На кого упало яблоко
Шрифт:
Первые опыты Вольты очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую — под него; при соединении их проволокой ощущался кислый вкус — такой же, как при «пробовании на язык» проводов от известных в то время источников электричества. Если Гальвани считал, что ткани организма лягушки, которую он препарировал, касаясь их разнородными металлами, являются источником электричества, то Вольта убедился в том, что эти ткани — индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов.
Вольта доказал, что именно ток, вырабатываемый при контакте двух различных металлов, вызывает сокращение мышц в лягушачьих лапках. Этим он опроверг предположение Гальвани о том, что электричество вырабатывается в мышцах. Для того чтобы доказать свою точку зрения, он наполнил соляным раствором две чаши и соединил их металлическими дугами. Один конец этих дуг был медный, а другой цинковый. Они были установлены так, что в каждой чаше было по одному электроду каждого типа. Эта конструкция и стала первой батареей, вырабатывающей электричество за счет химического взаимодействия двух металлов в растворе. В 1800
Теперь можно ответить на вопрос — почему Гальвани не был осыпан почестями в первую очередь или по меньшей мере рядом с Вольтой? Причина отнюдь не в том, что Гальвани к тому времени уже скончался. Гальвани подошел к факту не как физик, а как физиолог, его заинтересовала способность мертвого препарата проявлять себя как живой материал (очень похоже на историю Майера и Джоуля, см. ниже), и он с величайшей тщательностью исследовал этот феномен, меняя самые разные параметры. Гальвани объяснил это явление существованием «животного электричества», благодаря которому мышцы заряжаются подобно лейденской банке. Понять, почему лапки мертвых лягушек дергаются, Гальвани не было суждено. Лишь великий Алессандро Вольта понял, что соединение разных металлических проводников (у Гальвани медная проволока была привязана к железному балкону) само по себе вызывает появление на их концах электрических зарядов. Если замкнуть концы через тело лягушки, образуется электрический ток, который является не кратковременным, как при «страшных опытах» Отто фон Герике, а длительным. То, что два разнородных металла могут быть источником электричества, — для Вольты и других физиков был шокирующий переворот в физических представлениях.
Спор между Гальвани и Вольтой, а также их последователями — это спор о «животном» и «металлическом» электричестве. Весь мир тогда разделился на два лагеря. Одни поддерживали Гальвани, а другие — Вольту. И трудно сказать сегодня, чем бы кончился этот спор, поскольку оба ученых были по-своему правы. Сегодня мы знаем, что в мускулах животных действительно возникает электричество. В то же время электричество может рождаться и без участия животных, из одних лишь разнородных металлов, которые заряжается в результате контакта. Да, Гальвани ошибался в своих взглядах на «животное» электричество, но его ошибки исправил Вольта. И все же Гальвани является основоположником учения об электричестве, его опыты положили начало новому научному направлению — электрофизиологии. Опыты Гальвани стоят в начале долгого пути исследований электрических токов в теле человека. Если, например, сокращается мышца, то в ней постепенно возникает и угасает электрическое напряжение, правда очень слабое и трудноуловимое. Впрочем, врачам и инженерам удалось создать аппарат, который благодаря разности этого электрического напряжения устанавливает, здорово ли сердце, или в нем есть какие-то пороки. Этот аппарат называется «электрокардиограф».
В истории науки имена Гальвани и Вольты стоят рядом. Но они не соратники, а оппоненты в знаменитом споре о животном электричестве. Гальвани, несмотря на ряд выдающихся физических открытий, не был признан как физик, да и вряд ли стремился к этому. Физиком же считается Вольта, повторивший опыты Гальвани и давший им иное толкование. Триумф «вольтова столба» обеспечил безоговорочную победу Вольты над Гальвани. Исключив жизнь — это сложнейшее явление природы — из науки об электричестве, придав физиологическим действиям лишь пассивную роль реагента, Вольта обеспечил быстрое и плодотворное развитие этой науки. Но вот что забавно: когда речь идет об областях не физических, термины, связанные с именем Гальвани, вполне приемлемы: гальванотерапия, гальваническая ванна, гальванотаксис. Если же дело касается физики, то на всякий гальванический термин есть термин антигальванический: не гальванометр, а амперметр; не гальванический ток, а ток проводимости; не гальванический элемент, а химический источник тока.
