Следующим поистине великим событием в истории физики, да и науки вообще, было открытие профессором Копенгагенского университета Хансом Кристианом Эрстедом (1777 — 1851 гг.) магнитного действия электрического тока. Открытие было сделано зимой 1820 г. на одной из лекций по физике, которые датский ученый, как бы сказали сейчас, на общественных началах читал студентам медицинского факультета университета. Во время демонстрационного опыта было замечено, что при замыкании полюсов вольтова столба платиновой проволокой магнитная стрелка оказавшегося рядом с проволокой компаса вздрагивала и отклонялась от своего обычного «географического» положения.
По существу, известные версии истории этого замечательного открытия расходятся между собой только в одном отношении — иногда пишут, что Эрстед сам заметил отклонение стрелки, но чаще, что эффект подметил кто-то из присутствовавших на лекции студентов. В общем, это не так и важно, важнее то, что открытие выступает в качестве чистой случайности.
Правда, всегда отмечается, что вероятность этой случайности была очень велика. Действительно, Эрстед начал экспериментировать с вольтовым столбом почти сразу, как узнал об изобретении Вольты, благо он в то время был управляющим копенгагенской аптекой, так что необходимые материалы были у него под руками. Эрстед серьезно интересовался философией. Докторская степень была ему присвоена в 1799 г. за диссертацию под названием «Метафизические основы философии Канта» (заметим, что основные философские труды этого мыслителя появились в период с 1770 по 1790 г.). Ученый находился в дружеских отношениях с одним из крупнейших философов своего времени Ф. Шеллингом, в туманных натурфилософских построениях которого его больше всего привлекала мысль о единстве сил природы, в частности электрических, магнитных и химических. Небезынтересно, что Шеллинг еще задолго до открытия Эрстеда глубокомысленно назвал электричество «разломанным магнетизмом». Склонный мыслить более конкретно, датский физик в своем опубликованном в 1813 г. трактате под красноречивым названием «Исследование относительно идентичности электрических и химических сил» непосредственно ставит задачу обнаружения связи между «вольтаическим электричеством» и магнетизмом. «Следовало бы выяснить на опыте, — пишет он, — действительно ли электричество в своем наиболее скрытом состоянии (имеется в виду электрический ток как противоположность электричеству в явной форме — статическим зарядам, искрам. — Б. Я.) не оказывает влияния на магнит как таковой».
Итак, несомненно, что Эрстед искал связь, между электричеством и магнетизмом, причём искал, видимо, гораздо более упорно, чем кто-либо из его современников.
В общем, можно сказать, что Эрстед уже задолго до открытия «созрел» для него, так что легкий поворот магнитной стрелки не мог не произвести на него глубочайшего впечатления. В отношении же того, что магнитная стрелка оказалась на демонстрационном столе поблизости от вольтовой батареи, тоже нельзя сказать, что это была такая уж редкая случайность. В те годы физических приборов было совсем немного, так что магнитный компас неизменно входил в коллекцию демонстрационного и исследовательского оборудования любой лаборатории.
Действительно случайным для открытия электромагнетизма, как это считают многие, было скорее то, что оно заставило себя ждать столь долго. Двадцать лет!
