Страница:
Ампер славился своей рассеянностью. Про него рассказывали, что однажды он с сосредоточенным видом варил в воде три минуты свои часы, держа яйцо в руке. Другой часто приводимый случай: Ампер шел по улице, производя, как всегда, в уме сложные расчеты. Он ничуть не удивился, когда прямо перед ним возникла прекрасная черная доска, спокойно достал из сюртука непременный кусок мела и стал записывать результаты; он не удивился и тогда, когда доска начала двигаться вперед, и для того, чтобы поспевать за ней, ему пришлось идти, а затем... бежать. Доска оказалась задней стенкой кареты.
Он стал академиком в тридцать девять лет, причем в избрании его работы по магнетизму и электричеству не играли ни малейшей роли - их, по существу, не было. Избран был Ампер по секции геометрии за работы в области математики и химии. Он стал одним из "бессмертных", стал на один уровень с Лапласом, Пуассоном, Фурье, Монжем, Коши, Араго, Био, Гей-Люссаком, Френелем, Саваром. Его влияние и широта взглядов неизмеримо возросли. Его "ядерное топливо" продолжало накапливаться, лишь каких-то граммов не хватало уже для мощной реакции.
Недостающие граммы добавил друг Ампера, много раз уже упоминавшийся Доменик-Франсуа Араго, показавший в Академии ошеломившие Ампера опыты датчанина Эрстеда. Об этом в протоколах академии сохранилась краткая запись: "...г. Араго повторил перед академией опыты г. Эрстеда...". Запись эта датируется 11 сентября 1820 года.
От этого дня отсчитываются две недели, в течение которых цепная реакция в мозгу Ампера все-таки произошла, в течение которых мозг Ампера непрерывно генерировал потоки новых идей и которые обеспечили ему такую славу через многие годы.
Но перед тем как перейти к описанию двух лихорадочных недель, нам нужно вернуться на несколько месяцев назад, с тем чтобы присутствовать на некоей знаменитой лекции, где профессор Эрстед случайно (в том смысле случайно, в котором только и можно говорить о научных открытиях, "созревших" для того, чтобы их сделать) обнаружил родство двух сил, которые раньше столь настойчиво отделялись друг от друга после Гильберта, указавшего, и совершенно справедливо, на принципиальные различия между магнитными и электрическими явлениями. Теперь же логика развития науки привела к тому, что явления вновь объединились, но уже на основе новых представлений - представлений Ампера. Спираль описала свой завиток, поднявшись выше на неизмеримо более высокую ступеньку познания.
Но поспешим же, дорогой читатель, скорее в лаборатории и лекционные залы, на корабли и к ящикам с сокровищами, к растерянным хозяевам и коварным молниям, приведшим и Эрстеда, и многих других к решению загадки!
Корабли, компасы, случайности
Однажды Доменик-Франсуа Араго, блестящий и необыкновенно темпераментный ученый - вы уже читали о нем, - видел, как на рейде Пальмы, главного порта Майорки, появилось французское военное судно "Ля-Ралейн". Состояние его было настолько жалким, что судно едва дошло своим ходом до причала. Это было в 1808 году, после грандиозного поражения французского флота под Трафальгаром и установления Францией "морской блокады" ненавистной Англии. Слово "англичане" было на устах у всех, наблюдавших печальную картину. Однако когда команда сошла на берег и на борт поднялось несколько именитых французов, в том числе и Араго (Араго в свои двадцать два года уже мог считаться "именитым" - ведь всего через год его за большие научные заслуги изберут академиком!), выяснилось, что англичане в данном случае были ни при чем, а все разрушения на корабле были причинены молнией. Пока комиссия ходила по кораблю, наблюдая сгоревшие мачты и надстройку, Араго поспешил к компасам и там увидел примерно то, что и ожидал: стрелки компасов были перемагничены молнией.
Через год, копаясь в том, что еще несколько дней назад было генуэзским судном (оно разбилось, наскочив на скалы вблизи алжирских берегов), Араго снова обнаружил, что стрелки компасов были перемагничены. В кромешной тьме южной ночи капитан, направив судно по компасу к северу, подальше от опасных мест, на самом деле неудержимо двигался к тем опасностям, которых старался избежать, - он шел к югу, обманутый магнитным компасом, пораженным молнией...
Нужно сказать, что Араго очень упорно искал подобные случаи и в конце концов собрал довольно большое их количество. Вот несколько выдержек из богатой коллекции:
Английское судно "Дувр" 9 января 1748 года на 47 градусах 30 минутах северной широты и 22 градусах 15 минутах западной долготы попало в сильную грозу. Ударом молнии расщепило грот-мачту, обожгло частично палубу, некоторые каюты, борта. Капитан Уэддел, сверив По звездам направление стрелок компасов, убедился, что все они - перемагничены, все четыре; лежавшие невдалеке стальные и железные предметы были также сильно намагничены.
Около 1775 года два английских судна двигались параллельными курсами из Лондона в Барбадос. На широте Бермудских островов корабли разметало штормом один из них был поражен молнией, она сломала мачту и изодрала в клочья паруса. Другое судно не пострадало. Капитан его с удовлетворением осматривал после грозы лишь освеженную дождем палубу, но был несказанно удивлен, увидев, что первое судно сменило курс и двинулось обратно в Англию. Однако вскоре оттуда прибыл матрос, опрашивающий, почему второе судно решило идти назад, в Англию? После бурной сцены выяснения отношений компасы обоих судов были подвергнуты тщательной проверке - выяснилось, что у судна, пораженного молнией, полярность стрелки компаса переменилась на обратную, и капитан судна плыл на восток, будучи в полной уверенности, что плывет на запад.
В коллекции Араго - рассказ весьма известного тогда ученого Бойля (помните "закон Бойля - Мариотта"?). В июле 1781 года корабль "Альбермал" находился в ста километрах от мыса Кейп-Код. Когда наступила ночь, то оказалось, по положению на небе звезд, что на корабле, накануне пораженном молнией, из трех компасов два вместо того чтобы показывать на север, как прежде, указывали на юг, а прежде северный конец третьего компаса направлен был к западу.
Компасы, однако, не были единственными жертвами молний. Так, в ночь с 21 на 22 февраля 1812 года молния поразила корабль "Голимин". В результате все стальные части часов с репетицией, стоявших в головах спящего капитана, сильно намагнитились, а сам капитан был ранен в голову. Шрам на капитанской голове через некоторое время бесследно исчез, чего не скажешь о приобретенном магнетизме часов - они и через тридцать лет безбожно врали.
