Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Почему что-то невидимо? Или наоборот: почему обычная материя видима? Почему вы видите книгу, которую держите в руках? И почему книга может просто лежать на столе, несмотря на гравитационные силы, которые постоянно тянут ее вниз? И на все эти вопросы ответ один: электрические заряды. Разница между видимой и невидимой реальностью — то же самое, что разница между частями мира с электрическими зарядами и без них.

Во время разговора об электричестве трудно не упомянуть его любимого брата-близнеца — магнетизм. Оба явления тесно взаимосвязаны. Например, если у вас на велосипеде динамо-машина, то колесо велосипеда заставит магнит вращаться. Так вращающийся магнит образует электрический ток, из-за которого загорается фонарь велосипеда. Мы можем пойти и другим путем и использовать электрический ток для создания магнетизма. Это применяется, например, в электромагнитах, которые, в частности, используются в больничных аппаратах МРТ. Их катушки под огромным напряжением создают мощнейшие магнитные поля. Итак, есть электричество — будет и магнетизм, и наоборот. Тогда, возможно, не так уж и странно, что физики используют такие термины, как электромагнетизм, электромагнитное излучение и так далее.

Во всех электромагнитных явлениях центральное место занимают электрические заряды.

Электроэнергия влияет на все, что содержит электрические заряды. А что такое электрический заряд? Ну, это свойство, которым обладает частица под влиянием электричества. Хм… какой-то замкнутый круг выходит. Давайте разберем аналогичную ситуацию.

Сила тяжести влияет на все объекты с массой (ее мы измеряем в килограммах). И масса — это то самое качество, которым обладает частица, если на нее влияет сила тяжести (по крайней мере в повседневной физике). Таким образом, масса — это своего рода гравитационный заряд, а значит, объект «соединяется» с гравитацией. Таким же образом электрический заряд заставляет что-либо соединяться с электричеством.

Самая известная электрически заряженная частица — это электрон. Когда мы с помощью электричества включаем свет или чистим зубы, именно движение электронов мы и используем. И когда небо разрывается от мощного удара молнии, то виной всему электрические заряды, а точнее, поток электронов между грозовой тучей и землей.

У электронов так называемый отрицательный электрический заряд. А самая известная частица с положительным электрическим зарядом — протон. Протон ровно настолько же положителен, насколько отрицателен электрон, поэтому если взять комок с равным количеством протонов и электронов, то его общий электрический заряд будет нулевым. Тогда мы скажем, что он нейтральный.

Большинство окружающих нас в обычной жизни предметов относительно электрически нейтральны. Вот в человеке, например, более 10²⁸ электронов — число, сравнимое с количеством песчинок в Сахаре. Но когда этим электрическим зарядам составляет компанию равное число положительно заряженных протонов, в результате получается электронейтральный человек. И книга в ваших руках, и птицы на крыше электрически нейтральны, и большинство исследований подтверждают, что наша Вселенная в целом электрически нейтральна. Таким образом, и в человеке, и в книге, и во Вселенной примерно одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц.

Чтобы хорошенько разглядеть электрические заряды, придется добраться аж до атомного уровня. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором находятся протоны и электрически нейтральные нейтроны. А вокруг ядра — облако отрицательно заряженных электронов. В нейтрально заряженном атоме количество электронов в электронном «облаке» равно количеству протонов в ядре.

Когда атомы объединяются и образуют структуры, такие как молекулы, книги и планеты, то именно электронные облака различных атомов не дают им развалиться. Электроны в одном атоме притягиваются к положительно заряженному ядру другого атома, тем самым их связывая. Таким образом, в нашем структурированном мире никак не обойтись без электрического заряда.

Между электрическими зарядами действуют определенные силы. Одинаковые заряды отталкивают друг друга, а разные — притягивают. Таким образом, если взять два шарика с избытком электронов, то они будут отталкиваться, а если один шар будет с избытком электронов, а другой с избытком протонов, то они будут притягиваться друг к другу. Действие этого эффекта можно оценить, если потереть волосы о праздничные воздушные шары, чтобы те прилипли к потолку. Разные материалы, такие как волосы и резина, обладают разной способностью удерживать электроны, и, когда вы трете воздушный шар о волосы, некоторые электроны из волос будут перемещаться к воздушному шару. В таком случае воздушный шар получает отрицательный заряд, а волосы — положительный. Волосы и воздушный шарик будут притягиваться друг к другу, и вы сделаете прикольную прическу в стиле «безумный профессор». Если вы поднесете воздушный шар к потолку, электроны там будут отталкивать отрицательно заряженный шар. Получается, потолок около шарика получит небольшой положительный заряд. Потолок и шарик будут притягивать друг друга, и шарик там так и останется. А если поднести два натертых о волосы шарика на разных ниточках близко друг к другу, то они будут отталкиваться, так как у обоих отрицательный заряд.

Воздушные шарики иллюстрируют, как работает электроэнергия, однако нам все же еще не совсем понятно, насколько она могущественна. Количество электронов, перешедших от ваших волос к воздушному шару, относительно мало, неужели этой энергии достаточно, чтобы удерживать шарик под потолком? И насколько влиятельными бывают силы между электрически заряженными объектами? И что произойдет, если мы заменим воздушные шары Луной и Землей?

Луна обращается по околоземной орбите. Благодаря силам притяжения Земли, Луна, несмотря на свою огромную скорость, не улетает в космос, а остается на своей орбите. В качестве мысленного эксперимента примерьте на себя роль космического Деда Мороза, который раздает дополнительные электроны небесным телам. Не скупясь, вы протягиваете мешок электронов Земле и точно такой же — Луне. Таким образом, отрицательные электрические заряды будут способствовать взаимному отталкиванию Земли и Луны. Однако сила тяжести никуда не делась, поэтому планета и спутник продолжают притягивать друг друга. Насколько большими должны быть мешки с электронами, чтобы электрические силы преодолели силы гравитации и оттолкнули Луну от Земли? Оказывается, хватит и 350 кг лишних электронов. Для сравнения: все электроны на Земле вместе весят столько же, сколько вся вода Мирового океана, так что это и вправду немного.

Получается, что электроны, соответствующие массе двух коров, мощнее, чем гравитационные силы, связывающие Луну с Землей. Но гравитация все же контролирует движения между небесными телами, и происходит это из-за того, что они на самом деле электрически нейтральны. В Земле и Солнце, в астероидах, далеких звездах и огромных галактиках электронов примерно столько же, сколько протонов.

2.11. Связывающие нас заряды

Электромагнитное взаимодействие играет важную роль даже в жизни электронейтральных людей и коров. Во-первых, электроэнергия — это то, что связывает вещество в структуры и делает нас людьми, а, например, книгу — книгой, а не просто грудой неупорядоченных частиц. К тому же сталкиваемся мы именно благодаря электроэнергии. А столкновение — процесс важный. Вспомните, как из-за столкновений между частицами газа и пыли во Вселенной рождаются звезды и планеты.

Представьте, что вы вышли на тротуар и подпрыгнули. Сначала вы двигаетесь вверх, но гравитация тянет вас вниз. Через десятую долю секунды вы уже достигнете верхней точки и начнете снова опускаться на землю. Вы приближаетесь к тротуару со все возрастающей скоростью. И как только ваша обувь касается асфальта, вы останавливаетесь. Вы столкнулись с асфальтом. Электроны в подошве вашей обуви сталкиваются с электронами в асфальте, и отталкивающие силы между электронами заставляют вас остановиться. И когда вы чувствуете, что снова стоите на земле, вы буквально парите на подушке отталкивающих электрических сил.