К концу 1800 г. о вольтовом столбе узнали все физики. И ученые и любители принялись за создание все более мощных и совершенных батарей (как мы знаем, Эрстед включился в эту деятельность в числе первых). С помощью вольтова столба удалось провести электролитическое разложение воды (У. Никольсон и А. Карлейль, 1800 г.), получить электролитическим путем калий, натрий, а также магний, кальций, стронций и барий (Г. Дэви, 1807 и 1808 гг.), в 1802 г, профессор Петербургской медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров, построив мощную батарею, впервые зажег электрическую дугу, в 1805 г. Теодор Гроттгус заложил основы теории электролитической диссоциации, в 1812 г. Иенс Якоб Берцелиус развил электрическую теорию химической связи, впервые предложенную в 1806 г. Гемфри Дэви, к 1811 г. относится первое практическое применение электрического тока — Павел Львович Шиллинг с помощью подводного кабеля взорвал морскую мину. В это же время проводились многочисленные опыты по физиологическому действию электрического тока (в этой области много работал В. В. Петров), с электрическим раскаливанием и плавлением проводников. Но постепенно волна увлечения вольтовой батареей стала спадать (небезынтересно, что общего увлечения почему-то не разделял сам ее изобретатель). Фактически последним крупным достижением этой серии было повторное открытие Г. Дэви в 1812 г. электрической дуги (о Петрове за пределами России ничего не знали), вызвавшее шумную сенсацию.
Этот спад интереса к электрическому току можно объяснить тремя причинами. Первая состоит в том, что запас фантазии экспериментаторов, видимо, исчерпался — они уже не могли придумать, через что бы еще пропустить ток. Второй причиной вполне могло быть неожиданное открытие в 1808 г. Э. Малюсом поляризации света, переключившее внимание физиков на оптику. И наконец, не следует забывать о том, что бушевавшие в Европе наполеоновские войны отнюдь не способствовали развитию «чистой» науки.
О связи электричества с магнетизмом помышлял, конечно, не один Эрстед. О намагничивании железных предметов и перемагничивании компасных стрелок при грозовых разрядах знали еще задолго до Гальвани и Вольты. С появлением источников тока поиски этой связи приняли конструктивный характер. Всячески пытались «впихнуть» электричество в магнит, для чего присоединяли магнитную стрелку к одному (!) из полюсов батареи, опускали в электролит, пропускали через нее ток. Никаких отчетливых результатов получить на этом пути, конечно, не удалось. Еще раз подтвердилась мудрая мысль Ф. Бэкона: «Тонкость природы во много раз превосходит тонкость наших рассуждений». И в самом деле, обнаруженная Эрстедом связь электричества с магнетизмом, оказалась гораздо, более, «тонкой» и интересной, чем та, которую пытались обнаружить в этих незамысловатых поисках1.
А ведь в течение двадцати лет открытие было буквально под руками. Уже в первые годы XIX в. множество ученых и любителей располагали мощными батареями, по-видимому, получение тока в 10 ампер и даже выше уже тогда не было большой проблемой. По известной формуле H=2 · 10–5 I/R легко сосчитать, что при nоке I =10 А магнитное поле Н на расстоянии R, скажем, 2 см от провода будет 10–4 Т. И если уж на порядок более слабое магнитное поле Земли ориентирует стрелку компаса, то ясно, что влияние такого тока можно заметить без труда. Казалось бы, за пару минут любой физик (да и не физик), располагавший батареей и компасом, мог обессмертить свое имя: чего проще — протяни над магнитной стрелкой проволоку, подключи ее концы к полюсам батареи — и стрелка отклонится. И это все, больше ничего не нужно! А ведь в это двадцатилетие жили и работали в Англии Г. Дэви и М. Фарадей, во Франции — Ж. Био, Д. Араго, Ш. Кулон, П. Лаплас, А.-М. Ампер, С. Пуассон и Ж. Фурье, в Германии — К. Гаусс и Т. Зеебек, в России — В. В. Петров, П. Л. Шиллинг, в Италии — сам А. Вольта.
Да, нельзя не согласиться с тем, что лишь в силу неблагоприятных случайностей открытия электромагнетизма человечеству пришлось дожидаться столь долго.
