Страница:
Изготовив из магнитного железняка шар - "терреллу" (землицу), Гильберт заметил, что этот шар по магнитным свойствам сильно напоминает Землю. У "терреллы" так же, как у "терры" (Земли), оказались северный и южный полюсы, экватор, изолинии, магнитное наклонение. Эти обстоятельства позволили Гильберту провозгласить Землю "большим магнитом". До Гильберта о магнетизме Земли никто не подозревал, и притяжение южного черного конца магнитной стрелки к северному полюсу Земли объяснялось в средние века тем, что "железо направляется к северным звездам, так как ему сообщна сила полярных звезд, подобно тому, как за солнцем следуют растения, например, подсолнечник".
Гильберт опроверг широко распространенное мнение о влиянии алмазов на магнитные свойства. Он собрал 17 крупных алмазов и в присутствии свидетелей показал, что магниты к алмазам абсолютно безразличны.
Он открыл, что при нагревании магнита выше некоторой температуры его магнитные свойства исчезают: впоследствии эта температура (588°С) была названа точкой Кюри, в честь Пьера Кюри.
Гильберт открыл, что при приближении к одному полюсу магнита куска железа другой полюс начинает притягивать сильнее. Эта идея была запатентована Сименсом лишь через 250 лет после смерти Гильберта.
Гильберт открыл, что предметы из мягкого железа, в течение долгого времени лежащие в одном положении, приобретают намагниченность в направлении север юг.
Гильберт открыл экранирующее действие железа.
Гильберт открыл, что магнит со "шлемом", или "носом", то есть магнит, вправленный в арматуру из мягкого железа, имеет большую подъемную силу.
Гильберт сделал гениальную догадку о том, что действие магнита распространяется подобно свету.
Гильберт многое сделал и открыл. Но... Гильберт почти ничего не смог объяснить. Все его объяснения носят схоластический и наивный характер. Вот, например, как Гильберт объясняет тот факт, что при разрезании одного длинного магнита образуется много коротких, которые имеют первоначальное направление намагничивания и стремятся сохранить прежнее положение в пространстве. Он сравнивает магнит с веткой дерева: "Пусть АВ будет покрытый листвой сучок ивы... А - верхняя часть, В - нижняя, по направлению к корню. Разделили его в С. Я утверждаю, что конец А, снова вставленный в В с соблюдением правил прививки, прирастает к нему; точно так же, если В вставить в А, то они скрепляются друг с другом и дают ростки. Но если D вставить в А или С в В, то они вступают между собой в борьбу и никогда не срастаются, но один конец отмирает вследствие неподходящего и несоответствующего соединения, так как растительная сила, идущая одним путем, теперь оказывается стремящейся в противоположные стороны...".
Кардан в своем трактате "О точности" (1551 г.) за пятьдесят лет до Гильберта указал на различие электрических и магнитных явлений: янтарь притягивает разные вещества, магнит - только железо; экран препятствует распространению электрической силы, но не препятствует распространению магнитной; янтарь не притягивается теми кусочками, которые может притянуть он, а магнит может притянуться железом и т. п. Все эти наблюдения, в общем, неверны, но вывод - справедлив. Он подтверждает точку зрения Д. И. Менделеева: лучше придерживаться гипотезы, которая может со временем оказаться неправильной, чем никакой.
Еще туманней разъяснения Гильберта относительно природы магнетизма. Его ответ сводится к тому, что всему причиной душа магнита. Это в известной мере шаг назад по сравнению с Лукрецием. Извинением великому первооткрывателю может, видимо, служить лишь то, что и с позиций современной квантовой физики притяжение магнита - не такая уж очевидная вещь...
Другим, значительно более серьезным извинением, может служить то, что за словом "душа" у Гильберта иногда ясно слышится слово "поле", иной раз прямо называемое им "сферой действия"4.
"Гильбертом" названа единица напряженности магнитного поля в системе СИ это дань потомков, физиков и инженеров лондонскому врачу, сделавшему благодаря своей любознательности крупнейшие открытия в, казалось бы, очень далекой от него области - физике.
Но за опытами Гильберта по магнетизму порой забывают отметить и другую важнейшую его заслугу - выяснение "взаимоотношений" между магнетизмом и электричеством.
Он был убежденным исследователем. Все время, которое оставалось после "основной работы", он посвящал опытам по электричеству и магнетизму, само слово "электрика" введено в науку Гильбертом.
Слово "электрический" впервые в мире встречается именно в книге Гильберта "О магните"; вот первое в истории употребление слова "электрический":
"Электрические тела - те, которые притягивают таким же образом, как янтарь" (Гильберт. "О магните", глава "Объяснение некоторых слов").
Кстати, читая эту книгу Гильберта, приходишь к интересному выводу о происхождении слова "электричество". Мы уже привыкли считать, что слово "электричество" названо по греческому слову "электрон", что значит янтарь. Но дело-то в том, что янтарь у древних греков имел чуть не десяток названий (об этом пишет французский исследователь Анри Мартин): электрод, электрос, хризэлектрос, хризофорос и т. п. Почему же Гильберт выбрал именно первое название янтаря? Дело, по-видимому, в том, что первое название янтаря образовано от глагола, обозначающего "притягивать", "увлекать".
Этот тезис кажется тем более убедительным, что Гильберт приводит несколько веществ, "электрических тел", способных притягивать, как янтарь:
"Гагат" - разновидность каменного угля;
Сера;
"Ирис" - кристалл кварца;
Стекло;
"Винцентина", "бристольский алмаз" - разновидность кварца;
"Кристалл" - кварц;
"Мышьяк" - минерал;
"Аммонияк" - камедь.
Задача Гильберта была великой - ему предстояло разделить множество известных фактов на логические категории, он первым сумел отделить электрические явления от магнитных.
Отделить, чтобы через двести лет усилиями многих ученых они снова могли быть воссоединены, но уже на новой основе.
Средневековые ученые считали, что все в мире делится на "магниты" и "феамеды".
К "магнитам" принадлежит все, притягивающее друг друга, - магнит и железо, янтарь и пылинки, мужчина и женщина, моллюски-прилипалы и днище корабля, пчела и цветок.
