Страница:
Не ясно ли становится после этого, что наблюдение есть дело отнюдь не легкое? С одной стороны, если мы имеем предвзятое мнение, то становимся расположенными видеть вещи не совершенно так, как они есть, а как мы думаем о них. С другой стороны, без предвзятого мнения мы делаемся расположенными не замечать многого, что должны были бы видеть. А между тем мы должны или иметь предвзятое мнение, или не иметь никакого мнения. Поэтому очевидно, что все наши наблюдения, исключая тех, которые производятся под влиянием уже установленных и истинных теорий, рискуют оказаться извращенными или неполными.
Остается только заметить, что если наши наблюдения несовершенны в случаях, подобных предыдущим, где вещи постоянны и где мы можем неоднократно и даже постоянно смотреть на них, то до какой степени более несовершенны должны быть наши наблюдения в тех случаях, когда вещи состоят из сложных процессов, изменений или действий и когда каждый из них представляет последовательные фазисы, которые, если не были точно наблюдаемы в момент их отдельного проявления, вовсе никогда не могут быть наблюдены. Здесь шансы к ошибкам неизмеримо увеличиваются. А когда вдобавок существует еще некоторое нравственное возбуждение, когда, как в опытах над стучащими духами и столовращениями, ум как-то особенно парализуется страхом или чудом, - тогда точное наблюдение становится почти невозможным.
VI
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?
(Впервые напечатано в "The Reader"
19 ноября 1864 г.). Перевод Л. Б. Хавкиной
Под редакцией проф. А. П. Шимкова
За последние годы вряд ли кто-нибудь из компетентных физиков употреблял термин "электрическая жидкость" иначе как в условном смысле. Различая два рода электричества: "положительное" и "отрицательное" или "стеклянное" и "смоляное", они пользовались этими названиями только как подходящими символами, а не как определениями особых сущностей. Теперь же, когда доказано, что тепло и свет - виды движения, стало ясно, что все подобные проявления силы должны быть особыми видами движения. Вопрос, значит, сводится к тому, каким видом движения обусловливается электричество? Что здесь дело идет о каких-то колебаниях частиц, не сходных с колебаниями частиц в светящихся телах, с этим согласится, вероятно, всякий, кто знаком с новейшими открытиями. Не можем ли мы предположить, что, помимо простых колебаний молекул, от которых происходит свет и тепло, бывают иногда еще и сложные? Посмотрим, не способны ли условия, при которых появляется электричество, вызвать сложных колебаний и не представляет ли само явление электричества того, что должно происходить при сложных колебаниях.
Появлению электричества всегда предшествует непосредственное или посредственное соприкосновение веществ, разнородных или по составу или по состоянию частиц. Итак, если электричество есть какой-то вид молекулярного движения и ему всегда предшествует соприкосновение веществ с неодинаковыми молекулами или с молекулами в неодинаковых состояниях, то мы должны заключить, что электричество происходит от какого-то взаимодействия молекул, имеющих неодинаковые движения. В чем же должно состоять взаимодействие молекул с неодинаковыми движениями, которое, как мы видели, всегда предшествует электрической дистурбации, Ответ на этот вопрос не трудно найти, если рассмотреть простейший случай происхождения электричества через соприкосновение разнородных тел.
Когда накладывают одну на другую две однородные металлические пластинки, имеющие одинаковую температуру, то электрического возбуждения не получается, но если наложенные пластинки разнородны по веществам или по температуре, то электричество развивается.
Это прежде считалось странным явлением, настолько странным, что его даже сильно оспаривали, так как оно противоречило всем существовавшим тогда представлениям. Однако оно сразу объясняется той гипотезой, что электричество происходит от взаимной дистурбации неодинаковых молекулярных движений. И в самом деле, при соприкосновении однородных металлов их соответственные частицы, колеблясь равномерно, действуют взаимно одни на другие, но не вызывают этим колебаний нового порядка; если же колебания частиц одного тела отличаются по своей продолжительности от колебаний другого тела, то взаимные столкновения или встречи частиц будут происходить не в те периоды, как колебания частиц того или другого тела. Это порождает совершенно новый ритм, который гораздо длиннее, чем каждый из периодов двух отдельно взятых тел. Наилучшей иллюстрацией того, что происходит при этом, может служить образование так называемых "ударений" звука. Известно, что две струны, колеблющиеся в различные периоды, время от времени образуют воздушные волны в одном и том направлении и в один и тот же момент; затем совпадение колебаний мало-помалу изменяется, они расходятся и совершаются зараз по противоположным направлениям, вызывая воздушные волны противоположного состояния, которые ослабляют друг друга; далее, снова приходя к согласованию, они опять дают совпадающие и складывающиеся волны. Если периоды этих колебаний хотя бы немного различны, то потребуется заметный промежуток времени для того, чтобы последовало чередование их совпадений и несовпадений; в звуке же слышатся чередования то усиленного, то ослабленного звука Другими словами, кроме первоначальных простых волн с коротким периодом, образующих два первоначальных звука, получается еще ряд медленных сложных волн, обусловленных повторными столкновениями и совпадениями первых. Вместо двух струн, передающих свои колебания в воздух, можно рассматривать эти же струны, как сообщающие свои колебания друг другу, и тогда получится такое же чередование совпадающих и несовпадающих сотрясений струн.