После первого десятилетия эры электрического тока попытки отыскать связь электричества и магнетизма были оставлены как бесперспективные. Эрстед оставался, видимо, одним из немногих, кто все-таки не смирился с мыслью об отсутствии этой связи. И еще была у датского физика одна идея, вернее, одно любопытное соображение, которое, возможно, помогло ему мгновенно оценить значение странного поведения магнитной стрелки на его лекции весной 1820 г. «Я обратил внимание, — писал Эрстед (правда, уже после того, как открытие было сделано. — Б. Я.), — на движения магнитной стрелки во время бури и в то же время высказал предположение, что электрический разряд может произвести некоторое действие на магнитную стрелку, помещенную вне гальванической цепи. Так как я больше всего ожидал действия от того разряда, который должен накаливать добела, то вставил очень тонкую платиновую проволоку в то место соединительного провода, где стрелка находится внизу».
Итак, в начале 1820 г. Эрстед обнаруживает отклонение магнитной стрелки, находящейся рядом с «соединительной» проволокой (т. е. проволокой, соединяющей полюса батареи). Более двух месяцев уходит у него на всестороннюю проверку и качественное изучение эффекта, и наконец 21 июля он издает (на собственные средства) мемуар, в котором сообщает: «Основной вывод из этих опытов состоит в том, что магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и что этот эффект проявляется, когда контур замкнут, и не проявляется, когда контур разомкнут». (В те времена еще не был полностью осознан тот факт, что в разомкнутой цепи не может быть тока, впрочем, и представления о токе были самые неясные.) Эрстед не занимается количественными измерениями, он лишь описывает явление, поясняет, от чего зависят направления поворотов стрелки. Эффект тем сильнее, чем мощнее батарея и чем ближе стрелка к проволоке, причем от того, из какого она материала, эффект не зависит. Первоначально Эрстед считал, что магнитное действие соединительной проволоки проявляется лишь в том случае, если она раскалена (в первом опыте использовалась тонкая платиновая проволока). Нам такое заключение представляется теперь по меньшей мере странным. Ведь введение в цепь тонкой, а значит, и имеющей сравнительно высокое сопротивление) проволоки уменьшает ток и, следовательно, ослабляет эффект. Но Эрстед долго и упорно настаивал на этом выводе, который, по его мнению, хорошо согласовался с его теорией и тем самым надежно ее подкреплял. Здесь мы сталкиваемся с довольно типичной ситуацией. Нередко экспериментатор, обнаружив новое явление, придумывает объясняющую его теорию, подсознательно рассматриваемую им как главный результат работы. Самым важным кажутся ему не остающиеся навсегда экспериментальные результаты, а теория, которая, даже если она верна, все равно потом непременно заменится более общей и глубокой. В истории науки немало примеров, когда излишняя приверженность к таким «самодельным» теориям направляла исследователей по неправильному пути или приводила их к «конфликту» с природой, в силу своей «тонкости» упорно не желающей вписываться в грубые схемы метафизического толка.
Что же за теория была у Эрстеда? Свой основополагающий латинский мемуар он озаглавил «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Да, это не ошибка перевода, именно электрического конфликта. По Эрстеду, положительное и отрицательное электричество, перемещаясь по проволоке во встречных направлениях, сталкивается, «вступает в конфликт». В результате сама проволочка раскаляется добела, а вокруг нее возникает некое смерчеобразное «вихревое движение силы или материи» (слова Эрстеда), результатом которого и является поворот магнитной стрелки. Такое объяснение, возможно, навеяно тогдашней натурфилософией и поэтической аналогией с вызывающей движения магнитной стрелки грозой с ее сверкающими молниями и мощными порывами ветра. Впрочем, в этом толковании можно усмотреть некоторое предвосхищение фарадеевских круговых магнитных силовых линий, опоясывающих прямой провод с током.