Кто открыл закон Кулона
Ну что за вопрос: «Кто открыл закон Кулона?» Естественно, Кулон [65] , а то с чего бы этот закон носит его имя. Но все не так просто. Попробуем разобраться.
Закон Кулона знает теперь, наверное, любой школьник. Но вряд ли многим известно, какое искусство и наблюдательность пришлось проявить исследователю. Кулон с помощью изобретенных им крутильных весов измерял силу взаимодействия между электрическими зарядами. О том, насколько эта задача была непроста, какую высокую точность требовалось обеспечивать, можно судить хотя бы по следующему факту: подвешенная на тонкой шелковой нити стрелка так чувствительно реагировала на все воздействия, что приходилось защищать ее не только от слабейших воздушных потоков, но даже и от приближения глаза наблюдателя (на стрелке и на теле человека всегда могут оказаться электрические заряды, и их взаимодействие может сказаться на силах взаимодействия).
65
Шарль Огюстен де Кулон родился 14 июня 1736 года в Ангулеме (Южная Франция) в зажиточной дворянской семье. В 1761 году Кулон окончил военное училище и получил специальность инженера. Молодого офицера отправили в далекую заморскую колонию, на остров Мартиника, где он в течение девяти лет строил мосты, дороги, укрепления. Только в 1772 году Кулон вернулся во Францию и занялся исследованием сил трения. Формула определения силы трения, которую сейчас изучают в школах, предложена Кулоном. В 80-е годы XVIII века Кулон заинтересовался электрическими силами притяжения и отталкивания. Он проявил изумительную изобретательность и в 1784 году построил прибор для измерения сверхмалых сил — крутильные весы, благодаря которым поставил серию экспериментов и в 1785 году сформулировал свой знаменитый закон. Во время Великой
Кулон установил, во-первых, что сила взаимодействия между точечными зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта сила будет силой отталкивания, если заряды одноименные, и силой притяжения, если заряды разноименные. Во-вторых, Кулон ввел понятие количества электричества и определил, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна их величине. Закон Кулона является фундаментальным законом природы; он хотя прост по форме, но глубок по содержанию. Для истории физики его эксперименты с крутильными весами имели важнейшее значение еще и потому, что они дали в руки ученых метод определения единицы электрического заряда через величины, использовавшиеся в механике: силу и расстояние, что позволило проводить количественные исследования электрических явлений.
Но вот почти сто лет спустя после работ Кулона, в 1877 году, Максвелл напечатал статью о неопубликованных работах Генри Кавендиша [66] в области электричества. Максвеллу как первому директору Кавендишской лаборатории в Кембридже, построенной на средства потомков Кавендиша, был предоставлен архив Генри Кавендиша. В этом архиве он обнаружил совершенно готовую к публикации рукопись работы Кавендиша, экспериментально доказывающую тот же закон, что и открытый Кулоном. Экспериментальные доказательства в опыте Кавендиша существенно отличались от опыта Кулона, метод был более прост и доказательства более точны, чем у Кулона. В своих работах Кавендиш исходил из того, что на полом металлическом проводнике только тогда весь электрический заряд может распределиться на наружной поверхности, когда эти заряды отталкиваются друг от друга по закону квадрата расстояния.