Если бы каждая из двух струн была соединена с группой ей подобных и могла бы сообщать соседним струнам как собственные, первоначальные, так и измененные колебания, то, очевидно, каждая из струнных групп, помимо своих простых быстрых колебаний, производила бы еще ту или другую сложную колебательную волну. Этот пример, думается мне, показывает, что если массу молекул, имеющих известный период колебаний, привести в соприкосновение с другой массой молекул, имеющих другой период колебаний, то совпадение и несовпадение их движений должно чередоваться и частицы должны попеременно то увеличивать, то уменьшать размахи своих колебаний. По временам колебательные движения совершаются в одном направлении, а в промежуточные моменты они совершаются в противоположных направлениях; вследствие этого будут наступать попеременно периоды наибольшего и наименьшего отклонения от обычного положения частиц. Эти наибольшие и наименьшие отклонения, передаваясь соседним частицам, а от них следующим, порождают пертурбационные волны, которые распространяются по каждому телу. Теперь посмотрим, каково взаимное отношение этих волн. Так как действие и противодействие равны между собой и противоположны по своим направлениям, то всякое влияние, которое частицы тела А оказывают на ближайшую частицу тела В, должно сопровождаться соответственным обратным влиянием второй на первую. Если частицы тела А движутся так, что сообщают частицам тела В увеличенную скорость в известном направлении, то скорость частицы А в этом же направлении уменьшится в такой же мере. Другими словами, для каждой волны ускоренного движения, распространяющейся по частицам тела В, должна образоваться волна противодействия (реакции), в виде замедленного движения, распространяющаяся в противоположном направлении по частицам А. Следует заметить два важных вывода, вытекающих из этого. Всякое прибавление движения, которое в один из очередных периодов сообщается от частиц А частицам В, должно распространяться через В в направлении от А; в то же время должно произойти уменьшение движения в частицах А которое распространяется через А, в направлении от В. Каждой растущей волне, проходящей через одно тело, должна соответствовать убывающая волна, проходящая через другое; эти положительные и отрицательные волны точно совпадают по времени и совершенно равны по величине. Отсюда же следует, что если эти волны, распространяющиеся по противоположным направлениям от поверхностей соприкосновения двух масс, будут приведены в соединение между собою, то они взаимно уничтожатся. А так как действие и противодействие равны и противоположны, то, если сложить движения частиц плюс и минус, они взаимно уничтожатся, и равновесие будет восстановлено. Положительные и отрицательные пертурбационные волны легко проходят по обоим телам от частицы к частице. Доказано, что частицы тел поглощают те колебания или волны, которые имеют одинаковые с ними периоды, и при этом их собственные колебания усиливаются, но они не могут поглощать колебаний, имеющих неодинаковые с ними периоды. Поэтому сложные колебания, которые гораздо продолжительнее, чем собственные колебания частиц, легко проходят через массу тел, или тело проводит их. Далее, если два тела остаются в соприкосновении, то положительные и отрицательные волны, образующиеся от взаимодействия частиц двух тел, распространяются от поверхности их соприкосновения по противоположным направлениям и, достигая внешних поверхностей обеих масс, отражаются оттуда; возвращаясь обратно к поверхности соприкосновения, они встречаются и взаимно уничтожаются. На проволоке, соединяющей внешние поверхности двух тел, не получается электрического тока, потому что взаимное уничтожение волн совершается легко в самых телах при возвращении волн через сами тела. Однако, несмотря на отсутствие тока в таком наружном проводнике, тела будут находиться в так называемых противоположных электрических состояниях, и чувствительный электрометр покажет это. Если их разъединить, то положительные и отрицательные волны, которые перед тем распространялись по ним, не будут взаимно уничтожаться, и тела проявят свое противоположное электрическое состояние в более наглядной форме. Остающиеся положительные и отрицательные волны будут взаимно уничтожаться на помещенном между ними проводнике, причем плюс волн, сообщенных проводнику от одного тела, и минус волн, сообщенных ему от другого, при встрече будут уничтожаться; проводник же представит путь наименьшего сопротивления для волн, распространяющихся от каждого тела.
Перейдем теперь к явлению термоэлектричества. Предположим, что две металлические массы нагреты на поверхностях соприкосновения, причем форма их такова, что поверхности соприкосновения можно нагреть сильно, в то время как более отдаленные части не нагреются заметно. Что выйдет? Тиндаль показал на различных газах и жидкостях, что если, при равенстве остальных условий, частицы сообщают телам большее количество того нечувствительного движения, которое мы называем теплом, то периоды колебаний не изменяются, а только возрастает амплитуда колебаний, частицы совершают больший путь в те же самые промежутки времени. Допустим, что это имеет место и для твердых тел; тогда окажется, что при нагревании двух металлов на поверхностях соприкосновения получится такой же результат, как и прежде, относительно свойств и промежутков сложных, дифференциальных волн; перемена, однако, произойдет в направлении этих волн: два рода частиц, каждый порознь, приобретают ускоренное движение, через это и их взаимные пертурбации также возрастут. Усиленные положительные и отрицательные волны дифференциального движения, как и прежде, будут проходить через каждое тело по направлению от поверхностей соприкосновения, т. е. к холодным краям тел. От холодных краев они по-прежнему, будут стремиться к взаимному уравновешиванию. Но они встретят сопротивление на обратном пути. Доказано, что с повышением температуры