Эволюция физики
Шрифт:
Хотя в области указанных здесь электрических и магнитных явлений мы можем последовательно провести механистическую точку зрения, нет никакого основания гордиться этим или радоваться этому. Некоторые черты этой теории являются, конечно, неудовлетворительными, если не обескураживающими. Мы должны были изобрести новые виды субстанций — две электрические жидкости и элементарные магнитные диполи. Изобилие субстанций начинает становиться чрезмерным.
Силы просты. Они одинаково выражены для тяготения, электричества и магнетизма. Но цена, уплаченная за эту простоту, высока — введение новых невесомых субстанций. Они являются довольно искусственными понятиями и совершенно не связаны с веществом и его массой.
Первая серьёзная трудность
Мы уже готовы к тому, чтобы отметить первую серьёзную трудность в приложении нашей общей философской
Особенно быстрое развитие электричества как ветви науки и техники началось с открытия электрического тока. Здесь мы находим в истории науки один из очень немногих примеров, в которых случай сыграл существенную роль. История конвульсий лягушечьей лапки рассказана во многих вариантах. Не ручаясь за достоверность в отношении деталей, можно, без сомнения, сказать, что случайное открытие Гальвани привело Вольта в конце XVIII столетия к построению прибора, известного под названием вольтовой батареи. Теперь она практически не употребляется, но на неё ещё указывают в школьных демонстрациях и в учебниках как на очень простой пример источника тока.
Принцип её построения прост. Берётся несколько стеклянных стаканов, каждый из которых содержит воду и немного серной кислоты. В каждом стакане погружены в раствор две металлические пластинки: одна медная, а другая цинковая. Медная пластинка одного стакана соединена с цинковой следующего, так что только цинковая пластинка первого стакана и медная последнего остаются несоединенными. Мы можем обнаружить разность электрических потенциалов между медной пластинкой первого стакана и цинковой последнего посредством весьма чувствительного электроскопа, если число «элементов», т. е. число стаканов с пластинками, составляющими батарею, достаточно велико.
Мы ввели батарею, составленную из некоторых элементов, только для того, чтобы получить нечто легко измеряемое уже описанным прибором. Для дальнейших рассуждений с таким же успехом будет служить один элемент. Обнаруживается, что потенциал меди выше, чем потенциал цинка. Слово «выше» употребляется здесь в том же смысле, в каком +2 больше, чем -2. Если один проводник связан со свободной медной пластинкой, а другой — с цинковой, оба станут заряженными: первый — положительно, а второй — отрицательно. На этой стадии рассуждений ничего особенно нового или поразительного не появилось, и мы можем потребовать применить наши предыдущие представления о разности потенциалов. Мы видели, что разность потенциалов между двумя проводниками можно быстро уничтожить посредством соединения проводников проволокой, в которой возникает поток электрической жидкости от одного проводника к другому. Этот процесс был уподоблен выравниванию температур тепловым потоком. Но производит ли поток в вольтовой батарее работу?
По словам Вольта, пластинки ведут себя как проводники, «слабо заряженные, которые действуют непрерывно или так, что их заряд после каждого разряда вновь восстанавливается; которые, одним словом, поставляют неограниченный заряд или производят непрерывное действие, или импульс электрической жидкости».
Результат этого эксперимента удивителен потому, что разность потенциалов между медной и цинковой пластинками не уменьшается, как в случае двух заряженных проводников, связанных проволокой. Разность эта остаётся неизменной, и, согласно жидкостной теории, должен возникать постоянный поток электрической жидкости от высшего потенциального уровня (медная пластинка) к низшему (цинковая пластинка). Пытаясь спасти жидкостную теорию, мы можем предположить, что действует некоторая постоянная сила, которая возрождает разность потенциалов и вызывает поток электрической жидкости. Но явление в целом удивительно, если рассматривать его с энергетической точки зрения. В проволоке, по которой течёт ток, порождается заметное количество теплоты, достаточное даже для того, чтобы расплавить проволоку, если она тонка. Следовательно, в проволоке создаётся тепловая энергия. Но вся вольтова батарея образует изолированную систему, так как она не получает энергии извне. Если мы хотим спасти закон сохранения энергии, мы должны найти место, где происходят превращения, за счёт которых создаётся теплота. Нетрудно установить, что в батарее происходят сложные химические процессы, в которых активное участие принимают как сам раствор, так и погружённые в него медь и цинк. С энергетической точки зрения здесь имеется цепь превращений:
Эксперимент, который по-настоящему обнаружил большие трудности в применении механистических идей, должен для впервые слушающего о нём звучать странно. Он осуществлён Эрстедом около 120 лет назад. Последний пишет:
«Этими экспериментами, кажется, показано, что магнитная стрелка сдвигалась из своего положения с помощью гальванического прибора, и именно тогда, когда гальваническая цепь была замкнута, а не разомкнута, как напрасно считали несколько лет назад очень известные физики».