В примечании к французскому переводу мемуара Эрстеда видный физик Д. Араго пишет: «Читатели нашего журнала замечали, что мы не слишком легко принимаем сообщения об экстраординарных открытиях и до сих пор могли только похвалить себя за эту осторожность. Но что касается мемуара господина Эрстеда, то результаты, которые он содержит, какими бы странными они ни казались, описаны с такими подробностями, что всякое подозрение в ошибке исключается». Далее перечисляются авторитетные ученые, присутствовавшие при повторении опытов Эрстеда на собрании естествоиспытателей в Женеве летом 1820 г. Сам Эрстед в своем мемуаре также перечисляет свидетелей. Хотя тогда было принято именно так доказывать достоверность экспериментальных результатов, в данном случае привлечение «свидетельских показаний» представлялось совершенно необходимым. Действительно, уж очень странным и неожиданным был эффект, обнаруженный датским профессором.
Соединительная проволока действует на магнитную стрелку на расстоянии, причем, как показал Эрстед, ни металлы, ни стекло, ни дерево, ни вода не могут служить преградой для влияния. Но это еще не главное: в конце концов физики и философы того времени, хотя и без большого энтузиазма, смирились с существованием взаимодействия без непосредственного механического касания (всемирное тяготение, электростатическое и магнитное притяжение). Самое удивительное было то, что магнитная стрелка как целое соединительным проводом не притягивалась и не отталкивалась — она поворачивалась. Силы оказались «поворачивающими» — вот в чем природа обнаружила бэконовскую тонкость, а с таким экспериментаторы еще не встречались. В те времена в физике утверждалось механистическое мировоззрение. Все силы, и притягивающие и отталкивающие, понимали тогда только в ньютоновском смысле, т. е. как действующие вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела. Здесь же было нечто совершенно новое: ток отклонял магнитный полюс не по линии, соединяющей его с какой-либо точкой провода, а в сторону. Открытие Эрстеда подложило мину под механистическое мировоззрение и, помимо этого, нанесло смертельный удар по концепции магнитных жидкостей2, поскольку электричество оказалось способным к магнитному действию.
Имя Эрстеда в физике прочно связано с его открытием. Но не следует думать, что это было его единственное научное достижение, что в науке он был случайной личностью. Эрстед имеет и другие важные результаты в области электромагнетизма, в исследованиях сжимаемости воды и газов, наконец, он первым получил металлический алюминий, а ведь одного этого уже вполне достаточно, чтобы вписать свое имя в историю науки.
Но вернемся теперь к вопросу о соотношении случайного и закономерного.
Лет 20 назад в поле зрения историков физики попали хотя и не новые, но основательно забытые материалы, позволяющие в отношении обстоятельств открытия Эрстеда пойти существенно дальше привычных стереотипов. В первую очередь к этим материалам относится изложение истории рождения электромагнетизма, принадлежащее перу самого первооткрывателя. Оно содержится в его статье «Термоэлектричество», написанной в 1827 г. для «Эдинбургской энциклопедии». Это свидетельство «из первых рук», да еще по свежим воспоминаниям, представляет огромный интерес.
В рассказе ученого мы находим подтверждение принятой версии пути Эрстеда к открытию — действительно, исходил он в основном не из опытных фактов, а скорее из философского, можно даже сказать метафизического, принципа всеобщего единства сил природы. Но готовя свою историческую лекцию, он руководствовался и вполне конструктивной идеей. Когда проволока раскалена гальванической батареей, тепло и свет от нее испускаются в окружающее пространство лучеобразно. Если магнетизм есть проявление той же первичной «силы», другими обличиями которой являются тепло и свет, то почему не предположить, что раскаленная добела проволока аналогичным образом будет «излучать» и магнетизм? Да и не потому ли до сих пор оказывались тщетными все многочисленные попытки обнаружить магнитное действие электричества, что исследователи искали магнетизм «вдоль» пути распространения, электрической силы, в областях, где она сосредоточена? А раз так, то нужно искать расходящийся от раскаленной проволоки, испускаемый ею «поперечный» магнетизм. Ведь недаром же известно, что молнии часто намагничивают стальные предметы даже без «прямого попадания» в них.