К "феамедам" принадлежит то, что внушает "антипатию" друг к другу, магнит и пламя свечи, одноименные полюсы магнита, женщина и женщина...
И вот Гильберт, отказывая себе в развлечениях и удовольствиях, дорогой ценой одиночества, на собственные деньги проделывает несметное количество экспериментов, в процессе которых приходит к нескольким чрезвычайно важным выводам, один из них - притяжение магнита и янтаря имеет разную природу. Другими словами, Гильберту удалось разделить магнитные и электрические явления на два класса, которые с этих пор стали исследоваться отдельно.
Еще не скоро наступит то время, когда электричество и магнетизм снова соединятся...
Гильберт умер через три года после выхода в свет труда "О магните", умер от чумы.
Через тринадцать лет умирает Шекспир, и еще через семь лет впервые выходит его "Первое фолио" - первое собрание пьес Шекспира.
Обеим книгам суждена была долгая жизнь, полная взлетов и падений, признаний и забвений. И чем дальше в глубь веков уходят воспоминания об их авторах, тем сильнее ощущаем мы гениальность этих людей, вечность истин знания и страстей, провозглашенных ими.
А о творениях их можно сказать шекспировскими строками:
Замшелый мрамор царственных могил
Исчезнет раньше этих веских слов...
Сонет 55
Новый и страшный опыт Мушенбрека
Гильберт открыл довольно много веществ, которые, как и янтарь, могут притягивать мелкие пылинки.
Испробуя эти вещества, десятипудовый любознательный бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике изготовил странную машину: шар из серы, приводимый во вращение. Если шар при вращении придерживать ладонями, на нем скапливается электрический заряд. С помощью шара можно было делать много занятных экспериментов с наэлектризованными предметами. Один из опытов наиболее известен: Герике, пораженный, наблюдает пушинку, притягивающуюся к его носу, а затем отлетающую от него, затем снова притягивающуюся и т. д. Эксперимент забавен, но и чрезвычайно, принципиально важен: раньше считалось, что легкие тела могут только притягиваться наэлектризованными предметами - это даже считалось основным различием электрических и магнитных явлений - ведь известно, что магниты отталкиваются одноименными полюсами.
Другое интересное открытие - электрическая сила обнаружила способность распространяться по "льняной нитке на один локоть" (сравните это первое наблюдение с современными сверхмощными линиями передач!). Еще одно открытие Герике слышал при разряде своих шаров слабый треск и иногда наблюдал слабое свечение.
Опыты Отто фон Герике.
Ему было в то время уже больше шестидесяти, знаменитому магдебургскому бургомистру. Родился он в семье магдебургского патриция в 1602 году, за год до смерти Вильяма Гильберта. Учился в Лейпциге, потом в Иене занимался юриспруденцией. Потом отправился в Голландию, в Лейден, где увлекся физикой, математикой, фортификацией и другими точными науками. Потом - ,в Англию. Потом - во Францию. Вернулся на родину в двадцать пять лет, женился, родил трех сыновей, был назначен охранителем и военачальником Магдебурга. Время было бурное, Магдебург переходил из рук в руки. Приходилось иной раз и улепетывать от противника, оставляя на разграбление дом, на верную смерть - слуг. Пришлось однажды и самому попасть в руки неприятеля, но... откупился, жизнь Отто фон Герике была оценена в триста талеров.
Был он и генерал-квартирмейстером, и строителем, и дипломатом. Сорока четырех лет избран бургомистром родного Магдебурга и на досуге занялся науками. Ему было около пятидесяти, когда он прославился своими "магдебурскими полушариями". (Пустые полусферы, которые не могли растащить десять лошадей.)
Шестидесяти лет он окончил книгу, посвященную физическим опытам. Книга эта печаталась десять лет и вышла как раз к семидесятилетию автора. Через шесть лет он добивается отставки, а еще через три года умирает от чумы.
Книга и "шары Герике" получили очень широкое распространение по всей Европе. Используя его открытие, другие исследователи смогли заметить новые, ранее никогда не наблюдавшиеся свойства электричества.
Один из ярких случаев произошел в 1745 году в Лейдене. Богач Кюнеус, ученик Питера ван Мушенбрека, использовал машину Герике для того, чтобы "зарядить электричеством" воду в стеклянной колбе, которую держал в ладонях. Зарядка осуществлялась при помощи цепочки, подсоединенной к машине. Цепочка спускалась через горлышко колбы в воду. Когда, по мнению Кюнеуса, зарядка была окончена, он решил убрать цепочку - вынуть ее рукой из сосуда. И тут он получил такой страшный электрический удар, что чуть не скончался.
Лейденский профессор Мушенбрек (Мушенброк, Мушенброек, Мушенбрюк, Мушенбрук), который оспаривает часть открытия лейденской банки у своего студента, пишет об аналогичном ощущении так:
Немецкий ученый Клейст в 1745 году доложил Берлинской академии наук о своих опытах с "медицинской банкой". Несправедливость: Клейста все забыли, и открывателями "лейденской банки" считаются Кюнеус и Мушенбрек.
"Хочу сообщить вам новый и страшный опыт, который никак не советую повторять. Я делал некоторые исследования над электрической силой и для этой цели повесил на двух шнурах из голубого шелка железный ствол, получавший, через сообщение, электричество от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и натирался прикосновениями рук. На другом конце свободно висела медная проволока, конец которой был погружен в круглый стеклянный сосуд, отчасти наполненный водой, который я держал в правой руке, другой же рукой я пробовал извлечь искры из наэлектризованного ствола. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии. Сосуд, хотя и из тонкого стекла, обыкновенно сотрясением этим не разбивается, но рука и все тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу, одним словом, я думал, что пришел конец..."
Выяснилось, что в сосудах того типа, о котором пишет Мушенбрек, электричество может накапливаться в весьма значительных количествах. Так была открыта прославленная впоследствии "лейденская банка" - простейший конденсатор.
