Запланированная случайность
Давид Шарле , Хасапов Борис
Неординарным был путь к этому открытию. Около сотни лет блуждали ученые многих стран рядом с истиной, но случилось то, что случилось. Наш рассказ о том, как неудачные гипотезы далеко уводят исследователей от истины и в то же время нелепые предположения приводят к блестящим результатам, подтверждая положения такой науки, как логика, что из неправильных предпосылок можно прийти к правильным результатам.
В 1600 г. родоначальник науки об электричестве врач У. Гильберт, предложил вещества, обладающие свойством привлекать притяжением к себе другие тела, разделить на две категории — тела электрические и магнитные как обладающие кардинально разными свойствами. Натертые электрические тела притягивали к себе большинство из известных веществ (вернее, их частички), в то время как магнитные притягивали только железо и его руды. В науке такая классификация прижилась и никаких возражений не встречала.
Однако на протяжении двухсот лет при изучении этих явлений, а изучались они интенсивно, было замечено, что иногда свойства тел проявляются вместе. И даже более того, исследователи стали понимать, что электрические явления вызывают магнитные. Это был настолько очевидный факт, что он вошел в учебники физики того времени как само собой разумеющийся. Приведем несколько цитат из разных авторов и разных времен.
1. «Неоднократно было замечено, что молния, падая вблизи компаса, совершенно меняет его направление» /П. Мюссенбрук. Голландия, 1729 г./.
2. «Магнетизм — не что иное, как действие электрической материи» /Д’Алибар. Франция. 1752 г./.
3. «Разряжение батареи, проведенное через стальную стрелку, оную намагничивает» /Г. Адамс. Англия, 1784 г./.
4. «Железо и сталь становятся от молнии или от сильной искры намагниченными» /Г.К. Лихтенберг. Германия, 1789 г./.
5. «Молния делает железо магнетическим и тоже производит искусственное электричество» /А. Стойкович. Россия, 1810 г./.
Таких примеров можно привести множество. Интересно отметить, что некоторые ученые даже специально намагничивали компасные иглы электричеством. Вот что пишет в 1750 г. из Америки Б. Франклин: «Посредством электричества нам (здесь, в Филадельфии) часто удавалось сообщать иголкам полярность и изменять ее на противоположную» [2].
Можно задаться вопросом: что нужно было еще сделать, чтобы открыть магнитные проявления электричества? Ведь они открыты и с давних пор являются достоянием всех естествоиспытателей!
И все-таки ответ на этот вопрос существует. Суть его в том, что ученые описываемого периода неправильно объясняли явления, происходящие в металлических проводниках при электрических и грозовых разрядах. Для того чтобы понять это, обратимся к истории возникновения лейденской банки.
Один из первых электризаторов, испытавших на себе действие электрического разряда от этого устройства, лейпцигский профессор И.Г. Винклер так описал действительно неизгладимое впечатление, произведенное на него. «Я занимался рука была поражена ударом с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии. Несмотря на то что сосуд, сделанный из тонкого стекла, не разбивается и кисть руки обычно не смещается при таком потрясении, тем не менее локоть и все тело поражаются столь страшным образом, что я не могу выразить словами. Я думал, что все кончено» [3].
Опыт Винклера повторяли многие.
Экспериментаторы заявляли, что при электрическом разряде через их тело они испытывали страшное «потрясение». То же самое утверждают и наши современники, попав под повышенное напряжение. «Меня трясло», — говорят они. Физики того времени посчитали, что такое же «трясение» испытывают не только живые существа, но и металлические проводники, через которые течет электричество. Вот именно это заблуждение и явилось причиной столь запоздалого открытия, совершенного Эрстедом.
Дело в том, что вплоть до XIX в технологиях изготовления магнитов для нужд науки и мореплавания существовало всего два способа. Один — натиранием стали или железа магнитами и другой — с использованием магнетизма Земли.
Вот как описывал магнитных дел мастер изготовление магнитов вторым способом: «Главное средство состоит в возбуждении магнитной силы посредством ударений. Для сего я употреблял мягкую сталь. Я брал стальную кочергу или прут, держал оный в вертикальном положении и тихо ударял сей прут по нескольку раз, что доставляло оному магнитную силу» [4].
Учитывая эти факторы, ученые того времени легко могли представить себе картину, как электрический разряд, проходя, например, по стальной игле, сотрясает ее в магнитном поле Земли, отчего она и намагничивается.