66
Генри Кавендиш (1731–1810) происходил из знаменитого англо-норманнского рода. Живший в молодости бедно и располагавший довольно скромным достатком, после смерти он оставил огромное богатство. Излюбленным способом тратить деньги была для Кавендиша благотворительная деятельность. Как-то раз, узнав, что студент, помогавший ему упорядочивать библиотеку, оказался в трудной финансовой ситуации, Кавендиш немедленно выписал ему чек на 10 тысяч фунтов — громадную сумму по тем временам. Подобным образом он поступал всю жизнь. Большинство научных работ Кавендиша не публиковалось вплоть до 1921 года. А то немногое, что известно, выглядит весьма необычно. Кавендиш проводил научные эксперименты, на целые столетия опережая свое время. В то же время он ничуть не заботился ни о публикации своих работ, ни о каком-либо признании ученым миром. Завещание ученого содержало категорическое требование, чтобы склеп с его гробом сразу после похорон был наглухо замурован, а снаружи не было никаких надписей, указывающих, кто в этом склепе похоронен. Так и было сделано. Ни одного достоверного портрета Кавендиша не сохранилось.
Даты на рукописи Кавендиша не было, но Максвелл отнес ее, во всяком случае, к годам не позднее 1775 года — следовательно, по крайней мере на десять лет раньше открытия закона Кулоном. Как могло случиться, что работа Кавендиша оставалась в продолжение ста лет никому не известной? Естественно задать вопрос: как могло произойти, что такой крупный ученый, как Кавендиш, которого многие называли «Ньютоном современной химии», мог пренебречь опубликованием работы по электричеству, которую он, конечно, не мог не считать фундаментальной? Вряд ли история когда-либо найдет ответ на этот вопрос, но самое вероятное, что Кавендиш просто позабыл направить ее в печать. Это объяснение сперва кажется невероятным, так как, казалось бы, его товарищи, ученые, должны были знать об этих работах и напомнить ему о них. Но здесь вскрывается особенность характера Кавендиша. Генри Кавендиш был английским лордом и занимался физикой и химией в качестве «хобби», как сказали бы теперь.
Кавендиш был человеком особого склада, с большими странностями. Он был нелюдим, мало говорил и смущался, когда к нему обращались незнакомые люди. Местом для опасных экспериментов с электричеством ему служили конюшни отца. Но потом он превратил в лабораторию большую часть громадного родительского дома. Лишенный прав на отцовское богатство, он вдруг получил огромное состояние от своего дяди. Однако ни мотом, ни дельцом не стал. Ему было тогда уже за сорок, образ жизни и привычки его давно сформировались, а менять их он не хотел. Очень выразительно сказал о нем Дж. Дж. Томсон: «Он всегда делал то, что делал прежде». В течение всей своей жизни он выходил на прогулку в одно и то же время дня. Решив свести к нулю вероятность встречи с кем-нибудь из знакомых лондонцев, Кавендиш усвоил обыкновение ходить только посередине мостовой. Уклоняться от лошадей было легче, чем от человеческого пустословия. Кавендиш вел тихий и уединенный образ жизни. Со своими служанками он общался исключительно записками и не заводил личных отношений вне семьи. Женская прислуга в клефэмском доме Кавендишей не рисковала попадаться ему на глаза: за этим следовал отказ от места. Согласно одному из источников, для того чтобы попасть домой, Кавендиш часто пользовался черным ходом — так он избегал встреч со своей экономкой. Круг его общения ограничивался лишь клубом Королевского общества, члены которого обедали вместе до еженедельных совещаний. Кавендиш редко пропускал эти встречи и был глубоко уважаем своими современниками. Но лишь немногие из завсегдатаев клуба знали, как звучит его голос. Он заговаривал только тогда, когда мог сообщить им нечто из ряда вон выходящее. За сорок лет его шляпа ни разу не переменила своего места на полке в клубном гардеробе. Раз в году, в один и тот же день и час, к нему приходил портной. Молча снимал мерку и исчезал. Никаких вопросов о материале и фасоне нового платья: костюм должен был быть копией прежнего с необходимой поправкой на естественное изменение параметров хозяина. Так был уничтожен еще один повод для вздорных раздумий и отвлекающей болтовни.