Формальное образование не обучает тому уровню воображения, который часто необходим для нахождения решений. Порой даже простейшие идеи оказываются редкостью.
Майкл Фарадей, один из самых влиятельных учёных в истории, почти не имел формального образования. Его исследования магнитных полей заложили основное правило электромагнетизма, известное как закон Фарадея. Он открыл, что изменяющийся магнитный поток от магнита, проходящего через петлю из проводящей проволоки, индуцирует электрический ток в проволоке.
В прошлом месяце я прочитал лекцию по физике о проекте Галилео в Университете Коннектикута. После лекции ко мне обратился профессор на пенсии из MIT, Уолтер Левин, с вопросом о том, выполняется ли закон Фарадея в идеально сверхпроводящем контуре с нулевым сопротивлением. Эта проблема беспокоила его в течение нескольких лет, и он консультировался с известными физиками из Принстона и MIT, но ответа так и не нашел. Для меня решение оказалось очевидным, и вскоре после прочтения его письма я отправил ему ответ.
Вопрос Уолтера звучал так: «У меня есть катушка, изготовленная исключительно из идеально сверхпроводящей проволоки. Концы катушки также соединены сверхпроводящей проволокой, и, следовательно, это замкнутый контур из сверхпроводника. Я двигаю магнит внутрь и наружу катушки, и это вызывает изменение магнитного потока во времени (закон Фарадея выполняется). Будет ли в замкнутом контуре протекать электрический ток и, если да, то как он будет изменяться во времени? В сверхпроводящей проволоке не может быть электрического поля, так как же может быть ток?»
Мой ответ был прост: «Нет тока внутри сверхпроводника, где электрические и магнитные поля исчезают. Ток возникает только на поверхности. В каждый момент времени поверхностные токи таковы, что они создают противоположное магнитное поле внутри провода и компенсируют внешнее поле. Поскольку внешнее магнитное поле меняется во времени, эти токи также меняются, чтобы компенсировать внешнее поле. Таким образом, возникает поверхностный ток, который удовлетворяет закону Фарадея снаружи провода, создавая электрическое поле, которое соответствует уравнениям Максвелла. Но внутри провода ток не возникает».
Электрический ток протекает через объем обычных металлических проводов, которые обладают сопротивлением. Этот ток создается разностью напряжений, например, при подключении батареи. Однако идеальный сверхпроводник не имеет сопротивления, и любая разность напряжений вызовет бесконечный ток, который мгновенно компенсирует напряжение. Отсюда и загадка.
Решение состоит в том, что сверхпроводник может иметь поверхностные токи на своей оболочке, где свойства сверхпроводимости не действуют, поскольку поверхность представляет собой границу провода с внешней средой.
Эти поверхностные токи известны благодаря эффекту Мейснера, который подразумевает, что магнитные поля вытесняются из внутренней части сверхпроводника. Поверхностные токи являются ключом к объяснению того, как закон Фарадея сохраняется в сверхпроводящем контуре, несмотря на то, что внутренняя часть сверхпроводящего провода не может их проводить.
Я убедился, что это и есть правильное решение, проведя аналогию с током, который очень быстро меняется внутри обычного провода. При бесконечной частоте чередования столкновения электронов, которые проводят переменный ток, становятся неважны, так как вероятность столкновения во время периода чередования минимальна. В этом режиме сопротивление становится несущественным внутри провода, что напоминает поведение сверхпроводника без столкновений. В таких обстоятельствах ток течет по поверхности провода, что известно как «скин-эффект» в проводниках.
Ответ требовал лишь небольшой доли воображения. Уолтер создал видео, в котором изложил мой ответ, и оно собрало 30 000 просмотров за несколько дней. Меня удивило, что другие посчитали ответ нетривиальным.
Этот опыт, в котором проявляется наследие Фарадея, подчеркивает важность воображения, несмотря на его самообразование. Воображение — это качество, которому невозможно научить, но его ценность может быть значительной. Оно позволяет таким ученым, как я, зарабатывать на деятельности, которая доставляет нам удовольствие.
Но еще важнее то, что воображение открывает для нас новые горизонты, как открытия Фарадея в области электромагнетизма, что способствует более процветающему будущему человечества.
Есть надежда, что одним из таких горизонтов станет поиск межзвездного оборудования от более развитых внеземных цивилизаций, которым займется недавно объявленный проект Галилео. Если бы Майкл Фарадей был жив сегодня, я бы пригласил его в исследовательскую команду проекта.
Если вам нравится читать статьи на нашем канале и вы хотите помочь в его развитии, вы можете поддержать канал донатом: