Справедливо считается, что эра электрического тока началась 20 марта 1800 г., когда итальянский физик Алессандро Вольта (1745 — 1827 гг.) направил в Лондонское королевское общество письмо с сообщением об изобретенном им в конце 1799 г. «искусственном электрическом органе». Речь шла, конечно, о ставшем вскоре знаменитым вольтовом столбе, родоначальнике семейства гальванических элементов.
Случайно ли пришел Вольта к своему великому изобретению? Ни в коей мере. В ретроспективном взгляде его путь к успеху представляется последовательным и планомерным.
Электростатикой Вольта заинтересовался в ранней молодости — в 1769 г. он опубликовал свое первое научное сочинение «О притягательной силе электрического огня». Это и не удивительно: середина XVIII века была эпохой повального увлечения электричеством. В 1746 г. была изобретена лейденская банка, в 50-х гг. стали известны замечательные электростатические исследования В. Франклина, в 1759 г. вышел фундаментальный обобщающий труд по электричеству и магнетизму маститого петербургского академика Ф. У. Т. Эпинуса.
Электричеством в эти годы занималось множество профессиональных естествоиспытателей и любителей. В 1781 г., говоря спортивным языком, Вольта мощным рывком ворвался в группу лидеров — он изобрел обладавший по тем временам рекордной чувствительностью конденсаторный электроскоп. Несомненна та важная роль, которую сыграло это изобретение в том, что профессор физики из университета в г. Павия первым финишировал со своим вольтовым столбом.
Другой и, безусловно, важнейшей вехой на пути к вольтову столбу было открытие, сделанное в конце 80-х гг. другим итальянским профессором Луиджи Гальвани (1737 — 1798), преподававшим медицину в университете г. Болонья — километрах в двухстах от Павии.
Общепризнано, что открытие Гальвани великое, однако относительно того, что же открыл болонский профессор, существуют большие разногласия. Но при всех своих различиях многочисленные версии неизменно сходятся между собой в двух аспектах. Первый — открытие было совершенно случайным. Второй — решающую роль в открытии сыграли лягушечьи лапки. Последнее обстоятельство очень часто настраивает рассказчиков на юмористический лад.
Наиболее логичная, а потому и наиболее распространенная версия следующая.
Гальвани подвесил свежепрепарированные лягушачьи лапки на протыкающих их медных крючках к железным перилам балконной решетки. Лапки раскачивались... то ли от сотрясений, то ли от ветра. Ученый заметил, что всякий раз, когда качающаяся лапка задевает железный прут решетки, лягушечьи мышцы, сокращаются, по ним пробегает судорога. Таким образом, на балконе профессора Гальвани случайно «собрался» первый в истории физики гальванический элемент — два разнородных металлических проводника (медь, железо), соприкасающиеся через электролит (жидкость в лягушечьей лапке).
Хотя подлинная история открытия Гальвани неизвестна, все же с уверенностью можно утверждать, что эта логизированная версия совершенно не обоснована. («Логизированными» с оттенком неодобрения называл академик С. И. Вавилов — большой любитель и знаток истории науки — версии, в которых историческое усердно подгоняется под логическое.) Несомненно, ученый замечал подергивания лягушечьих мышц при соприкосновении с разнородными проводниками, но он наблюдал такие подергивания и с однородными проводниками, да и вообще без проводников, для этого он специально изготовил стеклянные инструменты.
В воспроизводившемся сотни раз рассказе об удивительном поведении лягушечьих лапок на балконе сам Гальвани о медных крючках и железной решетке не упоминает. До конца жизни Гальвани оставался убежденным сторонником теории «животного электричества», теории, согласно которой сами мышцы и нервы генерируют электричество без всяких проводников, будь они однородными или неоднородными. И надо сказать, что, действительно, такие эффекты существуют, но к гальваническому элементу они имеют весьма далекое отношение. С течением времени их исследование выросло в целую науку — электрофизиологию. Но тогда, двести лет назад, когда об электрическом токе вообще ничего не было известно, эти значительно более сложные явления только запутывали экспериментаторов.