Приводит Араго и примеры "сухопутные". Он рассказывает, что когда-то молния ударила в лавку одного шведского сапожника. Все его немудрящие сапожные инструменты и гвозди так намагнитились, что то и дело в неподходящие моменты прилипали друг к другу. И пришлось сапожнику распрощаться со своими любимыми инструментами.
А вот и обещанные читателю сокровища. Они лежали в сундуке уэкфильдского купца и состояли из весьма ценных по тем временам (дело было в году 1731) столовых принадлежностей, а предназначены были для отправки в новую английскую колонию - Америку. После удара молнии часть предметов расплавилась, а часть очень сильно намагнитилась.
Все эти на первый взгляд малозначащие факты Араго собирал не зря. Только отгремели франклиновские и русские (Ломоносова и Рихмана) эксперименты с молнией. Молния - это гигантская электрическая искра! Сейчас нам трудно почувствовать сенсационность такого заявления, но в то время многие простые люди, не то что ученые, восторженно приветствовали открытие Франклина: оно, кроме того, открывало путь в область новых "серендипити" - открытий на каждом шагу. Араго, собравший множество фактов, свидетельствующих о связи молнии с магнетизмом, чувствовал, что он - на пороге какого-то нового открытия. Однако он не видел, как можно соединить молнию с магнетизмом, показать, так сказать, магнитную природу молнии, как Франклин показал ее электрическую природу.
Радость и досада - вот, возможно, те чувства, когда он увидел решение долго не дававшейся ему задачи. Решение, найденное другим...
Имя его - Ганс Христиан Эрстед, профессор химии копенгагенского университета. Нельзя сказать, что имя Эрстеда было Араго неизвестно. Члены Аркюэльского кружка принимали в 1801 году двадцатичетырехлетнего доктора философии, скверно говорившего по-французски, занимавшегося неизвестно чем. В частности, он когда-то получил золотую медаль за исследование "Границы поэзии и прозы", а кончил университет фармацевтом. Особых почестей оказано тогда Эрстеду, разумеется, не было. Он путешествовал по Европе и, в частности, по Франции не как Вольта или Гершель, визиты которых поддерживались честолюбивым французским правительством, а просто как молодой странствующий ученый, желающий свести кое-какие знакомства в научных кругах. В Германии он познакомился с довольно известным физиком Иоганном Вильгельмом Риттером, прославившимся, во-первых, изобретением аккумулятора, а во-вторых, своим редким талантом "наводить тень на плетень" - запутывать относительно ясные вопросы. Французские "трофеи" Эрстеда были так же значительны - это наиболее видные аркюэльцы, в том числе Араго, Лаплас, Бертоле, Био, Савар и многие другие. Для того чтобы сейчас познакомиться с таким количеством светил, не хватило бы, наверное, нескольких жизней.
Ганс Христиан Эрстед.
Особенно большое впечатление произвели на Эрстеда опыты Вольта, а также их повторение и развитие Риттером. Не был совершенно безразличен молодой плохо обеспеченный Эрстед и к наполеоновской "Премии имени Вольта". Но главное - то, что он "чувствовал открытие", как ищейка, идущая по следу, он знал, что открытие - рядом.
Открытие носилось в воздухе. Риттер в своем письме Эрстеду, осмелев, даже назвал дату предстоящего "великого открытия", - 1820 год. Он был прав, как никогда, и совершил его именно Эрстед.
Эрстед видел цель, он шел к ней напролом. Его соображения не были похожи на соображения Араго. Эрстед увидел сходство электрических и магнитных явлений. Он за несколько лет до своего открытия прямо поставил цель: "Следует испробовать, не. производит ли электричество... каких-либо действий на магнит..." Соображение было простым: электричество может производить свет искру, звук - треск, наконец, оно может производить тепло - проволока, по которой идет ток, нагревается. Спрашивается, не может ли электричество производить магнитных действий, или, как выражался Эрстед, производить действия на магнит "как таковой". Говорят, Эрстед не расставался с магнитом, который должен был непрерывно напоминать ему о необходимости думать в этом направлении. Магнит совершил, видимо, немало километров в Эрстедовом сюртуке, пока... Нет, магнит Эрстеду так и не пригодился.
Открытие произошло почти случайно.
15 февраля 1820 года9 Эрстед, уже возмужавший сорокатрехлетний профессор, читал своим студентам в копенгагенском университете лекцию, по ходу которой он хотел продемонстрировать очень интересное по тем временам (да, впрочем, и сейчас) свойство электрического тока нагревать проволоку, по которой он проходит. Это была великолепная случайность - рядом с проволокой, на которую были устремлены глаза студентов, оказался компас, в общем-то не имевший прямого отношения к теме лекции. И один из зорких студентов обратил внимание, что в то время, как в проволоке проходит ток, стрелка компаса вздрагивает и немного поворачивается. Имени студента мы не знаем, да и вряд ли знать должны. Он лишь указал профессору на непонятное явление в надежде получить ответ. И для профессора явление было столь же неожиданным. Но очень и давно желанным впервые ясно открылось человеку прямое действие электрического тока на магнит, увидеть которое он уже много лет стремился.
Можно ли назвать это открытие случайным? Оно, конечно, было бы сделано и в том случае, если бы не было лекции 15 февраля, если бы не было случайно положенного компаса, если бы прогулял лекцию востроглазый студент, если бы не существовало даже самого Эрстеда. Но "...история носила бы очень мистический характер, если бы "случайности" не играли никакой роли. Эти случайности входят, конечно, и сами составной частью в общий ход развития, уравновешиваясь другими случайностями. Но ускорение и замедление в сильной степени зависят от этих "случайностей", среди которых фигурирует также и такой "случай", как характер людей, стоящих вначале во главе движения"10.
Придя домой после лекции, Эрстед тут же принялся за описание и объяснение явления, наблюдавшегося в аудитории. Его "памфлет" на латинском языке, состоящий всего лишь из четырех страничек, содержал в нескольких строках описание наблюдаемого явления, а на остальном пространстве - ошибочное объяснение его. Вышел он в свет 21 июля 1820 года (мы не случайно датируем здесь так точно - события в дальнейшем будут развиваться в весьма непривычном для неторопливой тогда науки темпе).