Предположим, что мы имеем вольтову батарею и кусок металлической проволоки. Если проволока соединена с медной пластинкой, но не связана с цинковой, то существует разность потенциалов, но ток течь не может. Предположим, что проволока изогнута в форме кольца, в центре которого расположена магнитная стрелка, причём как проволочное кольцо, так и стрелка лежат в одной и той же плоскости. Пока проволока не прикасается к цинковой пластинке, ничего не происходит. Никаких действующих сил нет, наличие разности потенциалов не оказывает влияния на положение стрелки. Кажется трудным понять, почему «очень известные физики», как выразился Эрстед, ожидали такого влияния.
Соединим теперь проволоку с цинковой пластинкой. Немедленно произойдут странные вещи. Магнитная стрелка выходит из своего первоначального положения. Один из её полюсов направлен к читателю, если страница этой книги представляет плоскость кольца (рис. 35). Опыт доказывает, что на магнитный полюс действует сила, перпендикулярная к плоскости кольца. Перед лицом экспериментальных фактов мы едва ли можем избежать такого вывода о направлении действующей силы.
Рис. 35
Этот эксперимент интересен в первую очередь тем, что он показывает связь между двумя на первый взгляд совершенно различными явлениями — магнетизмом и электрическим током. Имеется и другой, даже более важный момент. Сила взаимодействия между магнитным полюсом и малыми отрезками проволоки, по которой течёт ток, не должна лежать вдоль линий, связывающих проволоку и стрелку или частицы текущей электрической жидкости и элементарные магнитные диполи. Сила перпендикулярна к этим линиям! Впервые появляется сила, совершенно отличная от тех сил, к которым, соответственно нашей механистической точке зрения, мы стремились свести все действия внешнего мира. Мы помним, что силы тяготения, электростатики, магнетизма, подчиняющиеся законам Ньютона и Кулона, действуют вдоль линии, соединяющей оба притягивающихся или отталкивающихся тела.
Эта трудность была ещё более подчёркнута экспериментом, который с большим искусством осуществлён Роуландом почти 60 лет назад. Оставляя в стороне технические детали, мы могли бы описать этот эксперимент следующим образом. Вообразим себе маленький заряженный шар (рис. 36). Представим себе далее, что этот шар очень быстро движется по окружности, в центре которой находится магнитная стрелка. Принципиально этот эксперимент таков же, что и эксперимент Эрстеда; единственное отличие состоит в том, что вместо обычного тока мы имеем механически совершающееся движение электрического заряда. Роуланд нашёл, что результат в самом деле подобен тому, который наблюдался, когда по витку проволоки протекал ток. Магнит отклоняется силой, перпендикулярной к рисунку.
Рис. 36
Пусть теперь заряд движется быстрее. В результате сила, действующая на магнитный полюс, возрастает; отклонение магнита от его начального положения становится более заметным. Это наблюдение представляет новое большое усложнение. Не только направление силы не совпадает с линией, связывающей заряд и магнит, но и её абсолютная величина зависит от скорости заряда. Вся механистическая точка зрения базировалась на уверенности в том, что все явления могут быть объяснены в рамках сил, зависящих только от расстояния, а не от скорости. Результат эксперимента Роуланда, конечно, подрывает эту уверенность. Всё же мы можем попробовать остаться консервативными и искать решения в рамках старых идей.