Но в чем же состоит тогда великое открытие болонского профессора? По-видимому, правильнее всего будет сказать, что Гальвани впервые четко и чрезвычайно впечатляюще продемонстрировал возможность возникновения электрических эффектов без электростатических машин, лейденских банок, атмосферных разрядов и «электрических» рыб. Еще более существенно, что в его опытах впервые был совершен важнейший скачок от мгновенных электростатических разрядов к непрерывному электрическому действию — к электрическому току, как это выяснилось впоследствии. Очень важно также то, что привлекшие всеобщее внимание опыты Гальвани возродили начавший было угасать широкий интерес к изучению электричества.
Какова роль случайности в открытии Гальвани? О происшествии на балконе ученый рассказал сам. Действительно, подергивание лягушечьих конечностей было для него полной неожиданностью. Но почему лапки оказались на балконе?
Профессор не повесил их проветривать или вялить — он проводил опыт, изучал, как они подергиваются при грозовых разрядах. А что натолкнуло его на такое: исследование? Дело в том, что еще раньше Гальвани занимался лапками в комнате, но более привычным для себя делом — их препарированием. На рабочем столе стояла электростатическая машина (это не должно удивлять: в те времена многие медики и экспериментировали с электричеством и исследовали его терапевтическое действие). Далее предоставим слово самому Гальвани: «Я разрезал лягушку... и положил ее без всякого умысла на стол, где стояла электрическая машина, на довольно значительном расстоянии от ее кондуктора (на кондукторе машины при вращении ее диска скапливается заряд. — Б. Я.). Но когда один из моих слушателей приблизил острие скальпеля к бедренному нерву, мышцы всех конечностей вдруг сократились, как от сильной судороги. Другой из присутствовавших утверждал, что это явление произошло лишь тогда, когда кондуктор дал искру. Он очень удивился этому новому явлению и рассказал мне о нем, так как я был занят в это время чем-то совершенно другим. У меня явилось желание тотчас увидеть это новое явление и расследовать его скрытую причину».
Так описывает ученый событие, ставшее, поводом к его знаменитым исследованиям. Слов нет, это происшествие случайное. Но это, пусть и интересное наблюдение, нельзя смешивать с открытием Гальвани. Более того, по существу ничего нового тут не произошло. Мышечные сокращения у животных и людей при электрических ударах были в то время (после изобретения электростатических машин и лейденских банок) хорошо известны. Удивило Гальвани, наверное, только то, что мышцы лягушки сократились до прикосновения скальпеля. На последнее обстоятельство, кстати, четко указано в приведенном отрывке. Но раз касание не обязательно, то интересно посмотреть, не будет ли вызывать, сокращения лягушечьих мышц молния (тогда уже знали, что это тоже электрический разряд). Так лягушечьи лапки оказались на балконе. «Иду на грозу», — с полным основанием мог сказать Гальвани. Во время грозы лапки, как и ожидал ученый, подергивались. Hо грозы бывают не так уж часто. И в ожидании очередного ненастья профессор, как уже говорилось раньше, к своему великому удивлению, заметил, что подергивания возможны без молний. Убедившись в этом, Гальвани вновь перенес опыты в помещение и после длительных исследований пришел к теории «животного электричества».
Вот, собственно, и вся история открытия Гальвани. Случайное в ней тесно переплетается с закономерным — здравой логикой научного поиска. В значительной мере случаен, как это бывает очень часто, сам повод к началу исследований. Но ведь Гальвани интересовался физиологическим действием электричества1 и на его столе стояла электростатическая машина... Позволительно, видимо, полагать, что вероятность случайного воздействия разряда на препарируемую лягушку и всего дальнейшего исследования была достаточно велика.
И была еще одна благоприятная случайность. Лягушки относились к числу любимых объектов исследований Гальвани. А свежепрепарированная лягушечья лапка — великолепный электроскоп. И не только по тем временам. Известно, что когда в конце прошлого века на заре эры радио подыскивали подходящие детекторы радиоволн, снова не без успеха — хоть и кратковременного — были испробованы лягушечьи лапки.