Через несколько дней "памфлет" появился в Женеве, где в то время Араго был с визитом. Первое же знакомство с опытом Эрстеда показало Араго, что разгадка, над которой он бился, найдена. Если молния - это электрический ток, то в таком своем качестве она вполне может влиять на компасные стрелки.
Араго, не выезжая из Женевы, повторяет перед де-ля Ривом и Пикте (запомните, читатель, эти имена - нам они еще не раз встретятся) опыты Эрстеда и убеждается в полной его правоте. Затем опыты были показаны в августе 1820 года де-ля Ривом на заседании съезда естествоиспытателей и врачей, ради которого Араго, собственно, и прибыл из Парижа. Опыты произвели на собравшихся ученых столь сильное впечатление, что один из них произнес непроизвольно:
- Господа, происходит переворот!
Араго тоже возвращается из Женевы потрясенным. На первом же заседании Академии, на котором он присутствовал сразу по возвращении, 4 сентября 1820 года, Араго делает устное сообщение об опытах Эрстеда. Записи, сделанные в академическом журнале ленивой рукой протоколиста, свидетельствуют, что академики просили Араго уже на следующем заседании, 11 сентября, то есть через неделю, показать всем присутствующим опыты Эрстеда, так сказать "в натуральную величину". Бледный Ампер слушал с сердцебиением сообщение Араго. Он, может быть, чувствовал, что пришла его пора перед лицом ученых всего мира принять эстафету открытия из рук Эрстеда. Он долго ждал своего часа - около двадцати лет, как Араго и как Эрстед. Все трое успели состариться в ожидании, превратиться из пылких юношей в солидных стареющих профессоров. И вот час пробил - 4 сентября 1820 года Ампер понял, что он должен делать.
И с этого дня отсчитываются две недели, благодаря которым есть город Ампер, станция Ампер, лицей Ампера, статуи Ампера, музей Ампера, и, наконец, есть самое главное - один ампер.
С этого дня начинаются дни великой работы Ампера...
Открытие Эрстеда часто приводится как типичный образец "случайного открытия", то есть такого открытия, которое, по мнению некоторых, только и возможно.
Действительно, обстоятельства открытия наводят на мысли о случайности. Химик Эрстед читал лекцию об электричестве. На лабораторном столе оказался ненужный по ходу лекции компас, на него случайно взглядывает неизвестный сейчас студент и т. п.
Попробуем, однако, во всех этих случайностях разобраться: случайно ли, например, то, что Эрстед, хотя и был профессором химии, читал лекцию об электричестве? Разумеется, нет. Электричество было недавно открыто, им занимались и химики, и физики, и механики. Да это и естественно, если учесть, что багаж знаний по электричеству был в ту пору невелик, занятия им не требовали какой-то особой подготовки, как, скажем, теперь - вряд ли возьмется сейчас профессор химии читать лекцию по какому-нибудь бурно развивающемуся разделу физики! Оборудование тоже было несложным - его могли сделать в любой мастерской.
Поэтому в лекции Эрстеда, да и в ее оснащении ничего случайного, в общем, не было. Набор для электрических и магнитных исследований был в то время весьма невелик - вольтов столб, проводнички, лягушачьи лапки, магнит да компас.
Как писал Брегг, разработавший структурный анализ кристаллов, приходится удивляться не тому, что Эрстед "случайно" открыл действие электрического тока на магнитную стрелку, а тому, что открытие нужно было ждать целых двадцать лет с момента изобретения вольтова столба. В десятках лабораторий находились и вольтовы столбы, и компасы, и в течение двадцати лет два предмета тысячи раз оказывались рядом. Неминуемо должно было создаться однажды такое положение, когда магнитная стрелка наконец окажется по соседству с проволочкой, замыкающей концы вольтова столба. И такого сочетания пришлось ждать целых двадцать лет! И дождавшись, нужно было не пропустить того момента, когда стрелка качнется! Неизвестный студент на лекции Эрстеда выполнил в известном смысле свою историческую роль, взглянув на компас в подходящий момент.
И еще. Случайно ли то, что именно Эрстед сделал открытие? Ведь случайное сочетание нужных приборов и "режимов их работы" могло получиться в любой лаборатории? Да, это случайно, хотя случайность и в данном случае закономерна. Дело в том, что Эрстед был в числе тогда еще немногих последователей философии Гегеля и Шеллинга, которые, хотя и в идеалистической форме (природа порождение абсолютного духа), но выразили совершенно правильную диалектическую идею о всеобщей связи явлений, идею, под влиянием которой находился и Риттер, и его последователь Эрстед. Вот почему именно Эрстед был буквально одержим идеей взаимосвязанности электрических и других явлений - он направленно искал связь электричества с магнетизмом. И когда нашел, совершил ошибку, опять-таки под влиянием идей Шеллинга о всеобщем законе борьбы противоречий. Объясняя поворот стрелки под действием проходящего по цепи электрического тока, он считал, что поворот этот происходит за счет "электрического конфликта" - то есть столкновения двух различных электричеств. Помня о борьбе противоположностей, Эрстед забыл о их единстве. Он и электричество разделил на два, в то время как нужно было электричество и магнетизм свести к единому.
Но здесь уже новая задача. Решение ее близко.
Мозг Ампера вбирает в себя все новые и новые крупицы знаний об электричестве, и масса имеющегося у него материала близка к критической. Он еще не знает о том, что именно открытия Эрстеда явятся последней крохой расщепляющегося материала, необходимой для взрыва идей. Он даже не знает ничего об открытиях Эрстеда. Летом 1820 года, когда ученый мир в Женеве уже с восторгом приветствовал мемуар Эрстеда, Ампер был в рутинной инспекционной поездке, нужной ему для заработка.
Он прибыл в Париж в конце августа, и 4 сентября в первый раз пришел на заседание Академии, еще не подозревая о том, какой уготован ему сюрприз.