Вот что писал российский академик Ф.У. Эпинус, кстати, отважившийся подготовить мемуар «О сходстве электрической силы с магнитною».
«Без сомнений (! — Б.Х.), к числу тех причин, которые могут сильнейшим образом потрясти мельчайшие частицы железа, относится электрическая молния, либо произведенная при помощи лейденской банки, либо вырывающаяся из облака, чреватого громом. Утверждая это, я не сомневаюсь, что получу одобрение всех тех, которые когда-либо подвергали свое тело так называемому электрическому потрясению. Нетрудно понять, почему получается так, что железные предметы довольно часто становятся магнитными» [5].
Однако, невзирая на всю категоричность заявлений Эпинуса, в нем присутствует и доля скепсиса. «Как мне кажется, из сказанного выше ясна причина того, что благодаря электричеству железные проволоки могут стать магнитными; поэтому нет нужды искать какую-либо другую причину; по-видимому, ошибаются те, которые считают, что этот опыт бросает некий свет на таинственную связь между электричеством и магнетизмом. Но я готов признать, что этот вопрос заслуживает нового рассмотрения путем опытов».
Из заявления выдающегося электризатора следует, что все-таки существовали сомневающиеся и среди коллег-ученых, да и сам он хотел опытов, которые сделают его «взгляд совершенно несомненным или (чегго ложность».
С развитием науки об электричестве и появлением вольтова столба возможности исследователей расширились. За дело взялись сотни энтузиастов. Среди них был и Х.К. Эрстед (14.08.1777 — 09.03.1851). Ему было предопределено сделать открытие, потрясшее ученый мир, как разряд лейденской банки.
Странички биографии ученого
Начало жизнеописания Ханса Кристиана Эрстеда не предвещает ничего неординарного. Родился он на одном из многочисленных островов Дании в семье аптекаря. Его первоначальное образование даже нельзя назвать домашним. Немец-парикмахер обучает его немецкому языку и первым действиям арифметики – сложению и вычитанию (других парикмахер не знал). Чтение и письмо мальчик осваивает с помощью жены парикмахера. Делению научил его местный пастор, а городской судья давал уроки французского языка. Среди других его учителей можно найти недоучку-студента и просто старших товарищей по играм.
С одиннадцати лет Ханс Кристиан уже помогает отцу в аптеке, где у него пробуждается интерес к естественным наукам и возникает желание поступить в университет.
Университет в столице Дании Копенгагене основан еще в 1478 г., но общеобразовательная культура его весьма низка. Достаточно сказать, что с начала ХVIII века кафедра физики в нем была ликвидирована с той целью, чтобы усилить курс богословия [6].
Тем не менее в 1794 г. Эрстед в качестве абитуриента выезжает в Копенгаген и целый год готовится к экзаменам, которые затем успешно выдерживает. По окончании трехлетнего обучения в университете Эрстед получает звание фармацевта высшей ступени. Впрочем, слово «высший» ни о чем не говорит. Физику и химию, эти фундаментальные для естествоиспытателя науки, преподавал в университете по совместительству профессор медицины. Вполне понятно, каким был уровень знаний выпускника. Кстати, за время обучения Эрстед получает за свои учебные сочинения – работы по эстетике и медицине – две золотые медали.
Еще в студенческие годы Ханса Кристиана заинтересовали вопросы философии, результатом чего стало появление первой печатной работы «Метафизические основы естествознания Канта» в одном из столичных журналов в 1798 г. Эта работа в расширенном варианте принесла автору (без защиты) степень доктора философии. Отметим данный факт как весьма значимый для истории ... электричества.
Выпускник-фармацевт устраивается временным управляющим одной из модных столичных аптек, но сильное желание преподавательской деятельности приводит его к должности адъюнкта при университете. Ему поручается чтение двух лекций в неделю без оплаты труда. Следовательно, он должен был продолжать работать в аптеке. Эта работа хоть и отвлекала от науки, но позволяла использовать оборудование аптеки в качестве исследовательской лаборатории. Здесь же молодой ученый устраивает себе портативный вольтов столб, чтобы демонстрировать студентам гальванические опыты.
