Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Шрифт:
Глава 6
МАЙКЛ ФАРАДЕЙ
Глубинное
Всякий раз, наблюдая вспышки молний и слыша раскаты грома, я вспоминала, как любил он грозу. Никогда не забуду, как часами стоял он у окна, любуясь яркими всполохами. И мы могли лишь предполагать, какими благородными мыслями полнилась тогда его голова — иногда это были размышления о Боге, а иногда о тех законах, которые Он создал, дабы управлять миром.
Искра —
Все знали, что Ада Лавлейс — далеко не подарок. Дочь поэта Байрона родилась весьма неуравновешенной, и ее мать, стараясь исправить характер ребенка, упорно прививала ей любовь к математике. Однако нельзя сказать, что лечение удалось — однажды Ада попыталась бежать из дома с одним из своих учителей. Ее поймали, укротили и выдали замуж за богатого аристократа, которому она предпочла компанию ученых. Среди ее почитателей был и изобретатель Чарльз Бэббидж. Он называл ее «волшебницей чисел», но она хотела, чтобы ее называли «суженой науки». Ее восхищали все новые научные идеи: френология, месмеризм, «исчисление нервной системы». В 1844 году, когда ей было двадцать восемь, она вступила в весьма фривольную переписку с величайшим английским экспериментатором Майклом Фарадеем, стремясь стать его музой и «феей».
Я буду прекрасным привидением, красочным и красноречивым, — по первому твоему желанию. Но сейчас я хочу быть тихой серенькой птичкой рядом с тобой, которую ты незаметно учишь тому, как познать тебя и помочь тебе. Я с удовольствием передам в твои руки свою волшебную палочку, и можешь совершать с ней все, что пожелаешь.
По осторожным ответам Фарадея трудно сказать, как он относился к ее изобилующим подчеркиваниями излияниям. Ему было пятьдесят три, он был женатым, добропорядочным христианином, только приходящим в себя от болезни, которую сегодня назвали бы нервным срывом. Он уже успел совершить главные из своих опытов, связав электричество и магнетизм. Может быть, именно лесть Ады заставила его сделать еще один шаг вперед и элегантно продемонстрировать, что электромагнетизм самым тесным образом связан со светом.
Они происходили из абсолютно разных миров. Он — сын кузнеца и ученик переплетчика, убедивший великого английского ученого Гемфри Дэви сделать его своим секретарем и ассистентом. Поначалу Фарадей просто был слугой Дэви, путешествовал с ним по Европе и, кстати, встречался с такими людьми, как Вольта и Андре Мари Ампер. Позже, поступив на службу в лондонский Королевский институт, он не гнушался никакой черновой работы, если только она была связана с наукой: занимался анализом глин для Веджвудского фарфорового завода, исследованием пороха для Вест-Индской компании и изучением промышленных процессов на литейных заводах Уэльса. Когда ему было столько же, сколько исполнилось его юной корреспондентке, страховая компания попросила его составить отчет о горючести китового жира, а Британское Адмиралтейство справлялось у него о лучших способах вяления мяса. Примерно в то же время, т. е. в конце 20-х годов XIX века, Дэви рассказал ему о потрясающих экспериментах датского ученого Ханса Кристиана Эрстеда.
Эрстед изготовил электрическую батарею, наполнив двадцать сосудов разведенной кислотой и соединив их последовательно кусочками меди и цинка. Затем он соединил один полюс установки с длинной проволокой, которую установил над компасом параллельно компасной стрелке. В тот момент, когда он подсоединял второй конец к батарее, стрелка компаса поворачивалась на запад. Когда проволока помещалась под компасом, стрелка начинала показывать на восток.
Дэви и Фарадей, не очень-то доверяя датчанину, поспешили повторить его опыты. Примерно в то же время работавший в Париже Ампер показал, что два параллельных провода, по которым течет ток в одном направлении, притягиваются друг к другу, как магниты. При противоположных направлениях тока проволочки отталкиваются друг от друга.
Такая очевидная связь между электричеством и магнетизмом была довольно неожиданной. Удивляло то, что сила могла действовать по окружности, а не по прямой линии. (Один ученый назвал это «вращающимся электричеством».) В ньютоновской механике ничего не предвещало подобного. Фарадею удалось показать, что, используя несложную установку, состоящую из ртути и пробки, можно заставить наэлектризованную проволоку вращаться вокруг магнита или магнит — вокруг наэлектризованной проволоки. Он изобрел электрический мотор. Если из проволоки сделать рамку и присоединить ее к батарее, то она становится слабым магнитом. Если изогнуть проволоку в форме спирали, магнитная сила увеличивается, концентрируясь в центре обмотки.
Несколько элегантных экспериментов выдвинули Фарадея в лидеры европейской науки. И тут, к сожалению, ему пришлось на время прекратить свои исследования — он вынужден был заниматься тем, что от него потребовала промышленная революция, и на десять лет погрузился в производство стали, меди и стекла. В письме Амперу он жаловался, что «много времени уходит, к сожалению, на повседневные дела», а не на эксперименты, которые он так любил. Но он все равно находил время на необычные исследования — изучал волнистый рисунок, или, как он его назвал, «мурашки», возникающие, когда тонкий слой порошка или песка распределяется по поверхности металлической пластины, которая вибрирует от прикасающегося к ней скрипичного смычка. Размещенная рядом с ней вторая такая пластина с порошком будет вибрировать аналогичным образом. Он также экспериментировал с жидкостями. «Когда ртуть на оловянной пластинке вибрирует в солнечном свете, отраженный свет очень красив, — сообщал он в своем отчете, чем-то напоминая Ньютона. — Чернила и вода, вибрирующие в солнечном свете, тоже выглядят необычайно красиво». Но только в 1831 году ему удалось вновь вернуться к своим экспериментам с обмотками и батареями.
К тому времени английский естествоиспытатель Уильям Стерджен уже наматывал неизолированную проволоку на покрытый лаком железный сердечник, создавая таким образом электромагнит, достаточно мощный для того, чтобы удерживать груз весом больше его собственного. Используя проволоку с изоляцией, американец Джозеф Генри создал электромагнит, удерживавший груз весом более тонны. Однажды летом Фарадей решил проверить, что произойдет, если рядом поместить две рамки. Он попросил мастерскую при Королевском институте изготовить кольцевую железную рамку толщиной 2 сантиметра и радиусом 15 сантиметров. С одной стороны он намотал 22 метра медной проволоки, изолированной бечевой и ситцем. Это он назвал обмоткой А. С другой стороны кольца он намотал примерно 18 метров проволоки и назвал это обмоткой В.
Обмотки эти не имели контактов, однако, когда он прикасался проводами первой обмотки к полюсам батареи, гальванометр, подсоединенный ко второй обмотке, начинал дергаться, колебаться и только через какое-то время успокаивался в первоначальном положении. Думая, вероятно, о возникновении волн в его акустических экспериментах, он поначалу представлял все так, что «волна электричества», возникшая в первой обмотке, пройдя по кольцу, могла породить ток во второй обмотке. В результате он обнаружил электромагнитную индукцию и распахнул окно в совершенно иной мир.
Перемещение бруска магнита вперед и назад внутри полой рамки тоже приводило к образованию электрического тока в проволоке. Эрстед преобразовывал электричество в магнетизм, а теперь Фарадей преобразовал магнетизм в электричество, создав некое подобие динамо-машины, т. е. механическую противоположность мотора, который он изобрел за десять лет до этого. «Выходит, за всем тем, что существует в мире, непременно скрывается нечто глубинное, потаенное», — как впоследствии выразится Эйнштейн. И задача ученого — извлечь это на поверхность.