Безумные дни, или открытие электродинамики
До памятного заседания 4 сентября Ампер пребывал в обычном для него состоянии - он был несчастен. Его семейная жизнь сложилась из рук вон плохо после казни отца она представляла собой цепь неудач. Первая жена его скоро умерла, оставив трехлетнего Жан-Жака на руках Ампера и его сестры, вынужденной отказаться из-за этого от своей личной жизни; второй брак дал основание глубоко интеллигентному отпрыску королевской семьи, знаменитому физику Луи де Бройлю, обычно крайне сдержанному в выражениях, сказать в 1940 году: "Вторая его жена оказалась мегерой, а ее родители не лучше". К Амперу во время их совместной жизни не допускались ученики, его письма вскрывались, родственники его не признавались, и самому ему не раз предлагали "убраться".
Ампер в конце концов убрался, и некоторое время жил под кровом Министерства внутренних дел. Он жестоко страдал, в конце концов Амперу пришлось купить дом и судом (!) требовать переезда к нему жены. Хотя соответствующее решение судом было вынесено, Ампер не воспользовался своими правами, и все оставалось по-прежнему. В течение нескольких лет лирические треволнения серьезнейшим образом мешали научной работе Ампера. Затем умерла мать, и дом в Полемье, где Ампер жил ребенком, пришел в запустение.
Когда подрос сын, поводов для переживаний прибыло. Как-то Ампер представил своего двадцатилетнего сына знаменитой мадам Рекамье, сорокатрехлетней жене банкира, в салоне которой можно было встретить лучших художников и скульпторов того времени (ее писал Давид, высекал из мрамора Канова), членов семьи Наполеона, министров, ученых, общественных деятелей. Жан-Жак в течение следующих тридцати с лишним лет испытывал к ней страстное и нежное чувство, не ослабевавшее до самой смерти мадам Рекамье, оставившей Жан-Жаку наследство. Жан-Жак Ампер так и не создал своей семьи - он умер еще через пятнадцать лет старым холостяком.
Старый Ампер не одобрял увлечение сына, считая, что оно мешает его научной и литературной работе, и мечтал женить Жан-Жака на дочери своего приятеля, знаменитого французского биолога Кювье - Клементине. На этой почве у отца с сыном возникло отчуждение, вызвавшее у Ампера новые страдания.
В дополнение ко всему Ампера стала мучить стенокардия. Словом, жизнь его отмечена непрерывным потоком неприятностей. Друг Ампера, Бреден, когда-то писал ему: "Мой бедный друг, не иссякнут ли когда-нибудь силы твоей души для горестей? Восемь лет я имею счастье знать тебя близко. С того времени я всегда был уверен, что ты находишься на вершине страданий. Мне всегда казалось, что несчастья, выпавшие на твою долю, приходят к концу. Но у тебя всегда находятся обстоятельства ухудшать твое состояние. Я тоже несчастен и был несчастен всю жизнь. Но какая, однако, разница! У меня это всегда шло, ослабляясь...".
Единственным, что у Ампера шло относительно хорошо, была наука. Он занимался уравнениями в частных производных, оптикой, химией. Он удостоен за свои научные заслуги ордена Почетного Легиона. Он состоит во множестве комиссий, включая "Комиссию по изданию классиков литературы". Он работает одновременно на нескольких должностях. Единственное, чем, может быть, не занимался Ампер в то время, - это "взаимоотношениями" электричества и магнетизма...
Нетерпеливо ждет Ампер следующего понедельника, 11 сентября, когда Французская академия наук снова соберется на свое очередное заседание. Вот быстрый черноглазый испанец Араго собирает на демонстрационном столе несложную установку - вольтов столб, накоротко замкнутый медным проводником. Рядом компас и чашка с железными опилками. Вот компас помещается рядом с проводником - стрелка компаса тут же поворачивается так, чтобы стать перпендикулярно к нему. Это - знаменитый опыт Эрстеда. Электричество и магнетизм явно взаимодействуют друг с другом - факт, абсолютно неожиданный для ученых, полагавших, что два явления, как это когда-то показал и доказал Гильберт, ничего общего друг с другом не имеют.
Заседание кончается, протоколист выводит под датой "11 сентября": "...г. Араго повторил перед академией опыты г. Эрстеда". Спокойные, нимало не взволнованные академики чинно разошлись по домам. Лишь уже немолодой - сорок пять, по тем временам - старик! Ампер бежит сломя голову к слесарю, чтобы заказать копию инструментов, показанных только что Араго. Нужно скорей установить инструменты дома, в маленькой квартирке на улице Фоссе-де-Сен-Виктор и все эксперименты проделать собственными неумелыми руками. Ведь Ампер - теоретик, он никогда не ставил сложных опытов, у него не было лаборатории, он не мог израсходовать ни одного казенного франка на покупку приборов. Пока слесарь делает не слишком-то сложные приборы, Ампер сооружает немудрящий лабораторный стол. Два его друга - добровольные помощники Френель и Депрец участвуют в первых экспериментах. Небольшой столб, замкнутый проводом - основной объект изучения Ампера.
Он подносит компас то к проводу, то к столбу и сразу же убеждается, что стрелка изменяет свое направление и рядом с проводом, и рядом с самим столбом. Стоит. цепь разомкнуть - и эффект полностью пропадает. Значит, магнитные явления сопутствуют не всякому электричеству?
Электричеств в то время было два - одно то, которое знал еще Фалес, то, которое получал на громадных шарах из серы бургомистр Отто фон Герике, то, которое знал Франклин, то, которое ответственно за притяжение бумажек и пушинок, статическое электричество. Другое - вольтовское гальваническое электричество, с помощью которого можно было разлагать воду и кислоты, которое получали с помощью вольтовых столбов.
Магнетизм оказался присущим лишь второму электричеству, причем только тогда, когда цепь была замкнута, тогда, когда по ней от одного полюса вольтова столба к другому шел ток.
Но когда тока в цепи нет, вольтов столб проявляет все свойства "первого" электричества - скопившиеся на его концах заряды могут притягивать пушинки и вообще проявлять действия статического, франклинова электричества, Стоит зарядам прийти в движение, когда цепь замкнута, и электричество номер один превращается в электричество номер два. И только электричество в движении, электричество гальваническое, производит магнитные действия. Сила, зависящая от движения, - такого еще не было!11
Сразу же возникла идея измерить какой-то мерой интенсивность такого движения. И Ампер первым в мире произнес тогда слова "сила тока". Не удивительно, что через много лет "ампером" была названа единица именно силы тока.
