Электрические силы (2), так же как гравитационные, были получены нашим миром как бы в подарок при его рождении. Электричество играет особо важную роль практически во всём, что было дальше, — от создания устойчивых атомов до появления и развития жизни. Но электрические процессы не столь заметны, не столь доступны, как гравитационные, — скрытое от нашего взгляда электричество приходится изучать для того, чтобы получить доступ к его использованию.
Т-16. Наряду с бессчётными вопросами, на которые можно ответить детально и конкретно, есть немного «почему?», допускающих пока только один ответ: «Так устроен наш мир». Вы подняли с земли небольшой камушек, затем отпустили его, и камушек полетел вниз, упал на землю. Почему? Что за странный вопрос? Камушек полетел вниз, потому что Земля его притягивает. А почему она его притягивает? Вы задумались: что ответить? Можно пошутить: «Почему? Потому что кончается на «у». Можно нагрубить: «Притягивает, потому что притягивает». Можно схитрить: «Мы этого ещё не проходили». Но как тут не мудри, как не хитри, а привычного объясняющего ответа вы не найдёте. Камень притягивается к Земле — это факт. И если начать разбираться, то окажется, что падение камня всего лишь частный случай более общего явления: все физические тела, имеющие массу, все предметы притягивают друг друга.
ВК-16. Гравитация известна одного типа — две массы всегда притягиваются. А вот электрический заряд, оказывается, бывает двух разновидностей — одну назвали положительной (обозначается знаком «плюс», «+»), другую отрицательной (обозначается знаком «минус», «—»). Оба заряда часто действуют одинаково, например, одинаково хорошо притягивают клочки бумаги. А вот друг с другом заряды взаимодействуют по-разному: разноимённые (+ и —) притягиваются, а одноимённые (+ и + или — и —) отталкиваются.
Явление это назвали «гравитация», от латинского слова «гравитус» — «тяжесть». Часто с тем же смыслом употребляют и русское слово «тяготение» (скорее всего от слова «тяга»), прекрасно отражающее существо дела: все объекты нашего мира тяготеют друг к другу, испытывают, так сказать, взаимное гравитационное влечение. Именно это Ньютон назвал законом всемирного тяготения. Переместитесь со своим камушком на Луну, и он там тоже будет притягиваться к «земле» — будет падать на лунную поверхность. При этом камушек будет одновременно притягиваться и к Земле — тяготение всемирное, каждый притягивается к каждому, все ко всем. Но только от Земли камушек уже далеко, а к лунной поверхности — близко. Сейчас Луна тянет его несравнимо сильней, чем Земля, — гравитационные силы с расстоянием резко уменьшаются, и чем ближе один к другому два каких-нибудь предмета, тем сильнее они притягиваются.
По закону всемирного тяготения даже два яблока, которые лежат на тарелке, притягивают друг друга. Но сила притяжения у них ничтожно малая, её никак не хватает на то, чтобы сдвинуть яблоки с места. Дело в том, что сила гравитационного притяжения зависит не только от расстояния, но и от массы притягивающихся предметов или, проще говоря, от того, насколько много в них вещества, насколько много атомов и молекул.
Масса Земли огромна — примерно 6 триллионов триллионов килограммов, шестерка и за ней 24 нуля. Поэтому там, где в гравитационном взаимодействии участвует Земля, появляется довольно большая сила, её вполне хватает на то, чтобы энергично перемещать к земной поверхности выпущенный из руки камень, капли дождя или даже оторвавшийся от дерева очень лёгкий засохший жёлтый лист. А масса Луны в 80 раз меньше, и она притягивает к себе значительно слабее Земли. Поэтому астронавты так легко ходили (можно даже сказать прыгали) по Луне, и для того чтобы оторваться от неё, космическому аппарату хватило одного сравнительно небольшого двигателя.
Кстати, мы допускаем неточность, когда утверждаем, что камушек притягивается к Земле. Притяжение у них взаимное, но Земля тяжёлая, ей трудно сдвинуться с места, а камушек лёгкий, гравитационные силы перемещают его без особого труда.
Но, как говорится, к чёрту подробности — мы заговорили о падающем камне для того, чтобы сделать выводы чрезвычайной важности. Опыт демонстрирует нам явление, которое называют гравитационным притяжением или гравитационным взаимодействием, а коротко — просто гравитацией. Откуда она появилась? Какова природа гравитации? Почему разные предметы притягивают друг друга?
Можно написать цепочку химических формул и объяснить, почему горят дрова. Можно нарисовать несколько схем и объяснить, почему взлетает многотонный самолёт. Но сегодня подобным образом нельзя, невозможно достаточно просто объяснить, почему работает гравитация. Мы своими глазами видим, что камень падает на Землю, видим, что гравитационное притяжение есть. И объясняется оно очень просто и понятно: так устроен наш мир.
ВК-17.Все вещества состоят из атомов, и самый простой из них — атом водорода. В его ядре один протон с положительным электрическим зарядом (+), а вокруг ядра вращается электрон — частица с отрицательным зарядом (—). Электрон под действием центробежных сил «бежит от центра», но убежать не может из-за электрического притяжения к ядру. Так электрические силы обеспечивают устойчивость атомов, вплоть до самых сложных, в ядре которых больше сотни протонов, а на орбитах столько же электронов.
Т-17. Электричество — одна из важнейших важностей нашего мира, одна из действующих в нём главных сил. Все живые организмы знают, что такое гравитация, прекрасно чувствуют её — чувствуют собственный вес или вес предмета, который нужно поднять. А человек не только чувствует гравитационные силы, но уже давно сумел приручить гравитацию, заставил её, например, бесплатно перевозить грузы вниз по реке и вращать жернова водяной мельницы. Коротко говоря, мы с вами полностью свыклись с гравитацией, считаем её совершенно естественным и абсолютно понятным явлением.
ВК-18.Ночная гроза — хороший повод для размышлений о нашей истории. Такие же молнии полыхали миллиарды лет назад (история учит, какой огромный срок тысяча лет, а тут тысяча тысяч — миллион и тысяча миллионов — миллиард), когда из бессчётных молекул в океане сложилась химическая цепочка их размножения. Через 3 миллиарда лет по джунглям уже бродили стада динозавров. А ещё через 60 миллионов лет заработал первый в мире радиоприёмник, названный грозоотметчиком.
Р-4. ТРИ САМЫЕ ПОПУЛЯРНЫЕ МИКРОЧАСТИЦЫ. Все известные нашим химикам миллионы веществ в итоге сделаны из трёх типов микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов. Первые две частицы — протон и нейтрон — своего рода тяжеловесы микромира. Каждая из них в триллион триллионов раз легче песчинки, но в то же время почти в две тысячи раз тяжелее электрона. При этом тяжёлый протон и лёгкий электрон в дополнение к массе имеют ещё и электрический заряд, по своей силе одинаковый, но по знаку разный — у протона «плюс» (электричество этого типа появляется при натирании стекла), у электрона «минус» (а он появляется при натирании пластмассы). Нейтрон по своей массе почти такой же, как и протон, но никакого электрического заряда вообще не имеет — об этом говорит само название частицы, которое происходит от латинского слова «нейтрум» — «ни то ни другое».
Около двух с половиной тысяч лет назад древнегреческий философ и исследователь природы Фалес Милетский сообщил своим коллегам, что у гравитации есть соперник, ранее ловко скрывавшийся от людей. Обнаружилось, что если натереть шерстью янтарную палочку (янтарь — окаменевшая прозрачная смола древних деревьев), то палочка притягивает к себе лёгкие предметы, скажем, клочки ткани. Под действием своего веса, то есть под действием гравитационного притяжения к Земле, эти клочки ткани должны были бы падать, двигаться вниз. А они, преодолевая силы гравитации, упрямо поднимаются вверх.
О чём это говорит? Только об одном: кроме гравитационных сил, кроме сил притяжения, которые стремятся сблизить две массы, в мире существуют ещё какие-то силы. И в опыте с натёртой янтарной палочкой они оказались сильнее гравитации. Какова природа этих неизвестных ранее сил? Почему они появляются после натирания янтаря?
Ответить на эти вопросы первые исследователи не могли, они лишь подробно описали, зафиксировали сам факт непонятного притяжения. А название «электричество» новому явлению, судя по всему, было дано лишь через две тысячи лет — оно впервые появилось в трудах Вильяма Джильберта, придворного врача английской королевы. Он, как мы сейчас сказали бы, в свободное от работы время занимался исследованием магнитов, а затем стал повторять опыты греков с электричеством. На русский язык это слово можно было бы перевести так: «янтаричество». Потому что «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что означает «янтарь», и электричеством новое явление было названо именно потому, что оно было обнаружено в опытах с янтарной палочкой.
Опыты с натиранием янтаря позволяют сделать очень важный вывод. До этих опытов было известно только одно основное свойство вещества — масса. Именно она была первопричиной гравитационных взаимодействий, заставляла предметы притягиваться друг к другу, двигаться, работать. Натёртый янтарь показал, что наряду с массой у вещества может быть ещё одно работающее основное свойство, в дальнейшем ему дали название «электрический заряд». Почему электрический — понятно. Почему заряд? Трудно сказать. Может быть, тот, кто впервые ввёл это понятие — «электрический заряд», — представлял себе, как, натирая янтарь, в него вталкивают некое невесомое электрическое вещество, заряжают янтарь электричеством. Подобно тому, как заряжали когда-то пушку, вталкивая в неё стальное ядро.
Любопытно, что в английском языке в роли нашего слова «заряд» используют слово charg (произносится: чардж), имеющее много значений, в том числе «цена», «нагрузка», «обязанность». Так что в этом случае «электрический заряд» по смыслу, видимо, означает «электрическая цена», то есть мера электрических свойств.