уменьшается проводимость металла для электричества. Итак, если холодные края двух масс соединить посредством третьей массы, частицы которой могут свободно передавать эти дифференциальные колебания, т е. если эти края соединить проводником, то положительные и отрицательные волны будут встречаться и взаимно уничтожаться на проводнике, вместо того чтобы отражаться обратно к поверхностям соприкосновения. Другими словами, установится ток на проволоке, соединяющей холодные края наших металлических тел. Для дальнейшего рассуждения нам необходимо объяснить, что такое термоэлектрический столбик. Если спаять концами ряд пластинок из различных металлов, например сурьмы и висмута, в последовательном порядке: АВ, АВ, АВ и т. д., - то, пока они холодны, электрического тока не будет. Если одинаково нагреть все спайки, то также не появится признаков электрического тока, помимо того, который может быть вызван относительно низкой температурой обоих краев сложной пластинки. Но если нагреть спайки через одну, то на проволоке, соединяющей оба края сложной пластинки, появится электрический ток, и довольно сильный, соответственно числу пар. Какая же тут причина? Очевидно, пока спайки сохраняли одинаковую температуру, дифференциальные волны, распространяющиеся от каждой спайки к двум ближайшим, были равны и противоположны тем, которые исходили от ближайших спаек обратно, и поэтому дистурбации не было. Но если нагревать спайки через одну, то положительные и отрицательные волны, исходящие от них, будут сильнее, чем волны, исходящие от других ненагретых спаек. Поэтому, если нагреть спайку пластинки А с пластинкой В, то другой, не нагретый, край пластинки В, спаянный с А, воспримет более сильную дифференциальную волну, чем та, которую он отошлет назад. К волне, которую ее молекулы в противном случае ввели бы в молекулы А2, присоединяется еще эффект, который она несет от А1. Этот особенный импульс, распространяющийся до другого края В2, присоединяется к импульсу, который нагретые молекулы иначе передали бы А3, и т. д. по всему ряду. Сложенные вместе, волны становятся сильнее и ток на проволоке, соединяющей концы ряда, напряженнее. Такое объяснение явлений термоэлектричества вызовет, вероятно, возражение, что иногда бывает термоэлектрический ток между массами однородного металла и даже между отдельными частями одной и той же массы. На это можно сказать, что если различие периодов колебаний в соприкасающихся частицах есть причина электрической дистурбации, то тепло не должно было бы вызывать электрической дистурбации при соприкосновении однородных частиц, так как тепло не изменяет периодов молекулярных колебаний. Это возражение, которое с первого взгляда кажется серьезным, приводит нас к одному выводу. Если массы молекул во всех отношениях однородны, то различие температуры не вызывает термоэлектрического тока. Соединение горячей и холодной ртути не дает электрического возбуждения. Во всех случаях, когда термоэлектричество возбуждается между однородными металлами, несомненно существует разнородность в их молекулярном строении: один был кован, а другой не был, или один был прокален, а другой не был. Если ток появляется между отдельными частями одной и той же массы, то существует разница в кристаллическом состоянии частиц или в способе их охлаждения после отливки или накаливания. Другими словами, это доказывает, что частицы в двух телах или в различных частях одного и того же тела находятся в неодинаковых отношениях к смежным частицам - в неодинаковом состоянии напряжения. Как бы справедливо ни было, что однородные частицы колеблются в одинаковые периоды при всякой температуре, но это справедливо только до тех пор, пока их движения не подвергаются влиянию каких-нибудь сдерживающих сил. Если однородные частицы в одном теле расположены так, как это бывает при кристаллическом состоянии, а в другом они иначе сцеплены между собою или если в одном теле соотношения частиц изменены ковкой, а в другой такого изменения не произведено, то различие препятствий, при которых они колеблются, отразится на времени их колебаний. А раз времена колебаний станут неравными, то указанная причина электрической дистурбации станет оказывать свое действие. Сводя все сказанное выше, нельзя ли, спрашивается, сказать, что явление электричества может быть объяснено только такого рода действием и что такого рода действие должно неминуемо возникнуть при данных условиях? С одной стороны, рассматривая электричество как вид движения, этим самым признают изменение какого-то ранее существовавшего движения, т. е. предполагают такое изменение, которое одновременно дает два новых рода движения, равных и противоположных по направлению, и одно из них положительное, а другое отрицательное; поэтому они могут взаимно уничтожаться. С другой стороны, в вышеупомянутых случаях молекулярное движение есть единственный источник движения, на который можно указать; и это молекулярное движение при известных обстоятельствах как будто рассчитано на то, чтобы производить эффект, подобный рассмотренному нами. Частицы, совершающие колебания в различные времена при взаимодействии, не могут не оказать влияния на движение каждой из них. Они должны влиять взаимно, периодически, то ускоряя, то замедляя движение друг другу а всякий избыток движения, который сообщается одним, вызовет соответствующий недостаток движения в других. Если такие частицы образуют сложные молекулы, приведенные в соприкосновение, то они должны передавать эти пертурбации смежным молекулам. Итак, от поверхности соприкосновения должны исходить волны усиленного и уменьшенного молекулярного движения, равные по величине и противоположные по направлению, волны, которые должны компенсировать друг друга, когда их приведут в соприкосновение. Я говорил здесь только о простейшем виде явлений электричества. Впоследствии я, быть может, попытаюсь показать, как объясняет эта гипотеза другие формы проявления электричества.