К следующему заседанию академии 18 сентября часть приборов еще не была готова, но Ампер решил выступить и рассказать о том, что стало ему ясным, а также о тех приборах, которые он намеревался построить. В протоколе сохранились слова Ампера: "Я описал приборы, которые я намереваюсь построить, и среди прочих гальванические (то есть обтекаемые током. - Вл. К.) спирали и завитки. Я высказал ту мысль, что эти последние должны производить во всех случаях такой же эффект, как магниты... я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам".
Он стал академиком в тридцать девять лет, причем в избрании его работы по магнетизму и электричеству не играли ни малейшей роли - их, по существу, не было. Избран был Ампер по секции геометрии за работы в области математики и химии. Он стал одним из "бессмертных", стал на один уровень с Лапласом, Пуассоном, Фурье, Монжем, Коши, Араго, Био, Гей-Люссаком, Френелем, Саваром. Его влияние и широта взглядов неизмеримо возросли. Его "ядерное топливо" продолжало накапливаться, лишь каких-то граммов не хватало уже для мощной реакции.
Недостающие граммы добавил друг Ампера, много раз уже упоминавшийся Доменик-Франсуа Араго, показавший в Академии ошеломившие Ампера опыты датчанина Эрстеда. Об этом в протоколах академии сохранилась краткая запись: "...г. Араго повторил перед академией опыты г. Эрстеда...". Запись эта датируется 11 сентября 1820 года.
От этого дня отсчитываются две недели, в течение которых цепная реакция в мозгу Ампера все-таки произошла, в течение которых мозг Ампера непрерывно генерировал потоки новых идей и которые обеспечили ему такую славу через многие годы.
Но перед тем как перейти к описанию двух лихорадочных недель, нам нужно вернуться на несколько месяцев назад, с тем чтобы присутствовать на некоей знаменитой лекции, где профессор Эрстед случайно (в том смысле случайно, в котором только и можно говорить о научных открытиях, "созревших" для того, чтобы их сделать) обнаружил родство двух сил, которые раньше столь настойчиво отделялись друг от друга после Гильберта, указавшего, и совершенно справедливо, на принципиальные различия между магнитными и электрическими явлениями. Теперь же логика развития науки привела к тому, что явления вновь объединились, но уже на основе новых представлений - представлений Ампера. Спираль описала свой завиток, поднявшись выше на неизмеримо более высокую ступеньку познания.
Но поспешим же, дорогой читатель, скорее в лаборатории и лекционные залы, на корабли и к ящикам с сокровищами, к растерянным хозяевам и коварным молниям, приведшим и Эрстеда, и многих других к решению загадки!
Корабли, компасы, случайности
Однажды Доменик-Франсуа Араго, блестящий и необыкновенно темпераментный ученый - вы уже читали о нем, - видел, как на рейде Пальмы, главного порта Майорки, появилось французское военное судно "Ля-Ралейн". Состояние его было настолько жалким, что судно едва дошло своим ходом до причала. Это было в 1808 году, после грандиозного поражения французского флота под Трафальгаром и установления Францией "морской блокады" ненавистной Англии. Слово "англичане" было на устах у всех, наблюдавших печальную картину. Однако когда команда сошла на берег и на борт поднялось несколько именитых французов, в том числе и Араго (Араго в свои двадцать два года уже мог считаться "именитым" - ведь всего через год его за большие научные заслуги изберут академиком!), выяснилось, что англичане в данном случае были ни при чем, а все разрушения на корабле были причинены молнией. Пока комиссия ходила по кораблю, наблюдая сгоревшие мачты и надстройку, Араго поспешил к компасам и там увидел примерно то, что и ожидал: стрелки компасов были перемагничены молнией.
Через год, копаясь в том, что еще несколько дней назад было генуэзским судном (оно разбилось, наскочив на скалы вблизи алжирских берегов), Араго снова обнаружил, что стрелки компасов были перемагничены. В кромешной тьме южной ночи капитан, направив судно по компасу к северу, подальше от опасных мест, на самом деле неудержимо двигался к тем опасностям, которых старался избежать, - он шел к югу, обманутый магнитным компасом, пораженным молнией...
Нужно сказать, что Араго очень упорно искал подобные случаи и в конце концов собрал довольно большое их количество. Вот несколько выдержек из богатой коллекции:
Английское судно "Дувр" 9 января 1748 года на 47 градусах 30 минутах северной широты и 22 градусах 15 минутах западной долготы попало в сильную грозу. Ударом молнии расщепило грот-мачту, обожгло частично палубу, некоторые каюты, борта. Капитан Уэддел, сверив По звездам направление стрелок компасов, убедился, что все они - перемагничены, все четыре; лежавшие невдалеке стальные и железные предметы были также сильно намагничены.
Около 1775 года два английских судна двигались параллельными курсами из Лондона в Барбадос. На широте Бермудских островов корабли разметало штормом один из них был поражен молнией, она сломала мачту и изодрала в клочья паруса. Другое судно не пострадало. Капитан его с удовлетворением осматривал после грозы лишь освеженную дождем палубу, но был несказанно удивлен, увидев, что первое судно сменило курс и двинулось обратно в Англию. Однако вскоре оттуда прибыл матрос, опрашивающий, почему второе судно решило идти назад, в Англию? После бурной сцены выяснения отношений компасы обоих судов были подвергнуты тщательной проверке - выяснилось, что у судна, пораженного молнией, полярность стрелки компаса переменилась на обратную, и капитан судна плыл на восток, будучи в полной уверенности, что плывет на запад.
В коллекции Араго - рассказ весьма известного тогда ученого Бойля (помните "закон Бойля - Мариотта"?). В июле 1781 года корабль "Альбермал" находился в ста километрах от мыса Кейп-Код. Когда наступила ночь, то оказалось, по положению на небе звезд, что на корабле, накануне пораженном молнией, из трех компасов два вместо того чтобы показывать на север, как прежде, указывали на юг, а прежде северный конец третьего компаса направлен был к западу.
Компасы, однако, не были единственными жертвами молний. Так, в ночь с 21 на 22 февраля 1812 года молния поразила корабль "Голимин". В результате все стальные части часов с репетицией, стоявших в головах спящего капитана, сильно намагнитились, а сам капитан был ранен в голову. Шрам на капитанской голове через некоторое время бесследно исчез, чего не скажешь о приобретенном магнетизме часов - они и через тридцать лет безбожно врали.