Эрстед пишет, что собирался проделать соответствующий опыт перед лекцией и подготовил «очень тонкую» платиновую проволоку, чтобы сильнее раскалялась, но «одно происшествие» помешало ему, и он отложил попытку до другого подходящего случая. Но по ходу лекции, в которой он говорил об аналогии между электричеством и магнетизмом, «перспектива успеха опыта стала казаться ему все более реальной» (действительно, нередко бывает так, что наши мысли претерпевают значительные изменения, когда мы их просто кому-то излагаем, даже не под влиянием реакции слушателя). Первый эксперимент Эрстед провел перед своими студентами. Далее предоставим слово копенгагенскому профессору:
«Магнитная стрелка... дрогнула. Но эффект был очень слабым и до того, как его закон был открыт (имеются в виду последующие эксперименты Эрстеда), должен был представляться весьма нерегулярным. На аудиторию эксперимент сильного впечатления не произвел». В статье, написанной спустя около года после исторической лекции, Эрстед еще добавил: «Все мои слушатели могут засвидетельствовать, что я заранее определил результат опыта».
Подведем итог. При ближайшем рассмотрении случайность открытия Эрстеда выступает в существенно ином свете.
Ученый собрал экспериментальную схему, действуя вполне осмысленно, она отнюдь не «собралась сама собой», в результате случайного расположения приборов. Эрстед поставил себе задачу обнаружить влияние подключенного к батарее провода на магнитную стрелку, находящуюся на некотором расстоянии от этого провода, и такое влияние обнаружил. Если уж говорить о везении, то единственное, в чем ему повезло, так это в том, что в его первом опыте магнитная стрелка и платиновая проволока не были строго взаимно перпендикулярными. Окажись так, стрелка бы, конечно, не шевельнулась, и его первый эксперимент в области электромагнетизма вполне мог стать последним. Конечно, результат опыта оказался для Эрстеда неожиданным. Но основная неожиданность была не в том, что ток подействовал на магнитную стрелку, а в том, что он подействовал каким-то странным образом — стремился повернуть стрелку в ее плоскости вращения.
Так что же, открытие Эрстеда может быть признано вполне закономерным? И такой вывод нельзя признать корректным. Теория, вернее, воззрения, которые Эрстед составил себе о силах природы, довольно закономерным образом привели его к открытию. Но ведь сами-то эти воззрения, как мы знаем, оказались совершенно ошибочными, наивными. Единственное, в чем он был прав, это в своей вере в связь электричества и магнетизма. Но в подобном убеждении Эрстед, как уже говорилось, был далеко не одинок — такого же взгляда придерживались многие физики и философы.
И коснемся еще одного вопроса. Можно ли считать, что открытие электромагнетизма в течение двух десятков лет было буквально «под руками» у множества ученых, располагавших гальваническими батареями? На поверку и этот вопрос оказывается не столь простым.
Прежде всего стоит напомнить, что первые устойчиво работающие гальванические батареи стали появляться лишь к началу 30-х гг. Как известно, при открытии своего знаменитого закона Г. Ом в 1825 — 1827 гг. использовал термоэлектрический источник тока. С вольтовым столбом дело у него не пошло — постоянство тока оказалось совершенно никудышным. Чтобы получить представление о том, как работал вольтов столб — этот «самый замечательный прибор, когда-либо изобретенный людьми, не исключая телескопа и паровой машины» (слова Д. Араго), обратимся к опубликованным в Санкт-Петербурге в 1803 г. профессором физики В. В. Петровым «Известиям о гальвани-вольтовских опытах».
«Теперь нужно еще заметить то, что раскладывание бумажных кружков по металлическим для баттереи (так тогда писали), состоящей из нескольких десятков или сот слоев, должно начинать за четверть часа или по крайней мере за час перед самым ее употреблением: поелику иначе многие бумажные кружки, на и паче в летнее теплое время... высыхают. Но что касается до баттереи, состоящей из нескольких тысяч пар, то раскладывание мокрых бумажных кружков по металлическим должно пяти, шести и больше человекам начинать часа за два перед употреблением батареи». И ещё Петров сообщает, что с таким трудом приведенная в действие «баттерея» может проработать всего несколько часов, после чего для ее «реанимации» требуется огромная и нудная работа по ее разборке, чистке и повторной сборке.
В общем, на уровне 1820 г. «гальвани-вольтовские» опыты, особенно с достаточно сильными токами, были отнюдь не просты. Подготовленные к работе батареи стремились беречь, не расходовать понапрасну. Поэтому эксперименты старались планировать заранее и опытов что называется «наобум» избегали. В этой связи можно полагать, что запланированность первого опыта Эрстеда явилась весьма благоприятным обстоятельством.
Почему же столь стойкой и распространенной оказалась версия о том, что главным действующим лицом в открытии великого датчанина был слепой случай? Мы не будем анализировать этот весьма интересный вопрос — для этого потребовалось бы слишком много места. Коротко расскажем лишь об одном эпизоде.
Младшим современником Эрстеда был его тезка — знаменитый сказочник Ханс Кристиан Андерсен (1805 — 1875 гг.). Вспоминая об ученом,принявшем в его нелегкой судьбе трогательное участие, Андерсен писал: «Я всегда так ясно возвращаюсь в мыслях и восстанавливаю в душе любимого и славного Эрстеда; в самые мрачные часы безрассудства и отчаяния он был тем, кто поддерживал меня...»
В 1847 г. Андерсен сочинил теперь хорошо известную сказку-притчу «Тень» (по ее мотивам написал в 1940 г. одноименную пьесу советский драматург Е. Л. Шварц). Герои сказки — знаменитый, мудрый и благородный ученый и его тень — олицетворение лжи, коварства и жестокости. Идея произведения такова: тень становится господином над человеком именно потому, что поступает она аморально, и умело и низко интригует.
Существует мнение, что прообразом великодушного ученого послужил для Андерсена Эрстед, а тени — некто Ханстин. Норвежский (а Норвегия отделилась от Дании в 1814 г.) физик К. Ханстин (1784 — 1873 гг.) был учеником и, как считали, другом Эрстеда, которому нередко ассистировал в экспериментах. Ханстин специализировался в области земного магнетизма и был хорошо известен в Европе — до 1820 г. его, скорее всего, даже ставили намного выше, чем Эрстеда.
Именно Ханстин своим ставшим широко известным письмом М. Фарадею (это письма было написано спустя несколько лет после смерти Эрстеда) в огромной мере способствовал утверждению теории слепого случая. Его письмо по небрежности или преднамеренно искажало историю открытия электромагнетизма.
Если верно, что прообразы героев андерсеновской «Тени» Эрстед и Ханстин, то вся эта история оказывается несколько сродни гениально изображенной А. С. Пушкиным коллизии Моцарт — Сальери, столкновению гениальности и благородства со зловещим комплексом бездушного профессионализма и коварной завистливости. Однако едва ли эта связь андерсеновского сюжета с историей электромагнетизма есть нечто большее, чем еще один вольный домысел (хотя вполне возможно, что высокие человеческие качества Эрстеда в какой-то мере нашли свое отражение в сказочном образе ученого). В самом деле, печальная история заканчивается полной победой тени, унижением и трагической смертью ученого. Но написана сказка еще при жизни Эрстеда — ему было тогда 70 лет. И если бы Эрстед действительно был прообразом несчастного героя, расценить притчу нельзя было бы иначе как вопиющую бестактность в отношении почитаемого им и всей Данией великого ученого. А такое никак не вяжется со всем деликатным и светлым обликом знаменитого сказочника.
Да и жизнь Эрстед прожил вполне счастливую. Так что наводить тень на андерсеновскую «Тень» наверняка не стоит.
А что касается Ханстина... Тут вопрос остается открытым.
Добавить комментарий