Примечание (1873 г.). В течение девяти лет со времени напечатания вышеупомянутого очерка я не брался за подобное объяснение других форм проявления электричества. Хотя время от времени я и возвращался к этому предмету в надежде исполнить обещание, данное мною в заключительных строках, но никакие указания не поощряли меня к развитию моих рассуждений. Теперь же перепечатывание моей статьи в окончательной форме вновь наводит меня на этот вопрос-, у меня является мысль, которую, кажется, стоит изложить. Эта мысль возникла от сопоставления двух различных идей. В первом выпуске Оснований биологии, вышедшем в январе 1863 г., говоря в числе других "данных биологии" об органической материи и о влиянии сил на нее, я пытался рассуждать о частичных действиях, обусловливающих органические изменения, и, между прочим, о том, как свет помогает растениям извлекать углерод из углекислоты (п. 13). Указывая на то, что способность теплоты разлагать сложные молекулы обыкновенно бывает пропорциональна разности между атомными весами их составных элементов, я выводил из этого, что составные элементы, имеющие весьма различные атомные веса, имеют весьма различные движения и поэтому подвержены весьма различным колебаниям, я заключал, что пропорционально различию ритма составных элементов сложная молекула становится неустойчивой при действии на нее эфирных колебаний значительного напряжения, которые влияют на один из ее составных элементов больше, чем на другой или вообще на другие: их движения настолько теряют соответствие, что они уже больше не могут держаться вместе. Далее, я говорил, что довольно устойчивая сложная молекула под влиянием сильных эфирных колебаний, производящих особенно сильное действие на один из ее составных элементов, может быть разложена в присутствии другой, не похожей на первую, молекулы, у которой составные элементы по времени колебания менее отличаются от этого подвергшегося дистурбации элемента. Затем я проводил параллель между раскислением металлов посредством углерода, когда они подвергаются колебаниям длинных периодов в печи, и выделением углерода из углекислоты и других тел при помощи водорода под влиянием колебаний коротких периодов (световых) в листьях растений. Я напоминаю эти идеи главным образом для того, чтобы дать ясное понятие о сложной молекуле, содержащей составные элементы с различным движением, составные элементы, имеющие самостоятельные и неодинаковые колебания, помимо колебания, свойственного всей молекуле. Я думаю, что это понятие можно признать правильным. Прекрасные опыты, посредством которых Тиндаль доказал, что свет разлагает поры некоторых составов, поясняют свойство элементов сложной молекулы воспринимать эфирные колебания, соответствующие свойственным им колебаниям, вследствие чего их индивидуальные движения настолько возрастают, что производят разрыв сложной молекулы. Так, по крайней мере, Тиндаль объясняет этот факт. Я полагаю, что это его объяснение, применимое для фактов, свидетельствующих об удивительном свойстве паров со сложной частицей поглощать тепло, сходно с моим, и именно, что тепловые колебания в таких парах воспринимаются составными частями для возрастания движений внутри каждой молекулы, а не для возрастания движения в целой молекуле. Допустим, что это представление о влиянии эфирных колебаний на сложные молекулы правильно; тогда возникает вопрос, каково же взаимодействие сложных молекул? Как отражается на ритмических движениях составных элементов какой-нибудь сложной молекулы соседство элементов другой, не сходной с нею, а также сложной молекулы? Не можем ли мы предположить, что взаимное влияние производится не только неодинаковыми молекулами, как целыми, но что также в известной мере существует независимое взаимное влияние их составных элементов, и не имеет ли здесь место какая-нибудь особая форма молекулярного движения? В рассуждениях предыдущей статьи в расчет принимаются молекулы соприкасающихся металлов, молекулы, если не безусловно, то, во всяком случае, сравнительно простые; предполагается, что они производят во взаимных движениях сравнительно простые пертурбации, которые могут передаваться в каждой массе от одной молекулы к другой. Стараясь провести дальше это объяснение, я до сих пор еще не рассматривал пертурбаций, производимых взаимодействием сложных молекул, принимая во внимание не только способность каждой молекулы влиять на другую, как на нечто целое, но и способность отдельных составных частиц каждой из них влиять на отдельные составные частицы другой. Если в отдельном составном элементе сложной молекулы, под напором эфирных волн, амплитуда колебаний возрастет настолько, что выделит этот элемент из молекулы, то едва ли подлежит сомнению, что отдельный составной элемент сложной молекулы может повлиять на известную составную часть смежной, неодинаковой с первой сложной молекулы; колебания этих элементов будут влиять друг на друга, помимо общих пертурбаций, производимых сложными молекулами, как целыми. Мы заключаем, что вызванная таким образом вторичная пертурбация, подобно первой, дает равное и противоположное действие и противодействие и равные и противоположные изменения в молекулярных движениях. Из этого можно получить несколько следствий. Если сложная молекула с медленным ритмом в целом и более быстрыми ритмами ее составных частиц обладает свойством сильно воспринимать движение, называемое нами теплом, при ускорении ее внутренних частичных колебаний и, наоборот, меньше воспринимать его при ускорении колебаний всей молекулы, как целой, то не можем ли мы заключить, что подобное же явление произойдет при действии на частицу другого рода сил?
Не можем ли мы предсказать, что при воздействии массы сложных молекул одного рода на массу сложных молекул другого рода (например, при трении) взаимные влияния молекул, производимые как колебаниями целых молекул, так и колебаниями их составных частиц, будут меньше от первой и больше от второй причины, по мере того как молекулы становятся сложнее? Далее является новое заключение. В то время как значительная часть взаимного влияния сложных молекул будет направлена на ускорение движения внутри каждой из них, то из этого внутреннего движения, нужно думать, лишь сравнительно малая часть передается другим молекулам. Избыток колебаний отдельных частиц большой группы не так легко переходит на соответственные частицы прилежащих больших групп, так как они отстоят сравнительно далеко друг от друга. Всякое движение передается и должно передаваться волнами промежуточной эфирной среды, сила же их должна быстро убывать с увеличением расстояния. Очевидно, по той причине, что с увеличением сложности молекул трудность передачи частичных движений сильно увеличивается.
Не явствует ли в то же время, что такое увеличение колебаний в отдельных частицах группы, не легко передаваемое соответственным частицам прилежащих групп, будет легко накопляться? Чем сложнее становятся молекулы, чем доступнее их отдельные составные элементы сильному влиянию отдельных составных элементов из ближайших сложных молекул, тем возможнее прогрессивное возрастание их взаимных пертурбаций.
Теперь посмотрим, насколько эти выводы приложимы к статическому электричеству, совершенно не сходному с той формой электричества, о которой мы говорили выше. Вещества, особенно заметно вызывающие явление статического электричества, отличаются то химической сложностью молекул, то сложностью, обусловленной аллотропическим или изомерным строением молекул, то тем и другим вместе. Простые вещества, в которых электричество возбуждается трением, как углерод или сера, имеют несколько аллотропических состояний и могут образовать разнообразные сложные молекулы. Конхоидальный (улиткообразный) излом в алмазе или в литой сере свидетельствует о какой-то комоидальной форме сцепления, при которой, по мнению Грэма, молекулы соединены в сравнительно большие группы { Хотя улиткообразная трещина еще не есть доказательство коллоидального состояния, но она всегда обнаруживается на коллоидальных веществах, достаточно твердых для излома. Относительно серы в палочках можно сказать, что через несколько дней после ее приготовления она переходит из первоначального состояния в ряд мелких кристаллов другого рода, неправильно расположенных, но есть основание предполагать в них ядро аморфной серы. От Франкленда я узнал, что после возгонки сера дает частью мелкие кристаллы, частью аморфный нерастворимый порошок.}.