Приводит Араго и примеры "сухопутные". Он рассказывает, что когда-то молния ударила в лавку одного шведского сапожника. Все его немудрящие сапожные инструменты и гвозди так намагнитились, что то и дело в неподходящие моменты прилипали друг к другу. И пришлось сапожнику распрощаться со своими любимыми инструментами.
А вот и обещанные читателю сокровища. Они лежали в сундуке уэкфильдского купца и состояли из весьма ценных по тем временам (дело было в году 1731) столовых принадлежностей, а предназначены были для отправки в новую английскую колонию - Америку. После удара молнии часть предметов расплавилась, а часть очень сильно намагнитилась.
Все эти на первый взгляд малозначащие факты Араго собирал не зря. Только отгремели франклиновские и русские (Ломоносова и Рихмана) эксперименты с молнией. Молния - это гигантская электрическая искра! Сейчас нам трудно почувствовать сенсационность такого заявления, но в то время многие простые люди, не то что ученые, восторженно приветствовали открытие Франклина: оно, кроме того, открывало путь в область новых "серендипити" - открытий на каждом шагу. Араго, собравший множество фактов, свидетельствующих о связи молнии с магнетизмом, чувствовал, что он - на пороге какого-то нового открытия. Однако он не видел, как можно соединить молнию с магнетизмом, показать, так сказать, магнитную природу молнии, как Франклин показал ее электрическую природу.
Радость и досада - вот, возможно, те чувства, когда он увидел решение долго не дававшейся ему задачи. Решение, найденное другим...
Имя его - Ганс Христиан Эрстед, профессор химии копенгагенского университета. Нельзя сказать, что имя Эрстеда было Араго неизвестно. Члены Аркюэльского кружка принимали в 1801 году двадцатичетырехлетнего доктора философии, скверно говорившего по-французски, занимавшегося неизвестно чем. В частности, он когда-то получил золотую медаль за исследование "Границы поэзии и прозы", а кончил университет фармацевтом. Особых почестей оказано тогда Эрстеду, разумеется, не было. Он путешествовал по Европе и, в частности, по Франции не как Вольта или Гершель, визиты которых поддерживались честолюбивым французским правительством, а просто как молодой странствующий ученый, желающий свести кое-какие знакомства в научных кругах. В Германии он познакомился с довольно известным физиком Иоганном Вильгельмом Риттером, прославившимся, во-первых, изобретением аккумулятора, а во-вторых, своим редким талантом "наводить тень на плетень" - запутывать относительно ясные вопросы. Французские "трофеи" Эрстеда были так же значительны - это наиболее видные аркюэльцы, в том числе Араго, Лаплас, Бертоле, Био, Савар и многие другие. Для того чтобы сейчас познакомиться с таким количеством светил, не хватило бы, наверное, нескольких жизней.
Ганс Христиан Эрстед.
Особенно большое впечатление произвели на Эрстеда опыты Вольта, а также их повторение и развитие Риттером. Не был совершенно безразличен молодой плохо обеспеченный Эрстед и к наполеоновской "Премии имени Вольта". Но главное - то, что он "чувствовал открытие", как ищейка, идущая по следу, он знал, что открытие - рядом.
Открытие носилось в воздухе. Риттер в своем письме Эрстеду, осмелев, даже назвал дату предстоящего "великого открытия", - 1820 год. Он был прав, как никогда, и совершил его именно Эрстед.
Эрстед видел цель, он шел к ней напролом. Его соображения не были похожи на соображения Араго. Эрстед увидел сходство электрических и магнитных явлений. Он за несколько лет до своего открытия прямо поставил цель: "Следует испробовать, не. производит ли электричество... каких-либо действий на магнит..." Соображение было простым: электричество может производить свет искру, звук - треск, наконец, оно может производить тепло - проволока, по которой идет ток, нагревается. Спрашивается, не может ли электричество производить магнитных действий, или, как выражался Эрстед, производить действия на магнит "как таковой". Говорят, Эрстед не расставался с магнитом, который должен был непрерывно напоминать ему о необходимости думать в этом направлении. Магнит совершил, видимо, немало километров в Эрстедовом сюртуке, пока... Нет, магнит Эрстеду так и не пригодился.
Открытие произошло почти случайно.
15 февраля 1820 года9 Эрстед, уже возмужавший сорокатрехлетний профессор, читал своим студентам в копенгагенском университете лекцию, по ходу которой он хотел продемонстрировать очень интересное по тем временам (да, впрочем, и сейчас) свойство электрического тока нагревать проволоку, по которой он проходит. Это была великолепная случайность - рядом с проволокой, на которую были устремлены глаза студентов, оказался компас, в общем-то не имевший прямого отношения к теме лекции. И один из зорких студентов обратил внимание, что в то время, как в проволоке проходит ток, стрелка компаса вздрагивает и немного поворачивается. Имени студента мы не знаем, да и вряд ли знать должны. Он лишь указал профессору на непонятное явление в надежде получить ответ. И для профессора явление было столь же неожиданным. Но очень и давно желанным впервые ясно открылось человеку прямое действие электрического тока на магнит, увидеть которое он уже много лет стремился.
Можно ли назвать это открытие случайным? Оно, конечно, было бы сделано и в том случае, если бы не было лекции 15 февраля, если бы не было случайно положенного компаса, если бы прогулял лекцию востроглазый студент, если бы не существовало даже самого Эрстеда. Но "...история носила бы очень мистический характер, если бы "случайности" не играли никакой роли. Эти случайности входят, конечно, и сами составной частью в общий ход развития, уравновешиваясь другими случайностями. Но ускорение и замедление в сильной степени зависят от этих "случайностей", среди которых фигурирует также и такой "случай", как характер людей, стоящих вначале во главе движения"10.
Придя домой после лекции, Эрстед тут же принялся за описание и объяснение явления, наблюдавшегося в аудитории. Его "памфлет" на латинском языке, состоящий всего лишь из четырех страничек, содержал в нескольких строках описание наблюдаемого явления, а на остальном пространстве - ошибочное объяснение его. Вышел он в свет 21 июля 1820 года (мы не случайно датируем здесь так точно - события в дальнейшем будут развиваться в весьма непривычном для неторопливой тогда науки темпе).
Через несколько дней "памфлет" появился в Женеве, где в то время Араго был с визитом. Первое же знакомство с опытом Эрстеда показало Араго, что разгадка, над которой он бился, найдена. Если молния - это электрический ток, то в таком своем качестве она вполне может влиять на компасные стрелки.
