Наблюдения над Электричеством”. Широкая международная известность этой работы, как это не парадоксально, положила конец научной карьере Франклина: благодаря научной славе он стал для Америки[9] таким ценным представителем её интересов за границей[10], что заниматься научными исследованиями он мог лишь в редкие часы досуга.

Хотя работы Франклина и стали для целого поколения физиков стандартом исследования электрических явлений, они были полностью лишены математических выкладок. Франклин закончил свое школьное обучение в 10 лет, оказавшись неспособным справиться с простой арифметикой[11]. Однако его работы вдохновили французского инженера, Шарля Кулона[12] поставить исследование электричества на прочный фундамент, достойный Ньютона. В 1789г. Кулон сформулировал свой знаменитый закон для электрической силы:

(6-1)

Кулон усовершенствовал устройство крутильных весов, показанных на рис. 6 - 1, и с помощью этого прибора сумел доказать, что электрическая сила, как и сила гравитации, подчиняется обратно-квадратичному закону.

Массы в законе всемирного тяготения были заменены Кулоном принципиально новыми физическими величинами — электрическими зарядами (количествами электричества). Величины зарядов обозначены в формуле символом q. Отметим, что закон Кулона несодержит константы, такой как γ в законе тяготения Ньютона. Дело в том, что формула Кулона позволяет определить ранее неизвестную единицу электрического заряда таким образом, что константа будет равна единице. Единица электростатического заряда (esu [13]), при этом была выбрана так, что два одинаковых заряда такой величины на расстоянии 1 см друг от друга взаимодействуют с силой . Во времена Кулона иного способа для абсолютного измерения количества электричества, чем измерение силы взаимодействия зарядов просто не существовало.[14]

Другое отличие электрической силы от силы гравитации состоит в том, что электрический заряд, в отличие от массы, может быть как положительным так и отрицательным. Заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются друг к другу. Сама формула закона Кулона указывает на этот факт: если заряды имеют один и тот же знак, их произведение положительно; если же знаки у зарядов разные, то их произведение будет отрицательным.

Электрические силы гораздо более могучи, чем гравитационные: частицы, составляющие атом, связаны между собой электрическими силами в 10⁴⁰ раз сильнее, чем гравитационными[15]. Это фантастически большая разница! Хотя крутильные весы, использовавшиеся в экспериментах Кулона, позволили установить природу электрических сил, потребовалось ещё два десятилетия терпеливого совершенствования их конструкции, прежде чем они позволили английскому экспериментатору Генри Кавендишу[16] измерить очень слабую силу гравитационного притяжения между парой тяжелых свинцовых шаров. Цель эксперимента Кавендиша, состояла в том, чтобы установить численное значение гравитационной постоянной γ в формуле Ньютона, так как все остальные величины — массы, расстояние, и сила взаимодействия, были известны. Зная величину γ легко вычислить массу Земли по известному весу тела на поверхности Земли. Сам Кавендиш называл свой эксперимент " Взвешиванием Земли " [17]. Он мог бы назвать его и " Взвешиванием Солнца ”, — ведь благодаря созданному Кеплером описанию движения планет (см. Главы 3 и 4), ускорения планет Солнечной системы стали известны, и, таким образом, используя численное значение γ, можно было вычислить и массу Солнца.

Исследование электрических сил не закончилось с открытием закона Кулона. На заре девятнадцатого столетия, в 1800 г. итальянец А. Вольта[18], создал электрическую батарею, позволившую впервые создать электрический ток—направленное движение электрических зарядов. Это открыло широкий диапазон новых экспериментальных возможностей изучения электричества и привлекло новых исследователей в эту область физики. Когда в 1820 г. была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, [19] которую едва ли возможно описать без понятия поля, на сцену выходит Майкл Фарадей[20], которого многие заслуженно считают величайшим экспериментатором в истории физики.