Остается только заметить, что если наши наблюдения несовершенны в случаях, подобных предыдущим, где вещи постоянны и где мы можем неоднократно и даже постоянно смотреть на них, то до какой степени более несовершенны должны быть наши наблюдения в тех случаях, когда вещи состоят из сложных процессов, изменений или действий и когда каждый из них представляет последовательные фазисы, которые, если не были точно наблюдаемы в момент их отдельного проявления, вовсе никогда не могут быть наблюдены. Здесь шансы к ошибкам неизмеримо увеличиваются. А когда вдобавок существует еще некоторое нравственное возбуждение, когда, как в опытах над стучащими духами и столовращениями, ум как-то особенно парализуется страхом или чудом, - тогда точное наблюдение становится почти невозможным.
VI
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?
(Впервые напечатано в "The Reader"
19 ноября 1864 г.). Перевод Л. Б. Хавкиной
Под редакцией проф. А. П. Шимкова
За последние годы вряд ли кто-нибудь из компетентных физиков употреблял термин "электрическая жидкость" иначе как в условном смысле. Различая два рода электричества: "положительное" и "отрицательное" или "стеклянное" и "смоляное", они пользовались этими названиями только как подходящими символами, а не как определениями особых сущностей. Теперь же, когда доказано, что тепло и свет - виды движения, стало ясно, что все подобные проявления силы должны быть особыми видами движения. Вопрос, значит, сводится к тому, каким видом движения обусловливается электричество? Что здесь дело идет о каких-то колебаниях частиц, не сходных с колебаниями частиц в светящихся телах, с этим согласится, вероятно, всякий, кто знаком с новейшими открытиями. Не можем ли мы предположить, что, помимо простых колебаний молекул, от которых происходит свет и тепло, бывают иногда еще и сложные? Посмотрим, не способны ли условия, при которых появляется электричество, вызвать сложных колебаний и не представляет ли само явление электричества того, что должно происходить при сложных колебаниях.
Появлению электричества всегда предшествует непосредственное или посредственное соприкосновение веществ, разнородных или по составу или по состоянию частиц. Итак, если электричество есть какой-то вид молекулярного движения и ему всегда предшествует соприкосновение веществ с неодинаковыми молекулами или с молекулами в неодинаковых состояниях, то мы должны заключить, что электричество происходит от какого-то взаимодействия молекул, имеющих неодинаковые движения. В чем же должно состоять взаимодействие молекул с неодинаковыми движениями, которое, как мы видели, всегда предшествует электрической дистурбации, Ответ на этот вопрос не трудно найти, если рассмотреть простейший случай происхождения электричества через соприкосновение разнородных тел.
Когда накладывают одну на другую две однородные металлические пластинки, имеющие одинаковую температуру, то электрического возбуждения не получается, но если наложенные пластинки разнородны по веществам или по температуре, то электричество развивается.
Это прежде считалось странным явлением, настолько странным, что его даже сильно оспаривали, так как оно противоречило всем существовавшим тогда представлениям. Однако оно сразу объясняется той гипотезой, что электричество происходит от взаимной дистурбации неодинаковых молекулярных движений. И в самом деле, при соприкосновении однородных металлов их соответственные частицы, колеблясь равномерно, действуют взаимно одни на другие, но не вызывают этим колебаний нового порядка; если же колебания частиц одного тела отличаются по своей продолжительности от колебаний другого тела, то взаимные столкновения или встречи частиц будут происходить не в те периоды, как колебания частиц того или другого тела. Это порождает совершенно новый ритм, который гораздо длиннее, чем каждый из периодов двух отдельно взятых тел. Наилучшей иллюстрацией того, что происходит при этом, может служить образование так называемых "ударений" звука. Известно, что две струны, колеблющиеся в различные периоды, время от времени образуют воздушные волны в одном и том направлении и в один и тот же момент; затем совпадение колебаний мало-помалу изменяется, они расходятся и совершаются зараз по противоположным направлениям, вызывая воздушные волны противоположного состояния, которые ослабляют друг друга; далее, снова приходя к согласованию, они опять дают совпадающие и складывающиеся волны. Если периоды этих колебаний хотя бы немного различны, то потребуется заметный промежуток времени для того, чтобы последовало чередование их совпадений и несовпадений; в звуке же слышатся чередования то усиленного, то ослабленного звука Другими словами, кроме первоначальных простых волн с коротким периодом, образующих два первоначальных звука, получается еще ряд медленных сложных волн, обусловленных повторными столкновениями и совпадениями первых. Вместо двух струн, передающих свои колебания в воздух, можно рассматривать эти же струны, как сообщающие свои колебания друг другу, и тогда получится такое же чередование совпадающих и несовпадающих сотрясений струн.