Араго, не выезжая из Женевы, повторяет перед де-ля Ривом и Пикте (запомните, читатель, эти имена - нам они еще не раз встретятся) опыты Эрстеда и убеждается в полной его правоте. Затем опыты были показаны в августе 1820 года де-ля Ривом на заседании съезда естествоиспытателей и врачей, ради которого Араго, собственно, и прибыл из Парижа. Опыты произвели на собравшихся ученых столь сильное впечатление, что один из них произнес непроизвольно:
- Господа, происходит переворот!
Араго тоже возвращается из Женевы потрясенным. На первом же заседании Академии, на котором он присутствовал сразу по возвращении, 4 сентября 1820 года, Араго делает устное сообщение об опытах Эрстеда. Записи, сделанные в академическом журнале ленивой рукой протоколиста, свидетельствуют, что академики просили Араго уже на следующем заседании, 11 сентября, то есть через неделю, показать всем присутствующим опыты Эрстеда, так сказать "в натуральную величину". Бледный Ампер слушал с сердцебиением сообщение Араго. Он, может быть, чувствовал, что пришла его пора перед лицом ученых всего мира принять эстафету открытия из рук Эрстеда. Он долго ждал своего часа - около двадцати лет, как Араго и как Эрстед. Все трое успели состариться в ожидании, превратиться из пылких юношей в солидных стареющих профессоров. И вот час пробил - 4 сентября 1820 года Ампер понял, что он должен делать.
И с этого дня отсчитываются две недели, благодаря которым есть город Ампер, станция Ампер, лицей Ампера, статуи Ампера, музей Ампера, и, наконец, есть самое главное - один ампер.
С этого дня начинаются дни великой работы Ампера...
Открытие Эрстеда часто приводится как типичный образец "случайного открытия", то есть такого открытия, которое, по мнению некоторых, только и возможно.
Действительно, обстоятельства открытия наводят на мысли о случайности. Химик Эрстед читал лекцию об электричестве. На лабораторном столе оказался ненужный по ходу лекции компас, на него случайно взглядывает неизвестный сейчас студент и т. п.
Попробуем, однако, во всех этих случайностях разобраться: случайно ли, например, то, что Эрстед, хотя и был профессором химии, читал лекцию об электричестве? Разумеется, нет. Электричество было недавно открыто, им занимались и химики, и физики, и механики. Да это и естественно, если учесть, что багаж знаний по электричеству был в ту пору невелик, занятия им не требовали какой-то особой подготовки, как, скажем, теперь - вряд ли возьмется сейчас профессор химии читать лекцию по какому-нибудь бурно развивающемуся разделу физики! Оборудование тоже было несложным - его могли сделать в любой мастерской.
Поэтому в лекции Эрстеда, да и в ее оснащении ничего случайного, в общем, не было. Набор для электрических и магнитных исследований был в то время весьма невелик - вольтов столб, проводнички, лягушачьи лапки, магнит да компас.
Как писал Брегг, разработавший структурный анализ кристаллов, приходится удивляться не тому, что Эрстед "случайно" открыл действие электрического тока на магнитную стрелку, а тому, что открытие нужно было ждать целых двадцать лет с момента изобретения вольтова столба. В десятках лабораторий находились и вольтовы столбы, и компасы, и в течение двадцати лет два предмета тысячи раз оказывались рядом. Неминуемо должно было создаться однажды такое положение, когда магнитная стрелка наконец окажется по соседству с проволочкой, замыкающей концы вольтова столба. И такого сочетания пришлось ждать целых двадцать лет! И дождавшись, нужно было не пропустить того момента, когда стрелка качнется! Неизвестный студент на лекции Эрстеда выполнил в известном смысле свою историческую роль, взглянув на компас в подходящий момент.
И еще. Случайно ли то, что именно Эрстед сделал открытие? Ведь случайное сочетание нужных приборов и "режимов их работы" могло получиться в любой лаборатории? Да, это случайно, хотя случайность и в данном случае закономерна. Дело в том, что Эрстед был в числе тогда еще немногих последователей философии Гегеля и Шеллинга, которые, хотя и в идеалистической форме (природа порождение абсолютного духа), но выразили совершенно правильную диалектическую идею о всеобщей связи явлений, идею, под влиянием которой находился и Риттер, и его последователь Эрстед. Вот почему именно Эрстед был буквально одержим идеей взаимосвязанности электрических и других явлений - он направленно искал связь электричества с магнетизмом. И когда нашел, совершил ошибку, опять-таки под влиянием идей Шеллинга о всеобщем законе борьбы противоречий. Объясняя поворот стрелки под действием проходящего по цепи электрического тока, он считал, что поворот этот происходит за счет "электрического конфликта" - то есть столкновения двух различных электричеств. Помня о борьбе противоположностей, Эрстед забыл о их единстве. Он и электричество разделил на два, в то время как нужно было электричество и магнетизм свести к единому.
Но здесь уже новая задача. Решение ее близко.
Мозг Ампера вбирает в себя все новые и новые крупицы знаний об электричестве, и масса имеющегося у него материала близка к критической. Он еще не знает о том, что именно открытия Эрстеда явятся последней крохой расщепляющегося материала, необходимой для взрыва идей. Он даже не знает ничего об открытиях Эрстеда. Летом 1820 года, когда ученый мир в Женеве уже с восторгом приветствовал мемуар Эрстеда, Ампер был в рутинной инспекционной поездке, нужной ему для заработка.
Он прибыл в Париж в конце августа, и 4 сентября в первый раз пришел на заседание Академии, еще не подозревая о том, какой уготован ему сюрприз.
Безумные дни, или открытие электродинамики
До памятного заседания 4 сентября Ампер пребывал в обычном для него состоянии - он был несчастен. Его семейная жизнь сложилась из рук вон плохо после казни отца она представляла собой цепь неудач. Первая жена его скоро умерла, оставив трехлетнего Жан-Жака на руках Ампера и его сестры, вынужденной отказаться из-за этого от своей личной жизни; второй брак дал основание глубоко интеллигентному отпрыску королевской семьи, знаменитому физику Луи де Бройлю, обычно крайне сдержанному в выражениях, сказать в 1940 году: "Вторая его жена оказалась мегерой, а ее родители не лучше". К Амперу во время их совместной жизни не допускались ученики, его письма вскрывались, родственники его не признавались, и самому ему не раз предлагали "убраться".