Новость о лейденской банке с большой скоростью распространилась по Европе. Мушенбрек, и до того известный, стал лейденской достопримечательностью. С ним, в частности, познакомился Петр Великий, когда работал на верфях в Голландии. Позже Петр приказал для новой Академии наук различные приборы именно Мушенбреку "сделать повелеть". Однако Мушенбрек не был ученым высокого класса. Его представления о мире можно проследить по его курсу физики. Курс был составлен из 42 разделов, самых разнокалиберных:
Рисунок XVII века: первые опыты с лейденской банкой.
О фонтанах. О зрении. О метеорах. О ветрах. Ему не хватало широты взглядов, способности к обобщению. Может быть, этим можно объяснить, что он вошел в историю не как великий физик, а как человек, одним из первых испытавший на себе электрический удар лейденской банки: "...ради французской короны я не согласился бы еще раз подвергнуться столь жуткому сотрясению...".
Итак, новость о лейденской банке с быстротой электрического удара начала распространяться по Европе и не слишком просвещенной тогда Америке. В лабораториях, аристократических салонах, на ярмарках ставились удивительные опыты, неприятные, забавные и волнующие одновременно.
Французская столица, разумеется, не могла остаться в стороне от "лейденского поветрия". Семьсот парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах взялся за головку банки, все семьсот монахов, сведенные одной судорогой, вскрикнули с ужасом.
Сто восемьдесят королевских мушкетеров тоже провели перед королем подобный опыт в Версале. Даже гвардейская дисциплина оказалась бессильной перед ударом лейденской банки: "Первый держал в свободной руке банку, а последний извлекал искру; удар почувствовался всеми в один момент. Было очень курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части получающих удар".
Провел этот эксперимент придворный "электрик" короля, специально ведавший различными электрическими увеселениями, аббат Нолле.
Несмотря на неприятное ощущение, тысячи и тысячи людей хотели подвергнуться эксперименту.
Изготавливались новые банки, все более мощные.
Лейденская банка стала непременным атрибутом электрических исследований. С ее помощью получали крупные электрические искры - иной раз до нескольких сантиметров.
Электрические опыты приобрели необыкновенную популярность. Иной раз даже кажется, что они были в те времена одним из изысканнейших развлечений.
Целые представления, занимательные, чуть не театральные зрелища, разыгрывались перед восторженными зрителями.
Лекторы, а может быть, вовсе не лекторы, а послы новой эпохи, искусители душ, воспламенители сердец глашатаями новых открытий разъезжали по свету, оставляя повсюду яркие воспоминания о необычных опытах и, как выразился бы один наш известный профессор, "ощущение интеллектуального дискомфорта".
Зрители уходили с представлений взволнованные. Несомненно, рано или поздно среди них должен был оказаться человек, на которого опыты произведут более глубокое впечатление, чьи скрытые дотоле силы будут разбужены вдруг неприятным ударом лейденской банки, кому суждено увидеть больше, чем другим...
Этого не произошло ни в Лейдене, ни в Санкт-Петербурге, ни в Париже, ни в Женеве, ни в Лондоне. Это произошло в далекой Америке.
Eripit Coelo fulmen scemprumgue tyrannis5
Итак, шел 1747 год... По городам и селениям Европы и Нового Света разъезжали предприимчивые эмиссары-экспериментаторы, совершающие "электрические чудеса". Они воспламеняли спирт, убивали цыплят, вызывали странный свет в темноте.
Особенно кстати пришлись эти представления в Америке, где до тех пор основными развлечениями были распродажи да скачки. Колонисты валом валили на представления некоего доктора Спенсера, проделавшего долгий путь из Глазго до Бостона для того, чтобы показать американцам новые электрические опыты и немало заработать на этом.
Шел 1747 год... На лекцию по электричеству в Бостоне попал средних лет джентльмен, высокий, импозантный, прекрасно сложенный, окруженный друзьями и почитателями.
Завороженный, смотрел он на синие электрические искры, со смешанным чувством прикасался к оголенным кондукторам большой лейденской банки, жадно вдыхая пахнущий озоном воздух.
Этим человеком был Бенджамен Франклин. Трудно себе представить более выдающуюся и популярную личность своего времени. Он, пятнадцатый ребенок мелкого ремесленника, родился в 1706 году в Бостоне, жил 84 года и занимался физикой всего лишь семь лет - с 1747 по 1753 год.
Франклин ввел в науку понятие положительного и отрицательного электричества. Когда мы пользуемся словами "батарея", "конденсатор", "проводник", "заряд", "разряд", "обмотка", мы вряд ли помним о том, что Франклин первым дал названия всем этим вещам.
В последние годы своей жизни Франклин стал одной из выдающихся фигур политической жизни Америки, активным борцом за освобождение Америки от колониального ига Англии.
В двадцать семь лет он, помимо всего прочего, был популярнейшим писателем Америки. Его "Бедный Ричард" выдержал бессчетное количество изданий. "Я мог бы попытаться вызвать к себе добрые чувства, провозгласив, что я пишу эти выпуски не для чего иного, как для блага общества; но это было бы неискренне, и кроме того, современники мои слишком умны для того, чтобы быть обманутыми таким образом... Истина же в том, что я крайне беден, а издатель обещал мне значительную часть выручки...", - откровенно писал Франклин по поводу своей писательской деятельности.
Бенджамен Франклин.
"Альманах Бедного Ричарда" был чем-то вроде календаря, содержащего практические советы, изречения (типа "нельзя заставить пустой мешок держаться прямо", "своим можешь назвать лишь то, что съел") и занимательные рассказы. Образ бедного Ричарда - "полуголодный ученый старикан, допекаемый своей сварливой женой, рассуждающий о пользе бережливости, подмигивающий молоденьким женщинам" - оказался необычайно популярным и жизненным. "Альманах" издавался около тридцати лет. Для нас во всем этом, помимо иллюстрации высокого "общего уровня таланта" Франклина, важно и то, что "Альманах", так же как и издававшаяся им же "Пенсильванская газета", дали Франклину возможность разбогатеть и к сорока годам "отдалиться от дел". Наличие свободного времени и денег немало способствовали успехам Франклина в области электричества.