Если бы каждая из двух струн была соединена с группой ей подобных и могла бы сообщать соседним струнам как собственные, первоначальные, так и измененные колебания, то, очевидно, каждая из струнных групп, помимо своих простых быстрых колебаний, производила бы еще ту или другую сложную колебательную волну. Этот пример, думается мне, показывает, что если массу молекул, имеющих известный период колебаний, привести в соприкосновение с другой массой молекул, имеющих другой период колебаний, то совпадение и несовпадение их движений должно чередоваться и частицы должны попеременно то увеличивать, то уменьшать размахи своих колебаний. По временам колебательные движения совершаются в одном направлении, а в промежуточные моменты они совершаются в противоположных направлениях; вследствие этого будут наступать попеременно периоды наибольшего и наименьшего отклонения от обычного положения частиц. Эти наибольшие и наименьшие отклонения, передаваясь соседним частицам, а от них следующим, порождают пертурбационные волны, которые распространяются по каждому телу. Теперь посмотрим, каково взаимное отношение этих волн. Так как действие и противодействие равны между собой и противоположны по своим направлениям, то всякое влияние, которое частицы тела А оказывают на ближайшую частицу тела В, должно сопровождаться соответственным обратным влиянием второй на первую. Если частицы тела А движутся так, что сообщают частицам тела В увеличенную скорость в известном направлении, то скорость частицы А в этом же направлении уменьшится в такой же мере. Другими словами, для каждой волны ускоренного движения, распространяющейся по частицам тела В, должна образоваться волна противодействия (реакции), в виде замедленного движения, распространяющаяся в противоположном направлении по частицам А. Следует заметить два важных вывода, вытекающих из этого. Всякое прибавление движения, которое в один из очередных периодов сообщается от частиц А частицам В, должно распространяться через В в направлении от А; в то же время должно произойти уменьшение движения в частицах А которое распространяется через А, в направлении от В. Каждой растущей волне, проходящей через одно тело, должна соответствовать убывающая волна, проходящая через другое; эти положительные и отрицательные волны точно совпадают по времени и совершенно равны по величине. Отсюда же следует, что если эти волны, распространяющиеся по противоположным направлениям от поверхностей соприкосновения двух масс, будут приведены в соединение между собою, то они взаимно уничтожатся. А так как действие и противодействие равны и противоположны, то, если сложить движения частиц плюс и минус, они взаимно уничтожатся, и равновесие будет восстановлено. Положительные и отрицательные пертурбационные волны легко проходят по обоим телам от частицы к частице. Доказано, что частицы тел поглощают те колебания или волны, которые имеют одинаковые с ними периоды, и при этом их собственные колебания усиливаются, но они не могут поглощать колебаний, имеющих неодинаковые с ними периоды. Поэтому сложные колебания, которые гораздо продолжительнее, чем собственные колебания частиц, легко проходят через массу тел, или тело проводит их. Далее, если два тела остаются в соприкосновении, то положительные и отрицательные волны, образующиеся от взаимодействия частиц двух тел, распространяются от поверхности их соприкосновения по противоположным направлениям и, достигая внешних поверхностей обеих масс, отражаются оттуда; возвращаясь обратно к поверхности соприкосновения, они встречаются и взаимно уничтожаются. На проволоке, соединяющей внешние поверхности двух тел, не получается электрического тока, потому что взаимное уничтожение волн совершается легко в самых телах при возвращении волн через сами тела. Однако, несмотря на отсутствие тока в таком наружном проводнике, тела будут находиться в так называемых противоположных электрических состояниях, и чувствительный электрометр покажет это. Если их разъединить, то положительные и отрицательные волны, которые перед тем распространялись по ним, не будут взаимно уничтожаться, и тела проявят свое противоположное электрическое состояние в более наглядной форме. Остающиеся положительные и отрицательные волны будут взаимно уничтожаться на помещенном между ними проводнике, причем плюс волн, сообщенных проводнику от одного тела, и минус волн, сообщенных ему от другого, при встрече будут уничтожаться; проводник же представит путь наименьшего сопротивления для волн, распространяющихся от каждого тела.
Перейдем теперь к явлению термоэлектричества. Предположим, что две металлические массы нагреты на поверхностях соприкосновения, причем форма их такова, что поверхности соприкосновения можно нагреть сильно, в то время как более отдаленные части не нагреются заметно. Что выйдет? Тиндаль показал на различных газах и жидкостях, что если, при равенстве остальных условий, частицы сообщают телам большее количество того нечувствительного движения, которое мы называем теплом, то периоды колебаний не изменяются, а только возрастает амплитуда колебаний, частицы совершают больший путь в те же самые промежутки времени. Допустим, что это имеет место и для твердых тел; тогда окажется, что при нагревании двух металлов на поверхностях соприкосновения получится такой же результат, как и прежде, относительно свойств и промежутков сложных, дифференциальных волн; перемена, однако, произойдет в направлении этих волн: два рода частиц, каждый порознь, приобретают ускоренное движение, через это и их взаимные пертурбации также возрастут. Усиленные положительные и отрицательные волны дифференциального движения, как и прежде, будут проходить через каждое тело по направлению от поверхностей соприкосновения, т. е. к холодным краям тел. От холодных краев они по-прежнему, будут стремиться к взаимному уравновешиванию. Но они встретят сопротивление на обратном пути. Доказано, что с повышением температуры уменьшается проводимость металла для электричества. Итак, если холодные края двух масс соединить посредством третьей массы, частицы которой могут свободно передавать эти дифференциальные колебания, т е. если эти края соединить проводником, то положительные и отрицательные волны будут встречаться и взаимно уничтожаться на проводнике, вместо того чтобы отражаться обратно к поверхностям соприкосновения. Другими словами, установится ток на проволоке, соединяющей холодные края наших металлических тел. Для дальнейшего рассуждения нам необходимо объяснить, что такое термоэлектрический столбик. Если спаять концами ряд пластинок из различных металлов, например сурьмы и висмута, в последовательном порядке: АВ, АВ, АВ и т. д., - то, пока они холодны, электрического тока не будет. Если одинаково нагреть все спайки, то также