Вольта, разумеется, в числе первых узнал о потрясающих опытах своего соотечественника. В противоположность Гальвани и многим последователям болонского профессора он быстро преодолел гипноз «животного электричества». И вот почему. Чувствительность его электроскопа была хотя и ниже, чем у лягушечьей лапки, но это был автономный измерительный прибор. Гальвани же потому и «увяз» в «животном электричестве», что эта конечность одновременно была у него и индикаторным прибором и входила в состав источника тока. И еще: до того, как ему стало известно об опытах Гальвани, Вольта с помощью своего электроскопа обнаружил электризацию, возникающую при контакте двух разнородных металлов (это явление известно в физике как эффект Вольты).
Результаты своих исследований Гальвани опубликовал в 1791 г. В 1792 году Вольта уже осознает, что дело не в «животном электричестве» — скорее всего, электрическое действие есть результат наличия двух разнородных металлов. Он проделывает опыты вроде того, что часто проделыванием мы, пробуя на язык, не «села» ли батарейка. Он прикладывает к языку два различных соединенных концами металлических проводника — язык не дергается, но возникают характерные вкусовые ощущения. Этот опыт очень легко проделать в домашних условиях — нужно под язык положить, например, полоску конфетной фольги, а сверху к языку прикоснуться серебряной ложкой, соединенной со свободным концом полоски из фольги.
Другой опыт Вольты не столь безобиден. «Я накладываю на глазное яблоко конец оловянного листочка, беру в рот серебряную монету или ложку и затем привожу обе эти обкладки в соприкосновение при помощи двух металлических острий. Этого оказывается достаточным, чтобы тотчас и каждый раз, как производится соприкосновение, получить явление света или молнии в глазу... Из всех этих опытов... никоим образом нельзя заключить о существовании действительного «животного электричества»...»
Наконец, в том же 1792 г, был сделан опыт, продемонстрировавший, что электричество может появляться и без участия живых тканей, «...разные металлы приложены не к животным частям, а к каким-либо влажным предметам, например к бумаге, коже, сукну в т. д., пропитанным водою или, еще лучше, к самой воде».
Нам сейчас трудно понять, почему от этого опыта с реализацией единичного гальванического элемента до изобретения вольтова столба, который был не чем иным, как последовательным соединением 10 — 20 таких элементов, прошло 7 лет. Возможно, много времени и сил отнимала жаркая полемика с Гальвани о природе электричества, продолжавшаяся до смерти последнего в декабре 1798 г.
Путь от опытов Гальвани к вольтову столбу представляется вполне закономерным, что, конечно, ни в коей мере не принижает значения великого научного вклада Вольты, подарившего миру первый источник электрического тока и тем самым открывшего дорогу полезному использованию электричества.
Серьезных соперников, как уже говорилось, у Вольты не было, но близкими вопросами занимались в это время многие, особенно в Германии и Англии. Большинство все-таки склонялось в пользу теории «животного электричества» Гальвани. Экспериментировал с электричеством в это время и знаменитый путешественник и естествоиспытатель Александр Гумбольт (1769 — 1859 гг.). Его точка зрения была особая и еще более далекая от истины — в сокращениях мышц он видел не электрическое действие, а проявление особого агента жизненной силы.
Тем не менее интернациональное научное сообщество трудилось, неспешно продвигаясь в нужном направлении (так, в 90-х гг. появились сообщения о химических эффектах при помещении пар металлических проводников в жидкости), так что открытие гальванического элемента постепенно назревало. Но, конечно, не будь Вольты, дело могло бы существенно затянуться2.