Франклин был обаятельнейшим, образованнейшим человеком своего времени. Веселый и жизнерадостный, атлетически сложенный, Франклин всегда окружен интересными и влиятельными людьми - дипломатами, принцами, учеными и очаровательными женщинами.
Но вернемся к семи "электрическим" годам из жизни Франклина, точнее, к тем из них, которые были связаны с доказательством электрической природы молнии.
После случайно прослушанной популярной лекции Франклин, решив систематизировать все, что он узнал от других и понял сам, развил довольно простую, но стройную и, как впоследствии оказалось, правильную теорию статического электричества и его передачи от одного тела к другому - ту самую теорию, которую мы проходим в школе, впервые знакомясь с электричеством. Сейчас мы сделали бы лишь одну поправку к этому учению - Франклин наугад принял, что то тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно. Тело, теряющее электричество ("электрическую жидкость" по терминологии Франклина), заряжается отрицательно. Мы знаем сейчас, что носителем электричества в проводниках является отрицательно заряженный электрон. Поэтому наэлектризованное тело, на наш взгляд, должно быть признано отрицательным. Естественно, что Франклин не мог предугадать этого, и для того, чтобы не ломать установившиеся со времени Франклина представления, сейчас направление тока (от "плюса" к "минусу") принимают обратным направлению происходящего в действительности процесса - движения электронов.
Франклин вдохновенно творил новую теорию. Идеи вытекали друг из друга, обретали мелодию, гармонию, изящно модулировали и образовали, наконец, блестящую симфонию статического электричества. Атмосферу необыкновенной легкости, игры, но игры, в тайных закоулках которой могут скрываться великие открытия, атмосферу, в которой творил он свою теорию, передал Бенджамен Франклин в одном из своих писем к английскому другу:
"Ввиду того, что наступает жаркая погода, когда электрические опыты доставляют мало удовольствия, мы думаем покончить с ними на этот сезон, завершив все довольно веселым пикником.
На берегах реки Скулкилл искра, переданная с одного берега на другой без какого-либо проводника, кроме воды, зажжет одновременно на обоих берегах реки спиртовки (этот опыт, к изумлению многих видевших его, мы уже проделывали некоторое время тому назад)... Индейка к нашему ужину будет умерщвлена электрическим ударом и зажарена на электрическом вертеле огнем, зажженным наэлектризованной банкой; мы выпьем за здоровье всех известных физиков... из наэлектризованных бокалов под салют орудий, стреляющих от электрической батареи"6.
Теория статического электричества помогла Франклину сделать сенсационное открытие - он первым доказал, что молния, с грохотом прорезающая небо, и искра, полученная с помощью лейденской банки, это одно и то же явление, только в разных масштабах.
Нельзя сказать, что такая аналогия была очень уж новой. Еще великий Ньютон писал в одном из своих писем в 1716 году:
"Тот, кто копается в глубоких шахтах знания, должен, как и всякий землекоп, время от времени подниматься на поверхность подышать чистым воздухом. В один из таких промежутков я и пишу вам... Я много занимался замечательными явлениями, происходящими, когда приводишь в соприкосновение иголку с кусочком янтаря или смолы, потертой о шелковую ткань. Искра напомнила мне молнию в малых размерах..."
Но "напомнила" - это еще не доказательство. Нужно было очень ясно представить себе электрические процессы, происходящие в атмосфере, чтобы сделать решающий шаг - поставить ясный эксперимент, со справедливостью доказывающий, что молния и искра - одно и то же.
...О нежные воспоминания детства! Призрачный и светлый мир, населенный умными, добрыми существами, большими яркими цветами, бабочками и стрекозами! Мир, где наслаждаются самым обычным: небом, облаками, запахами с такой остротой, которая, быть может, придет во всей последующей жизни лишь несколько раз. О, как прекрасен и ярок мир, который мы в спешке взрослых будней не успеваем заметить...
В один из незабываемых дней своего детства великий Франклин, тогда еще мальчик Бен, смастерил с помощью взрослых белоснежное трепещущее чудо, стремящееся при малейшем ветре выпорхнуть из тонких детских рук на свободу, в высокие голубые глубины, где хозяин лишь ветер, теплым потокам которого должен повиноваться новый воздушный змей. Тонкая, но прочная веревка с палкой (чтобы крепко держать вырывающийся змей) - все, что связывает маленького Бена с большим белым парусником - или птицей? - неслышно несущимся где-то высоко впереди. Бен бежит за ним по улочкам, выбегает на зеленый луг, полный травы, цветов и пчел; но корабль несется выше и дальше, и некогда Бену отдохнуть, перевести дух. Он бежит по колено в траве, обнаженное тело омывается теплым летним воздухом, а впереди препятствие - пруд. Безрассудность детства? Бен в пруду, в руках - крепко зажатая палка с веревкой. Бен переворачивается на спину, и вдруг начинает плавно скользить по поверхности воды, влекомый воздушным парусником; опасный и невыразимо приятный для Бена эксперимент, к счастью, благополучно окончился на другом берегу пруда...
Это детское воспоминание Франклина, "отнявшего молнию у небес и власть у тиранов", по выражению его биографа Тюрго, конечно же, сыграло свою роль в осуществлении знаменитых франклиновских экспериментов с воздушным змеем.
"Когда змей и веревка намокнут от дождя и вследствие этого станут проводить электричество, - писал Франклин, - то поток его обильно исходит из ключа при приближении суставов пальцев. От него можно зарядить банку. Электрическим огнем, полученным таким образом, можно зажечь спирт и сделать все опыты, совершаемые обычно с натираемым шаром или трубкой. Этим полностью доказывается тождество электрического вещества с веществом молнии".
Здесь уже не Ньютоновское "напоминает". Франклин определенно указывает, что "вещество молнии" и "вещество электричества" "тождественны". Интересно заглянуть, так сказать, в "творческую лабораторию" Франклина, пришедшего к этому выводу. Вот что писал он 1 ноября 1749 года:
"Электрическая жидкость имеет с молнией следующее сходство: 1. Дает свет. 2. Тот же цвет света. 3. Ломаное направление. 4. Быстрота движения. 5. Проводится металлами. 6. Создает треск или шум при взрыве. 7. Встречается в воде или во льду. 8. Разрывает предметы, через которые проходит. 9. Убивает животных. 10. Плавит металлы. 11. Зажигает легко воспламеняющиеся вещества. 12. Серный запах".
Гильберт опроверг широко распространенное мнение о влиянии алмазов на магнитные свойства. Он собрал 17 крупных алмазов и в присутствии свидетелей показал, что магниты к алмазам абсолютно безразличны.
Он открыл, что при нагревании магнита выше некоторой температуры его магнитные свойства исчезают: впоследствии эта температура (588°С) была названа точкой Кюри, в честь Пьера Кюри.
Гильберт открыл, что при приближении к одному полюсу магнита куска железа другой полюс начинает притягивать сильнее. Эта идея была запатентована Сименсом лишь через 250 лет после смерти Гильберта.
Гильберт открыл, что предметы из мягкого железа, в течение долгого времени лежащие в одном положении, приобретают намагниченность в направлении север юг.
Гильберт открыл экранирующее действие железа.
Гильберт открыл, что магнит со "шлемом", или "носом", то есть магнит, вправленный в арматуру из мягкого железа, имеет большую подъемную силу.
Гильберт сделал гениальную догадку о том, что действие магнита распространяется подобно свету.
Гильберт многое сделал и открыл. Но... Гильберт почти ничего не смог объяснить. Все его объяснения носят схоластический и наивный характер. Вот, например, как Гильберт объясняет тот факт, что при разрезании одного длинного магнита образуется много коротких, которые имеют первоначальное направление намагничивания и стремятся сохранить прежнее положение в пространстве. Он сравнивает магнит с веткой дерева: "Пусть АВ будет покрытый листвой сучок ивы... А - верхняя часть, В - нижняя, по направлению к корню. Разделили его в С. Я утверждаю, что конец А, снова вставленный в В с соблюдением правил прививки, прирастает к нему; точно так же, если В вставить в А, то они скрепляются друг с другом и дают ростки. Но если D вставить в А или С в В, то они вступают между собой в борьбу и никогда не срастаются, но один конец отмирает вследствие неподходящего и несоответствующего соединения, так как растительная сила, идущая одним путем, теперь оказывается стремящейся в противоположные стороны...".
Кардан в своем трактате "О точности" (1551 г.) за пятьдесят лет до Гильберта указал на различие электрических и магнитных явлений: янтарь притягивает разные вещества, магнит - только железо; экран препятствует распространению электрической силы, но не препятствует распространению магнитной; янтарь не притягивается теми кусочками, которые может притянуть он, а магнит может притянуться железом и т. п. Все эти наблюдения, в общем, неверны, но вывод - справедлив. Он подтверждает точку зрения Д. И. Менделеева: лучше придерживаться гипотезы, которая может со временем оказаться неправильной, чем никакой.
Еще туманней разъяснения Гильберта относительно природы магнетизма. Его ответ сводится к тому, что всему причиной душа магнита. Это в известной мере шаг назад по сравнению с Лукрецием. Извинением великому первооткрывателю может, видимо, служить лишь то, что и с позиций современной квантовой физики притяжение магнита - не такая уж очевидная вещь...
Другим, значительно более серьезным извинением, может служить то, что за словом "душа" у Гильберта иногда ясно слышится слово "поле", иной раз прямо называемое им "сферой действия"4.
"Гильбертом" названа единица напряженности магнитного поля в системе СИ это дань потомков, физиков и инженеров лондонскому врачу, сделавшему благодаря своей любознательности крупнейшие открытия в, казалось бы, очень далекой от него области - физике.
Но за опытами Гильберта по магнетизму порой забывают отметить и другую важнейшую его заслугу - выяснение "взаимоотношений" между магнетизмом и электричеством.
Он был убежденным исследователем. Все время, которое оставалось после "основной работы", он посвящал опытам по электричеству и магнетизму, само слово "электрика" введено в науку Гильбертом.
Слово "электрический" впервые в мире встречается именно в книге Гильберта "О магните"; вот первое в истории употребление слова "электрический":
"Электрические тела - те, которые притягивают таким же образом, как янтарь" (Гильберт. "О магните", глава "Объяснение некоторых слов").
Кстати, читая эту книгу Гильберта, приходишь к интересному выводу о происхождении слова "электричество". Мы уже привыкли считать, что слово "электричество" названо по греческому слову "электрон", что значит янтарь. Но дело-то в том, что янтарь у древних греков имел чуть не десяток названий (об этом пишет французский исследователь Анри Мартин): электрод, электрос, хризэлектрос, хризофорос и т. п. Почему же Гильберт выбрал именно первое название янтаря? Дело, по-видимому, в том, что первое название янтаря образовано от глагола, обозначающего "притягивать", "увлекать".
Этот тезис кажется тем более убедительным, что Гильберт приводит несколько веществ, "электрических тел", способных притягивать, как янтарь:
"Гагат" - разновидность каменного угля;
Сера;
"Ирис" - кристалл кварца;
Стекло;
"Винцентина", "бристольский алмаз" - разновидность кварца;
"Кристалл" - кварц;
"Мышьяк" - минерал;
"Аммонияк" - камедь.
Задача Гильберта была великой - ему предстояло разделить множество известных фактов на логические категории, он первым сумел отделить электрические явления от магнитных.
Отделить, чтобы через двести лет усилиями многих ученых они снова могли быть воссоединены, но уже на новой основе.
Средневековые ученые считали, что все в мире делится на "магниты" и "феамеды".
К "магнитам" принадлежит все, притягивающее друг друга, - магнит и железо, янтарь и пылинки, мужчина и женщина, моллюски-прилипалы и днище корабля, пчела и цветок.
К "феамедам" принадлежит то, что внушает "антипатию" друг к другу, магнит и пламя свечи, одноименные полюсы магнита, женщина и женщина...
И вот Гильберт, отказывая себе в развлечениях и удовольствиях, дорогой ценой одиночества, на собственные деньги проделывает несметное количество экспериментов, в процессе которых приходит к нескольким чрезвычайно важным выводам, один из них - притяжение магнита и янтаря имеет разную природу. Другими словами, Гильберту удалось разделить магнитные и электрические явления на два класса, которые с этих пор стали исследоваться отдельно.
Еще не скоро наступит то время, когда электричество и магнетизм снова соединятся...
Гильберт умер через три года после выхода в свет труда "О магните", умер от чумы.
Через тринадцать лет умирает Шекспир, и еще через семь лет впервые выходит его "Первое фолио" - первое собрание пьес Шекспира.
Обеим книгам суждена была долгая жизнь, полная взлетов и падений, признаний и забвений. И чем дальше в глубь веков уходят воспоминания об их авторах, тем сильнее ощущаем мы гениальность этих людей, вечность истин знания и страстей, провозглашенных ими.
А о творениях их можно сказать шекспировскими строками:
Замшелый мрамор царственных могил
Исчезнет раньше этих веских слов...
Сонет 55
Новый и страшный опыт Мушенбрека
Гильберт открыл довольно много веществ, которые, как и янтарь, могут притягивать мелкие пылинки.
Испробуя эти вещества, десятипудовый любознательный бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике изготовил странную машину: шар из серы, приводимый во вращение. Если шар при вращении придерживать ладонями, на нем скапливается электрический заряд. С помощью шара можно было делать много занятных экспериментов с наэлектризованными предметами. Один из опытов наиболее известен: Герике, пораженный, наблюдает пушинку, притягивающуюся к его носу, а затем отлетающую от него, затем снова притягивающуюся и т. д. Эксперимент забавен, но и чрезвычайно, принципиально важен: раньше считалось, что легкие тела могут только притягиваться наэлектризованными предметами - это даже считалось основным различием электрических и магнитных явлений - ведь известно, что магниты отталкиваются одноименными полюсами.
Другое интересное открытие - электрическая сила обнаружила способность распространяться по "льняной нитке на один локоть" (сравните это первое наблюдение с современными сверхмощными линиями передач!). Еще одно открытие Герике слышал при разряде своих шаров слабый треск и иногда наблюдал слабое свечение.
Опыты Отто фон Герике.
Ему было в то время уже больше шестидесяти, знаменитому магдебургскому бургомистру. Родился он в семье магдебургского патриция в 1602 году, за год до смерти Вильяма Гильберта. Учился в Лейпциге, потом в Иене занимался юриспруденцией. Потом отправился в Голландию, в Лейден, где увлекся физикой, математикой, фортификацией и другими точными науками. Потом - ,в Англию. Потом - во Францию. Вернулся на родину в двадцать пять лет, женился, родил трех сыновей, был назначен охранителем и военачальником Магдебурга. Время было бурное, Магдебург переходил из рук в руки. Приходилось иной раз и улепетывать от противника, оставляя на разграбление дом, на верную смерть - слуг. Пришлось однажды и самому попасть в руки неприятеля, но... откупился, жизнь Отто фон Герике была оценена в триста талеров.
Был он и генерал-квартирмейстером, и строителем, и дипломатом. Сорока четырех лет избран бургомистром родного Магдебурга и на досуге занялся науками. Ему было около пятидесяти, когда он прославился своими "магдебурскими полушариями". (Пустые полусферы, которые не могли растащить десять лошадей.)
Шестидесяти лет он окончил книгу, посвященную физическим опытам. Книга эта печаталась десять лет и вышла как раз к семидесятилетию автора. Через шесть лет он добивается отставки, а еще через три года умирает от чумы.
Книга и "шары Герике" получили очень широкое распространение по всей Европе. Используя его открытие, другие исследователи смогли заметить новые, ранее никогда не наблюдавшиеся свойства электричества.
Один из ярких случаев произошел в 1745 году в Лейдене. Богач Кюнеус, ученик Питера ван Мушенбрека, использовал машину Герике для того, чтобы "зарядить электричеством" воду в стеклянной колбе, которую держал в ладонях. Зарядка осуществлялась при помощи цепочки, подсоединенной к машине. Цепочка спускалась через горлышко колбы в воду. Когда, по мнению Кюнеуса, зарядка была окончена, он решил убрать цепочку - вынуть ее рукой из сосуда. И тут он получил такой страшный электрический удар, что чуть не скончался.
Лейденский профессор Мушенбрек (Мушенброк, Мушенброек, Мушенбрюк, Мушенбрук), который оспаривает часть открытия лейденской банки у своего студента, пишет об аналогичном ощущении так:
Немецкий ученый Клейст в 1745 году доложил Берлинской академии наук о своих опытах с "медицинской банкой". Несправедливость: Клейста все забыли, и открывателями "лейденской банки" считаются Кюнеус и Мушенбрек.
"Хочу сообщить вам новый и страшный опыт, который никак не советую повторять. Я делал некоторые исследования над электрической силой и для этой цели повесил на двух шнурах из голубого шелка железный ствол, получавший, через сообщение, электричество от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и натирался прикосновениями рук. На другом конце свободно висела медная проволока, конец которой был погружен в круглый стеклянный сосуд, отчасти наполненный водой, который я держал в правой руке, другой же рукой я пробовал извлечь искры из наэлектризованного ствола. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии. Сосуд, хотя и из тонкого стекла, обыкновенно сотрясением этим не разбивается, но рука и все тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу, одним словом, я думал, что пришел конец..."
Выяснилось, что в сосудах того типа, о котором пишет Мушенбрек, электричество может накапливаться в весьма значительных количествах. Так была открыта прославленная впоследствии "лейденская банка" - простейший конденсатор.
Новость о лейденской банке с большой скоростью распространилась по Европе. Мушенбрек, и до того известный, стал лейденской достопримечательностью. С ним, в частности, познакомился Петр Великий, когда работал на верфях в Голландии. Позже Петр приказал для новой Академии наук различные приборы именно Мушенбреку "сделать повелеть". Однако Мушенбрек не был ученым высокого класса. Его представления о мире можно проследить по его курсу физики. Курс был составлен из 42 разделов, самых разнокалиберных:
Рисунок XVII века: первые опыты с лейденской банкой.
О фонтанах. О зрении. О метеорах. О ветрах. Ему не хватало широты взглядов, способности к обобщению. Может быть, этим можно объяснить, что он вошел в историю не как великий физик, а как человек, одним из первых испытавший на себе электрический удар лейденской банки: "...ради французской короны я не согласился бы еще раз подвергнуться столь жуткому сотрясению...".
Итак, новость о лейденской банке с быстротой электрического удара начала распространяться по Европе и не слишком просвещенной тогда Америке. В лабораториях, аристократических салонах, на ярмарках ставились удивительные опыты, неприятные, забавные и волнующие одновременно.
Французская столица, разумеется, не могла остаться в стороне от "лейденского поветрия". Семьсот парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах взялся за головку банки, все семьсот монахов, сведенные одной судорогой, вскрикнули с ужасом.
Сто восемьдесят королевских мушкетеров тоже провели перед королем подобный опыт в Версале. Даже гвардейская дисциплина оказалась бессильной перед ударом лейденской банки: "Первый держал в свободной руке банку, а последний извлекал искру; удар почувствовался всеми в один момент. Было очень курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части получающих удар".
Провел этот эксперимент придворный "электрик" короля, специально ведавший различными электрическими увеселениями, аббат Нолле.
Несмотря на неприятное ощущение, тысячи и тысячи людей хотели подвергнуться эксперименту.
Изготавливались новые банки, все более мощные.
Лейденская банка стала непременным атрибутом электрических исследований. С ее помощью получали крупные электрические искры - иной раз до нескольких сантиметров.
Электрические опыты приобрели необыкновенную популярность. Иной раз даже кажется, что они были в те времена одним из изысканнейших развлечений.
Целые представления, занимательные, чуть не театральные зрелища, разыгрывались перед восторженными зрителями.
Лекторы, а может быть, вовсе не лекторы, а послы новой эпохи, искусители душ, воспламенители сердец глашатаями новых открытий разъезжали по свету, оставляя повсюду яркие воспоминания о необычных опытах и, как выразился бы один наш известный профессор, "ощущение интеллектуального дискомфорта".
Зрители уходили с представлений взволнованные. Несомненно, рано или поздно среди них должен был оказаться человек, на которого опыты произведут более глубокое впечатление, чьи скрытые дотоле силы будут разбужены вдруг неприятным ударом лейденской банки, кому суждено увидеть больше, чем другим...
Этого не произошло ни в Лейдене, ни в Санкт-Петербурге, ни в Париже, ни в Женеве, ни в Лондоне. Это произошло в далекой Америке.
Eripit Coelo fulmen scemprumgue tyrannis5
Итак, шел 1747 год... По городам и селениям Европы и Нового Света разъезжали предприимчивые эмиссары-экспериментаторы, совершающие "электрические чудеса". Они воспламеняли спирт, убивали цыплят, вызывали странный свет в темноте.
Особенно кстати пришлись эти представления в Америке, где до тех пор основными развлечениями были распродажи да скачки. Колонисты валом валили на представления некоего доктора Спенсера, проделавшего долгий путь из Глазго до Бостона для того, чтобы показать американцам новые электрические опыты и немало заработать на этом.
Шел 1747 год... На лекцию по электричеству в Бостоне попал средних лет джентльмен, высокий, импозантный, прекрасно сложенный, окруженный друзьями и почитателями.
Завороженный, смотрел он на синие электрические искры, со смешанным чувством прикасался к оголенным кондукторам большой лейденской банки, жадно вдыхая пахнущий озоном воздух.
Этим человеком был Бенджамен Франклин. Трудно себе представить более выдающуюся и популярную личность своего времени. Он, пятнадцатый ребенок мелкого ремесленника, родился в 1706 году в Бостоне, жил 84 года и занимался физикой всего лишь семь лет - с 1747 по 1753 год.
Франклин ввел в науку понятие положительного и отрицательного электричества. Когда мы пользуемся словами "батарея", "конденсатор", "проводник", "заряд", "разряд", "обмотка", мы вряд ли помним о том, что Франклин первым дал названия всем этим вещам.
В последние годы своей жизни Франклин стал одной из выдающихся фигур политической жизни Америки, активным борцом за освобождение Америки от колониального ига Англии.
В двадцать семь лет он, помимо всего прочего, был популярнейшим писателем Америки. Его "Бедный Ричард" выдержал бессчетное количество изданий. "Я мог бы попытаться вызвать к себе добрые чувства, провозгласив, что я пишу эти выпуски не для чего иного, как для блага общества; но это было бы неискренне, и кроме того, современники мои слишком умны для того, чтобы быть обманутыми таким образом... Истина же в том, что я крайне беден, а издатель обещал мне значительную часть выручки...", - откровенно писал Франклин по поводу своей писательской деятельности.
Бенджамен Франклин.
"Альманах Бедного Ричарда" был чем-то вроде календаря, содержащего практические советы, изречения (типа "нельзя заставить пустой мешок держаться прямо", "своим можешь назвать лишь то, что съел") и занимательные рассказы. Образ бедного Ричарда - "полуголодный ученый старикан, допекаемый своей сварливой женой, рассуждающий о пользе бережливости, подмигивающий молоденьким женщинам" - оказался необычайно популярным и жизненным. "Альманах" издавался около тридцати лет. Для нас во всем этом, помимо иллюстрации высокого "общего уровня таланта" Франклина, важно и то, что "Альманах", так же как и издававшаяся им же "Пенсильванская газета", дали Франклину возможность разбогатеть и к сорока годам "отдалиться от дел". Наличие свободного времени и денег немало способствовали успехам Франклина в области электричества.
Франклин был обаятельнейшим, образованнейшим человеком своего времени. Веселый и жизнерадостный, атлетически сложенный, Франклин всегда окружен интересными и влиятельными людьми - дипломатами, принцами, учеными и очаровательными женщинами.
Но вернемся к семи "электрическим" годам из жизни Франклина, точнее, к тем из них, которые были связаны с доказательством электрической природы молнии.