Три года преподавания в университете не проходят даром. Старательный адъюнкт был замечен начальством и отправлен в заграничную командировку для повышения научной квалификации. Сначала Германия, где Эрстед близко знакомится с некоторыми философами и основательно изучает философию природы Шиллинга. Затем Париж,ика Шарля, химика Бертолле, естествоиспытателя Кювье. Большое впечатление на молодого ученого производят студенческие лаборатории Парижской политехнической школы. Ведь в родной Дании таких нет. И вот его вывод: «Сухие лекции без опытов, какие читают в Берлине, не нравятся мне. Все успехи науки должны начинаться с экспериментов». Напомним, что это пишет доктор философии, науки, логические построения которой по традиции стоят на первом месте.
И все-таки именно в Германии произошла встреча командированного ученого с человеком, талант и ум которого оказал глубокое влияние на его научные интересы. Речь идет о «гениальном фантазере» и сумасброде, неординарном физике и химике Иоганне Вильгельме Риттере, принципиальном стороннике натурфилософии Шеллинга, идеи которой заключались в том, что будто бы все силы в природе возникают из одних и тех же источников. Эти положения и заинтересовали Эрстеда.
Молодые ученые, взгляды которых полностью совпадали, проводили не только совместные опыты, но и стали близкими друзьями. Эксперименты проводились по теме связи электричества с другими физическими явлениями. Что было известно об этом науке того времени?
1. Электричество могло производить механическую работу. (Натертый янтарь притягивает легкие тела. Явление известно сотни лет.)
2. Электричество давало свет и звук. (Электрическая искра.)
3. Электричество давало тепло. (Гальваническое раскаливание проволоки.)
4. Электричество можно пробовать на вкус, оно производит другие физиологические действия.
5. Электричество обладает химическим действием. (Здесь помимо опытов по разложению воды Риттер как первооткрыватель прекрасно знает о химическом происхождении гальванизма.)
Все подходило под построение положений философии Шеллинга. Только магнетизм в эти рамки не вписывался. Конечно, железные проводники намагничивались иногда электричеством, но это происходило по понятиям науки ХVIII века от механических проявлений электричества (встряска частиц железа).
Но согласно философским построениям Шеллинга связь между электричеством и магнетизмом должна была существовать, и это требовалось доказать. Вот что записал тогда Эрстед: «Мое твердое убеждение, что великое фундаментальное единство пронизывает природу. После того как мы убедились в этом, вдвойне необходимо обратить наше внимание на мир разнообразия, где эта истина найдет свое единственное подтверждение. Если мы не сделаем этого, единство само по себе становится бесплодным и пустым рассуждением, ведущим к неправильным взглядам».
В 1804 г. Эрстед возвращается в Данию. Но с работой в университете у него не все было ладно. Он не мог рассчитывать на государственную оплачиваемую должность. Однако, после того как Эрстеду было поручено ведать коллекцией физических и химических приборов, принадлежащих королю (понятно, что за деньги), он решается читать частные лекции по физике и химии.
Если учесть, что в Париже он, по его словам, «ежедневно изучавыступлений был понятен. «Мои лекции по химии, – писал начинающий лектор, – привлекают столько слушателей, что не все могут поместиться в аудитории».
Именно этими лекциями Эрстед доказал администрации университета свое право на оплачиваемую штатную должность. В 1806 г. он становится экстраординарным профессором физики, в функции которого входила обязанность экзаменовать кандидатов по философии, а также преподавать физику и химию студентам-медикам и фармацевтам. «Отныне, – писал уже штатный профессор, – я получил привилегию основать физическую школу в Дании, для которой я надеюсь найти среди молодых студентов много талантливых людей».
После этого назначения физика была признана полноправной дисциплиной в Копенгагенском университете. И через сто лет один из его воспитанников Нильс Бор (1855 – 1962) станет одним из создателей современной квантовой физики. А с 1936 г. Американская ассоциация преподавателей, учитывая лекторские таланты Эрстеда, присуждает медаль Эрстеда «За выдающиеся заслуги в преподавании физики» наиболее выдающимся профессорам всех стран мира [7].
В 1812 г. Эрстед снова выезжает за границу – в Берлин и Париж. И там он пишет работу «Исследование идентичности электрических и химических сил», где пытается показать, что магнитный эффект производится электричеством. Эта работа свидетельствует о том, что автор продолжает руководствоваться своей философской концепцией, хотя, по словам историков физики, «эта философия скорее тормозила, чем двигала вперед его научное развитие».