не появится признаков электрического тока, помимо того, который может быть вызван относительно низкой температурой обоих краев сложной пластинки. Но если нагреть спайки через одну, то на проволоке, соединяющей оба края сложной пластинки, появится электрический ток, и довольно сильный, соответственно числу пар. Какая же тут причина? Очевидно, пока спайки сохраняли одинаковую температуру, дифференциальные волны, распространяющиеся от каждой спайки к двум ближайшим, были равны и противоположны тем, которые исходили от ближайших спаек обратно, и поэтому дистурбации не было. Но если нагревать спайки через одну, то положительные и отрицательные волны, исходящие от них, будут сильнее, чем волны, исходящие от других ненагретых спаек. Поэтому, если нагреть спайку пластинки А с пластинкой В, то другой, не нагретый, край пластинки В, спаянный с А, воспримет более сильную дифференциальную волну, чем та, которую он отошлет назад. К волне, которую ее молекулы в противном случае ввели бы в молекулы А2, присоединяется еще эффект, который она несет от А1. Этот особенный импульс, распространяющийся до другого края В2, присоединяется к импульсу, который нагретые молекулы иначе передали бы А3, и т. д. по всему ряду. Сложенные вместе, волны становятся сильнее и ток на проволоке, соединяющей концы ряда, напряженнее. Такое объяснение явлений термоэлектричества вызовет, вероятно, возражение, что иногда бывает термоэлектрический ток между массами однородного металла и даже между отдельными частями одной и той же массы. На это можно сказать, что если различие периодов колебаний в соприкасающихся частицах есть причина электрической дистурбации, то тепло не должно было бы вызывать электрической дистурбации при соприкосновении однородных частиц, так как тепло не изменяет периодов молекулярных колебаний. Это возражение, которое с первого взгляда кажется серьезным, приводит нас к одному выводу. Если массы молекул во всех отношениях однородны, то различие температуры не вызывает термоэлектрического тока. Соединение горячей и холодной ртути не дает электрического возбуждения. Во всех случаях, когда термоэлектричество возбуждается между однородными металлами, несомненно существует разнородность в их молекулярном строении: один был кован, а другой не был, или один был прокален, а другой не был. Если ток появляется между отдельными частями одной и той же массы, то существует разница в кристаллическом состоянии частиц или в способе их охлаждения после отливки или накаливания. Другими словами, это доказывает, что частицы в двух телах или в различных частях одного и того же тела находятся в неодинаковых отношениях к смежным частицам - в неодинаковом состоянии напряжения. Как бы справедливо ни было, что однородные частицы колеблются в одинаковые периоды при всякой температуре, но это справедливо только до тех пор, пока их движения не подвергаются влиянию каких-нибудь сдерживающих сил. Если однородные частицы в одном теле расположены так, как это бывает при кристаллическом состоянии, а в другом они иначе сцеплены между собою или если в одном теле соотношения частиц изменены ковкой, а в другой такого изменения не произведено, то различие препятствий, при которых они колеблются, отразится на времени их колебаний. А раз времена колебаний станут неравными, то указанная причина электрической дистурбации станет оказывать свое действие. Сводя все сказанное выше, нельзя ли, спрашивается, сказать, что явление электричества может быть объяснено только такого рода действием и что такого рода действие должно неминуемо возникнуть при данных условиях? С одной стороны, рассматривая электричество как вид движения, этим самым признают изменение какого-то ранее существовавшего движения, т. е. предполагают такое изменение, которое одновременно дает два новых рода движения, равных и противоположных по направлению, и одно из них положительное, а другое отрицательное; поэтому они могут взаимно уничтожаться. С другой стороны, в вышеупомянутых случаях молекулярное движение есть единственный источник движения, на который можно указать; и это молекулярное движение при известных обстоятельствах как будто рассчитано на то, чтобы производить эффект, подобный рассмотренному нами. Частицы, совершающие колебания в различные времена при взаимодействии, не могут не оказать влияния на движение каждой из них. Они должны влиять взаимно, периодически, то ускоряя, то замедляя движение друг другу а всякий избыток движения, который сообщается одним, вызовет соответствующий недостаток движения в других. Если такие частицы образуют сложные молекулы, приведенные в соприкосновение, то они должны передавать эти пертурбации смежным молекулам. Итак, от поверхности соприкосновения должны исходить волны усиленного и уменьшенного молекулярного движения, равные по величине и противоположные по направлению, волны, которые должны компенсировать друг друга, когда их приведут в соприкосновение. Я говорил здесь только о простейшем виде явлений электричества. Впоследствии я, быть может, попытаюсь показать, как объясняет эта гипотеза другие формы проявления электричества.
Примечание (1873 г.). В течение девяти лет со времени напечатания вышеупомянутого очерка я не брался за подобное объяснение других форм проявления электричества. Хотя время от времени я и возвращался к этому предмету в надежде исполнить обещание, данное мною в заключительных строках, но никакие указания не поощряли меня к развитию моих рассуждений. Теперь же перепечатывание моей статьи в окончательной форме вновь наводит меня на этот вопрос-, у меня является мысль, которую, кажется, стоит изложить. Эта мысль возникла от сопоставления двух различных идей. В первом выпуске Оснований биологии, вышедшем в январе 1863 г., говоря в числе других "данных биологии" об органической материи и о влиянии сил на нее, я пытался рассуждать о частичных действиях, обусловливающих органические изменения, и, между прочим, о том, как свет помогает растениям извлекать углерод из углекислоты (п. 13). Указывая на то, что способность теплоты разлагать сложные молекулы обыкновенно бывает пропорциональна разности между атомными весами их составных элементов, я выводил из этого, что составные элементы, имеющие весьма различные атомные веса, имеют весьма различные движения и поэтому подвержены весьма различным колебаниям, я заключал, что пропорционально различию ритма составных элементов сложная молекула становится неустойчивой при действии на нее эфирных колебаний значительного напряжения, которые влияют на один из ее составных элементов больше, чем на другой или вообще на другие: их движения настолько теряют соответствие, что они уже больше не могут держаться вместе. Далее, я говорил, что довольно устойчивая сложная молекула под влиянием сильных