После случайно прослушанной популярной лекции Франклин, решив систематизировать все, что он узнал от других и понял сам, развил довольно простую, но стройную и, как впоследствии оказалось, правильную теорию статического электричества и его передачи от одного тела к другому - ту самую теорию, которую мы проходим в школе, впервые знакомясь с электричеством. Сейчас мы сделали бы лишь одну поправку к этому учению - Франклин наугад принял, что то тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно. Тело, теряющее электричество ("электрическую жидкость" по терминологии Франклина), заряжается отрицательно. Мы знаем сейчас, что носителем электричества в проводниках является отрицательно заряженный электрон. Поэтому наэлектризованное тело, на наш взгляд, должно быть признано отрицательным. Естественно, что Франклин не мог предугадать этого, и для того, чтобы не ломать установившиеся со времени Франклина представления, сейчас направление тока (от "плюса" к "минусу") принимают обратным направлению происходящего в действительности процесса - движения электронов.
Франклин вдохновенно творил новую теорию. Идеи вытекали друг из друга, обретали мелодию, гармонию, изящно модулировали и образовали, наконец, блестящую симфонию статического электричества. Атмосферу необыкновенной легкости, игры, но игры, в тайных закоулках которой могут скрываться великие открытия, атмосферу, в которой творил он свою теорию, передал Бенджамен Франклин в одном из своих писем к английскому другу:
"Ввиду того, что наступает жаркая погода, когда электрические опыты доставляют мало удовольствия, мы думаем покончить с ними на этот сезон, завершив все довольно веселым пикником.
На берегах реки Скулкилл искра, переданная с одного берега на другой без какого-либо проводника, кроме воды, зажжет одновременно на обоих берегах реки спиртовки (этот опыт, к изумлению многих видевших его, мы уже проделывали некоторое время тому назад)... Индейка к нашему ужину будет умерщвлена электрическим ударом и зажарена на электрическом вертеле огнем, зажженным наэлектризованной банкой; мы выпьем за здоровье всех известных физиков... из наэлектризованных бокалов под салют орудий, стреляющих от электрической батареи"6.
Теория статического электричества помогла Франклину сделать сенсационное открытие - он первым доказал, что молния, с грохотом прорезающая небо, и искра, полученная с помощью лейденской банки, это одно и то же явление, только в разных масштабах.
Нельзя сказать, что такая аналогия была очень уж новой. Еще великий Ньютон писал в одном из своих писем в 1716 году:
"Тот, кто копается в глубоких шахтах знания, должен, как и всякий землекоп, время от времени подниматься на поверхность подышать чистым воздухом. В один из таких промежутков я и пишу вам... Я много занимался замечательными явлениями, происходящими, когда приводишь в соприкосновение иголку с кусочком янтаря или смолы, потертой о шелковую ткань. Искра напомнила мне молнию в малых размерах..."
Но "напомнила" - это еще не доказательство. Нужно было очень ясно представить себе электрические процессы, происходящие в атмосфере, чтобы сделать решающий шаг - поставить ясный эксперимент, со справедливостью доказывающий, что молния и искра - одно и то же.
...О нежные воспоминания детства! Призрачный и светлый мир, населенный умными, добрыми существами, большими яркими цветами, бабочками и стрекозами! Мир, где наслаждаются самым обычным: небом, облаками, запахами с такой остротой, которая, быть может, придет во всей последующей жизни лишь несколько раз. О, как прекрасен и ярок мир, который мы в спешке взрослых будней не успеваем заметить...
В один из незабываемых дней своего детства великий Франклин, тогда еще мальчик Бен, смастерил с помощью взрослых белоснежное трепещущее чудо, стремящееся при малейшем ветре выпорхнуть из тонких детских рук на свободу, в высокие голубые глубины, где хозяин лишь ветер, теплым потокам которого должен повиноваться новый воздушный змей. Тонкая, но прочная веревка с палкой (чтобы крепко держать вырывающийся змей) - все, что связывает маленького Бена с большим белым парусником - или птицей? - неслышно несущимся где-то высоко впереди. Бен бежит за ним по улочкам, выбегает на зеленый луг, полный травы, цветов и пчел; но корабль несется выше и дальше, и некогда Бену отдохнуть, перевести дух. Он бежит по колено в траве, обнаженное тело омывается теплым летним воздухом, а впереди препятствие - пруд. Безрассудность детства? Бен в пруду, в руках - крепко зажатая палка с веревкой. Бен переворачивается на спину, и вдруг начинает плавно скользить по поверхности воды, влекомый воздушным парусником; опасный и невыразимо приятный для Бена эксперимент, к счастью, благополучно окончился на другом берегу пруда...
Это детское воспоминание Франклина, "отнявшего молнию у небес и власть у тиранов", по выражению его биографа Тюрго, конечно же, сыграло свою роль в осуществлении знаменитых франклиновских экспериментов с воздушным змеем.
"Когда змей и веревка намокнут от дождя и вследствие этого станут проводить электричество, - писал Франклин, - то поток его обильно исходит из ключа при приближении суставов пальцев. От него можно зарядить банку. Электрическим огнем, полученным таким образом, можно зажечь спирт и сделать все опыты, совершаемые обычно с натираемым шаром или трубкой. Этим полностью доказывается тождество электрического вещества с веществом молнии".
Здесь уже не Ньютоновское "напоминает". Франклин определенно указывает, что "вещество молнии" и "вещество электричества" "тождественны". Интересно заглянуть, так сказать, в "творческую лабораторию" Франклина, пришедшего к этому выводу. Вот что писал он 1 ноября 1749 года:
"Электрическая жидкость имеет с молнией следующее сходство: 1. Дает свет. 2. Тот же цвет света. 3. Ломаное направление. 4. Быстрота движения. 5. Проводится металлами. 6. Создает треск или шум при взрыве. 7. Встречается в воде или во льду. 8. Разрывает предметы, через которые проходит. 9. Убивает животных. 10. Плавит металлы. 11. Зажигает легко воспламеняющиеся вещества. 12. Серный запах".