В 1815 г. король Дании предоставил свою коллекцию физических приборов в распоряжение университета. Нетрудно представить себе радость Эрстеда: «Я обладаю теперь прекрасными приборами и могу удачно производить любые эксперименты». Наконец-таки с 1817 г. теперь уже ординарный профессор начинает заведовать кафедрой физики и становится членом правления университета.
Педагогическая нагрузка у Эрстеда была чрезмерно большой. Материальные затруднения вынуждали его брать дополнительную преподавательскую работу сверх основной. Этот факт сыграет свою роль в великом открытии, однако и не мешает экспериментальной работе: «Мои физические исследования идут параллельно моим лекциям».
Ничто не предвещает открытия. В 1818 – 1819 годах Эрстед исследует минералы острова Борнгольм, одновременно читая лекции в университете и подрабатывая вечерами на занятиях с аспирантами. На одном из таких занятий 15 февраля 1820 г. Эрстед демонстрирует слушателям опыт, где магнитная стрелка, подносимая к выводам вольтова столба, не реагирует на электрический заряд полюсов. И тут у него возникает мысль «попытаться установить влияние провода, НАГРЕТОГО электрическим током», на магнит [8]. Эрстед замыкает проводником полюсы вольтова столба и ... Тут свидетельства очевидцев расходятся. Одни говорят, что швейцар института, другие – что один из аспирантов заметил, что в момент замыкания проводом полюсов стрелка находившегося рядом компаса отклонилась (рис.1). Он был занят манипуляциями скручивания проводов. А вот наблюдательный очевидец немедленно доложил об этом лектору. Теперь и сам преподаватель мог убедиться в обнаружившемся феномене.
Так состоялось открытие, к которому уже солидный ученый шел долгие годы.
Эффект легко воспроизводился. И Эрстед решает продолжить исследования в спокойной обстановке – в лаборатории.
Момент истины
Еще с 1817 г. в распоряжении Эрстеда была большая гальваническая батарея, сделанная им совместно со своим другом, советником королевского суда, Эсмархом. Батарея состояла из 20 медно-цинковых пластин, каждая площадью 10 на 10 дюймов, т. е. 650 см2. Эта батарея быстро раскаляла замыкающие ее проволочки. Вскоре экспериментатор заметит, что источник тока может быть и менее мощный, а температура нагретой проволоки не сказывается на результатах опыта.
В опытных изысканиях Эрстеда помимо Эсмарха принимают участие президент Датского королевского общества Влейгель, профессор эстетики Гаух, профессор естественной истории Рейнгардт, химик-органик Цейзе. Впрочем, опыты производил в основном
Эрстед, а последним демонстрировал только те, в которых ему «удавалось наблюдать какое-нибудь замечательное явление» [9].
Для начала Эрстед повторил условия своего лекционного опыта, а затем стал их менять. И вот что обнаружилось. «Если расстояние от проволоки до стрелки не превосходит 3/4 дюйма, отклонение составляет 450. Если расстояние увеличивать, то угол пропорционально уменьшается. Абсолютная величина отклонения изменяется в зависимости от мощности аппарата». (Используя данное сообщение, А.М. Ампер вскоре предложит на его принципе магнитоэлектрический гальванометр, роль которого в развитии электрической науки трудно преувеличить.)
Дальше начались вообще чудеса. Экспериментатор решает проверить действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого берутся проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. И о чудо! Металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, становились как бы магнитными, когда через них протекал электрический ток.
Эрстед стал экранировать стрелку от провода стеклом, деревом, смолой, гончарной глиной, камнями, диском электрофора. Экранирование не состоялось. Стрелка упорно отклонялась. Отклонялась даже тогда, когда ее поместили в сосуд с водой. Последовал вывод: «Такая передача действия сквозь различные вещества не наблюдалась у обычного электричества и электричества вольтаического». Значит, это было не электрическое, а чисто магнитное действие!
Когда соединительную проволоку Эрстед ставил вертикально, то магнитная стрелка совсем не указывала на нее, а располагалась как бы по диаметру окружности с центром по оси проволоки (рис. 2). Исследователь предложил считать действие проволоки с током ВИХРЕВЫМ, так как именно вихрям свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра.
Уже в июне 1820 г. Х.К. Эрстед печатает работу под заголовком: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». В ней ученый пишет резюме: «Основной вывод из этих опытов состоит в
29-04-2015, 05:05