эфирных колебаний, производящих особенно сильное действие на один из ее составных элементов, может быть разложена в присутствии другой, не похожей на первую, молекулы, у которой составные элементы по времени колебания менее отличаются от этого подвергшегося дистурбации элемента. Затем я проводил параллель между раскислением металлов посредством углерода, когда они подвергаются колебаниям длинных периодов в печи, и выделением углерода из углекислоты и других тел при помощи водорода под влиянием колебаний коротких периодов (световых) в листьях растений. Я напоминаю эти идеи главным образом для того, чтобы дать ясное понятие о сложной молекуле, содержащей составные элементы с различным движением, составные элементы, имеющие самостоятельные и неодинаковые колебания, помимо колебания, свойственного всей молекуле. Я думаю, что это понятие можно признать правильным. Прекрасные опыты, посредством которых Тиндаль доказал, что свет разлагает поры некоторых составов, поясняют свойство элементов сложной молекулы воспринимать эфирные колебания, соответствующие свойственным им колебаниям, вследствие чего их индивидуальные движения настолько возрастают, что производят разрыв сложной молекулы. Так, по крайней мере, Тиндаль объясняет этот факт. Я полагаю, что это его объяснение, применимое для фактов, свидетельствующих об удивительном свойстве паров со сложной частицей поглощать тепло, сходно с моим, и именно, что тепловые колебания в таких парах воспринимаются составными частями для возрастания движений внутри каждой молекулы, а не для возрастания движения в целой молекуле. Допустим, что это представление о влиянии эфирных колебаний на сложные молекулы правильно; тогда возникает вопрос, каково же взаимодействие сложных молекул? Как отражается на ритмических движениях составных элементов какой-нибудь сложной молекулы соседство элементов другой, не сходной с нею, а также сложной молекулы? Не можем ли мы предположить, что взаимное влияние производится не только неодинаковыми молекулами, как целыми, но что также в известной мере существует независимое взаимное влияние их составных элементов, и не имеет ли здесь место какая-нибудь особая форма молекулярного движения? В рассуждениях предыдущей статьи в расчет принимаются молекулы соприкасающихся металлов, молекулы, если не безусловно, то, во всяком случае, сравнительно простые; предполагается, что они производят во взаимных движениях сравнительно простые пертурбации, которые могут передаваться в каждой массе от одной молекулы к другой. Стараясь провести дальше это объяснение, я до сих пор еще не рассматривал пертурбаций, производимых взаимодействием сложных молекул, принимая во внимание не только способность каждой молекулы влиять на другую, как на нечто целое, но и способность отдельных составных частиц каждой из них влиять на отдельные составные частицы другой. Если в отдельном составном элементе сложной молекулы, под напором эфирных волн, амплитуда колебаний возрастет настолько, что выделит этот элемент из молекулы, то едва ли подлежит сомнению, что отдельный составной элемент сложной молекулы может повлиять на известную составную часть смежной, неодинаковой с первой сложной молекулы; колебания этих элементов будут влиять друг на друга, помимо общих пертурбаций, производимых сложными молекулами, как целыми. Мы заключаем, что вызванная таким образом вторичная пертурбация, подобно первой, дает равное и противоположное действие и противодействие и равные и противоположные изменения в молекулярных движениях. Из этого можно получить несколько следствий. Если сложная молекула с медленным ритмом в целом и более быстрыми ритмами ее составных частиц обладает свойством сильно воспринимать движение, называемое нами теплом, при ускорении ее внутренних частичных колебаний и, наоборот, меньше воспринимать его при ускорении колебаний всей молекулы, как целой, то не можем ли мы заключить, что подобное же явление произойдет при действии на частицу другого рода сил?
Не можем ли мы предсказать, что при воздействии массы сложных молекул одного рода на массу сложных молекул другого рода (например, при трении) взаимные влияния молекул, производимые как колебаниями целых молекул, так и колебаниями их составных частиц, будут меньше от первой и больше от второй причины, по мере того как молекулы становятся сложнее? Далее является новое заключение. В то время как значительная часть взаимного влияния сложных молекул будет направлена на ускорение движения внутри каждой из них, то из этого внутреннего движения, нужно думать, лишь сравнительно малая часть передается другим молекулам. Избыток колебаний отдельных частиц большой группы не так легко переходит на соответственные частицы прилежащих больших групп, так как они отстоят сравнительно далеко друг от друга. Всякое движение передается и должно передаваться волнами промежуточной эфирной среды, сила же их должна быстро убывать с увеличением расстояния. Очевидно, по той причине, что с увеличением сложности молекул трудность передачи частичных движений сильно увеличивается.
Не явствует ли в то же время, что такое увеличение колебаний в отдельных частицах группы, не легко передаваемое соответственным частицам прилежащих групп, будет легко накопляться? Чем сложнее становятся молекулы, чем доступнее их отдельные составные элементы сильному влиянию отдельных составных элементов из ближайших сложных молекул, тем возможнее прогрессивное возрастание их взаимных пертурбаций.
Теперь посмотрим, насколько эти выводы приложимы к статическому электричеству, совершенно не сходному с той формой электричества, о которой мы говорили выше. Вещества, особенно заметно вызывающие явление статического электричества, отличаются то химической сложностью молекул, то сложностью, обусловленной аллотропическим или изомерным строением молекул, то тем и другим вместе. Простые вещества, в которых электричество возбуждается трением, как углерод или сера, имеют несколько аллотропических состояний и могут образовать разнообразные сложные молекулы. Конхоидальный (улиткообразный) излом в алмазе или в литой сере свидетельствует о какой-то комоидальной форме сцепления, при которой, по мнению Грэма, молекулы соединены в сравнительно большие группы { Хотя улиткообразная трещина еще не есть доказательство коллоидального состояния, но она всегда обнаруживается на коллоидальных веществах, достаточно твердых для излома. Относительно серы в палочках можно сказать, что через несколько дней после ее приготовления она переходит из первоначального состояния в ряд мелких кристаллов другого рода, неправильно расположенных, но есть основание предполагать в них ядро аморфной серы. От Франкленда я узнал, что после возгонки сера дает частью мелкие кристаллы, частью аморфный нерастворимый порошок.}.