Возникает и еще один интересный вопрос. Обычно в истории физики изобретение Вольты всегда «выводят» как закономерное следствие открытия Гальвани, которое, в свою очередь, в значительной мере случайно. Тем самым наступление эры электрического тока представляется как бы случайным событием. Думается все же, что возможен был и другой путь к гальваническому элементу, что открытие Гальвани оказалось лишь сильнейшим катализатором. (Нужно еще сказать, что в своем письме в Лондон Вольта, помимо знаменитого столба описал и другой вариант источника тока — из соединенных последовательно одинаковых элементов в виде чашки с раствором соли, в который опущены цинковый и серебряный электроды),
При традиционном изложении экспериментальные исследования электростатики, которые в науке нового времени ведут свое начало от трактата У. Гильберта «О магните» (1600 г.), оказываются почти не связанными с историей «гальванизма». (Сначала рассказывают об электростатике, а потом, покончив с ней, переходят к опытам Гальвани). Но ведь это не совсем так. Как уже говорилось, Вольта придумал свой чувствительный электроскоп в 1781 г., а Кулон с помощью изобретенных им прецизионных и также высокочувствительных крутильных весов открыл основной закон электростатики в 1785 г. В 1787 г. английский пастор и конструктор электростатических машин А. Беннет (1750 — 1799 гг.) изобрел электроскоп с двумя золотыми листочками (у Вольты в электроскопе отклонялись соломинки), Гальвани начал свои опыты, видимо, в эти же годы.
Таким образом, «электростатическое приборостроение» постепенно набирало силу, но как индикаторный прибор лягушечья лапка в это время была еще вне конкуренции — это был вынужден констатировать и сам Вольта. Можно полагать, что будь у физиков достаточно чувствительные и точные приборы, они смогли бы обойтись и без «лягушечьих» опытов Гальвани — напомним, что эффект Вольты был открыт до того, как стали известны исследования болонского профессора. А от эффекта Вольты до вольтова столба уже не так далеко. Источником тока или, лучше сказать, электродвижущей силы может быть, как известно, любая пара разнородных проводников, соединенных через прослойку электролита (даже воды, если она не дистиллированная) или прогретых в точке соединения (термопара). Чтобы заметить это, нужен лишь достаточно чувствительный прибор, но такие приборы ко времени описываемых событий только начинали появляться.
Не только внутренняя логика, не только потребности промышленности и общества (на начальном исследовании электричества его использовали разве что для попыток врачевания, да еще в салонных развлечениях) определяют развитие физики. Как это подтверждает сказанное выше, большое значение имеет также общий уровень техники и приборостроения.
В открытии Гальвани важную роль сыграл случай. Это верно. Но верно также и то, что ученый этот случай не упустил, полностью использовал, его работа открыла дорогу Вольте. Кто знает, сколько людей до Гальвани наблюдали подобное явление, но никому не приходило в голову в нем разобраться: мышцы сокращаются — значит, таково уж действие на них электричества. В 1762 г. вышла книга немецкого математика, И. Зульцера «Теория приятных и неприятных ощущений». В трактате, в частности, описывались вкусовые ощущения, возникающие при прикладывании к языку соединенных с одной стороны разнородных металлических проводников. Может быть, займись Зульцер исследованием этих не слишком приятных ощущений, элементы бы теперь назывались не гальваническими, а зульцеровскими. Или дело именно в том, что это был не Гальвани, а Зульцер...
- 1. Впрочем, надо сказать, что проблема животного электричества привлекла к себе внимание физиков и физиологов еще в 70-е гг., когда была осознана далеко идущая аналогия между эффектами, производимыми «электрическими рыбами» и лейденскими банками.
- 2. Английский физик Р. Фоулер в 1793 г. в статье «Эксперименты и наблюдения, касающиеся недавно найденного Гальвани и обычно называемого животным электричества» писал: «Я беру несколько кусков цинка величиной с шиллинг и укладываю их вперемежку с таким же числом настоящих шиллингов в столбик. Подобная установка в некоторых случаях заметно увеличивает раздражение, и некоторое ее видоизменение даст, я надеюсь, еще более сильные явления. Если такой столбик приложить к языку боком так, чтобы язык касался всех сложенных вместе кружков, то раздражение оказывается очень сильным и неприятным». Нетрудно видеть, что столбик Фоулера напоминает вольтов столб — нет «только» смоченных электролитом прокладок между соседними металлическими кружками.
Добавить комментарий