Ампер в конце концов убрался, и некоторое время жил под кровом Министерства внутренних дел. Он жестоко страдал, в конце концов Амперу пришлось купить дом и судом (!) требовать переезда к нему жены. Хотя соответствующее решение судом было вынесено, Ампер не воспользовался своими правами, и все оставалось по-прежнему. В течение нескольких лет лирические треволнения серьезнейшим образом мешали научной работе Ампера. Затем умерла мать, и дом в Полемье, где Ампер жил ребенком, пришел в запустение.
Когда подрос сын, поводов для переживаний прибыло. Как-то Ампер представил своего двадцатилетнего сына знаменитой мадам Рекамье, сорокатрехлетней жене банкира, в салоне которой можно было встретить лучших художников и скульпторов того времени (ее писал Давид, высекал из мрамора Канова), членов семьи Наполеона, министров, ученых, общественных деятелей. Жан-Жак в течение следующих тридцати с лишним лет испытывал к ней страстное и нежное чувство, не ослабевавшее до самой смерти мадам Рекамье, оставившей Жан-Жаку наследство. Жан-Жак Ампер так и не создал своей семьи - он умер еще через пятнадцать лет старым холостяком.
Старый Ампер не одобрял увлечение сына, считая, что оно мешает его научной и литературной работе, и мечтал женить Жан-Жака на дочери своего приятеля, знаменитого французского биолога Кювье - Клементине. На этой почве у отца с сыном возникло отчуждение, вызвавшее у Ампера новые страдания.
В дополнение ко всему Ампера стала мучить стенокардия. Словом, жизнь его отмечена непрерывным потоком неприятностей. Друг Ампера, Бреден, когда-то писал ему: "Мой бедный друг, не иссякнут ли когда-нибудь силы твоей души для горестей? Восемь лет я имею счастье знать тебя близко. С того времени я всегда был уверен, что ты находишься на вершине страданий. Мне всегда казалось, что несчастья, выпавшие на твою долю, приходят к концу. Но у тебя всегда находятся обстоятельства ухудшать твое состояние. Я тоже несчастен и был несчастен всю жизнь. Но какая, однако, разница! У меня это всегда шло, ослабляясь...".
Единственным, что у Ампера шло относительно хорошо, была наука. Он занимался уравнениями в частных производных, оптикой, химией. Он удостоен за свои научные заслуги ордена Почетного Легиона. Он состоит во множестве комиссий, включая "Комиссию по изданию классиков литературы". Он работает одновременно на нескольких должностях. Единственное, чем, может быть, не занимался Ампер в то время, - это "взаимоотношениями" электричества и магнетизма...
Нетерпеливо ждет Ампер следующего понедельника, 11 сентября, когда Французская академия наук снова соберется на свое очередное заседание. Вот быстрый черноглазый испанец Араго собирает на демонстрационном столе несложную установку - вольтов столб, накоротко замкнутый медным проводником. Рядом компас и чашка с железными опилками. Вот компас помещается рядом с проводником - стрелка компаса тут же поворачивается так, чтобы стать перпендикулярно к нему. Это - знаменитый опыт Эрстеда. Электричество и магнетизм явно взаимодействуют друг с другом - факт, абсолютно неожиданный для ученых, полагавших, что два явления, как это когда-то показал и доказал Гильберт, ничего общего друг с другом не имеют.
Заседание кончается, протоколист выводит под датой "11 сентября": "...г. Араго повторил перед академией опыты г. Эрстеда". Спокойные, нимало не взволнованные академики чинно разошлись по домам. Лишь уже немолодой - сорок пять, по тем временам - старик! Ампер бежит сломя голову к слесарю, чтобы заказать копию инструментов, показанных только что Араго. Нужно скорей установить инструменты дома, в маленькой квартирке на улице Фоссе-де-Сен-Виктор и все эксперименты проделать собственными неумелыми руками. Ведь Ампер - теоретик, он никогда не ставил сложных опытов, у него не было лаборатории, он не мог израсходовать ни одного казенного франка на покупку приборов. Пока слесарь делает не слишком-то сложные приборы, Ампер сооружает немудрящий лабораторный стол. Два его друга - добровольные помощники Френель и Депрец участвуют в первых экспериментах. Небольшой столб, замкнутый проводом - основной объект изучения Ампера.
Он подносит компас то к проводу, то к столбу и сразу же убеждается, что стрелка изменяет свое направление и рядом с проводом, и рядом с самим столбом. Стоит. цепь разомкнуть - и эффект полностью пропадает. Значит, магнитные явления сопутствуют не всякому электричеству?
Электричеств в то время было два - одно то, которое знал еще Фалес, то, которое получал на громадных шарах из серы бургомистр Отто фон Герике, то, которое знал Франклин, то, которое ответственно за притяжение бумажек и пушинок, статическое электричество. Другое - вольтовское гальваническое электричество, с помощью которого можно было разлагать воду и кислоты, которое получали с помощью вольтовых столбов.
Магнетизм оказался присущим лишь второму электричеству, причем только тогда, когда цепь была замкнута, тогда, когда по ней от одного полюса вольтова столба к другому шел ток.
Но когда тока в цепи нет, вольтов столб проявляет все свойства "первого" электричества - скопившиеся на его концах заряды могут притягивать пушинки и вообще проявлять действия статического, франклинова электричества, Стоит зарядам прийти в движение, когда цепь замкнута, и электричество номер один превращается в электричество номер два. И только электричество в движении, электричество гальваническое, производит магнитные действия. Сила, зависящая от движения, - такого еще не было!11
Сразу же возникла идея измерить какой-то мерой интенсивность такого движения. И Ампер первым в мире произнес тогда слова "сила тока". Не удивительно, что через много лет "ампером" была названа единица именно силы тока.
К следующему заседанию академии 18 сентября часть приборов еще не была готова, но Ампер решил выступить и рассказать о том, что стало ему ясным, а также о тех приборах, которые он намеревался построить. В протоколе сохранились слова Ампера: "Я описал приборы, которые я намереваюсь построить, и среди прочих гальванические (то есть обтекаемые током. - Вл. К.) спирали и завитки. Я высказал ту мысль, что эти последние должны производить во всех случаях такой же эффект, как магниты... я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам".