<< Предыдущая

стр. 2
(из 16 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

Лаборатория Лавуазье сделалась центром тогдашней науки. Он тратил огромные суммы на приобретение и монтирование приборов, представляя в этом отношении совершенную противоположность некоторым из своих современников.
В то время еще только предстояло найти основной закон химии, руководящее правило химических исследований; создать метод исследования, вытекавший из этого основного закона; объяснить главные разряды химических явлений и, наконец, развенчать существовавшие фантастические теории.
Эту задачу взял на себя и исполнил Лавуазье. Для выполнения ее недостаточно было экспериментального таланта. К золотым рукам требовалось присоединить золотую же голову. Такое счастливое соединение представлял Лавуазье.
В научной деятельности Лавуазье поражает ее строго логический ход. Сначала он вырабатывает метод исследований. Потом ученый ставит опыт.
основы мироздания
37
Так, в течение 101 дня перегонял воду в замкнутом аппарате. Вода испарялась, охлаждалась, возвращалась в приемник, снова испарялась и так далее. В результате получилось значительное количество осадка. Откуда он взялся?
Общий вес аппарата по окончании опыта не изменился: значит, никакого вещества извне не присоединилось. В ходе этой работы Лавуазье убеждается во всесильности своего метода — метода количественного исследования.
Овладев в совершенстве методом, Лавуазье приступает к своей главной задаче. Работы его, создавшие современную химию, охватывают период времени с 1772 по 1789 год. Исходным пунктом его исследований послужил факт увеличения веса тел при горении. В 1772 году он представил в академию коротенькую записку, в которой сообщал о результате своих опытов, показавших, что при сгорании серы и фосфора они увеличиваются в весе за счет воздуха, иными словами, соединяются с частью воздуха.
Этот факт — основное, капитальное открытие явления, послужившее ключом к объяснению всех остальных. Никто этого не понимал, да и современному читателю может с первого взгляда показаться, что речь здесь о единичном неважном явлении... Но это неверно. Объяснить факт горения значило объяснить целый мир явлений окисления, происходящих всегда и всюду в воздухе, земле, организмах — во всей мертвой и живой природе, в бесчисленных вариациях и разнообразнейших формах.
Около шестидесяти мемуаров было им посвящено уяснению различных вопросов, связанных с этим исходным пунктом. В них новая наука развивается как клубок. Явления горения естественно приводят Лавуазье, с одной стороны, к исследованию состава воздуха, с другой — к изучению остальных форм окисления; к образованию различных окисей и кислот и уяснению их состава; к процессу дыхания, а отсюда — к исследованию органических тел и открытию органического анализа, и т. д.
Ближайшей задачей Лавуазье являлась теория горения и связанный с ней вопрос о составе воздуха. В 1774 году он представил академии мемуар о прокаливании олова, в котором сформулировал и доказал свои взгляды на горение. Олово прокаливалось в замкнутой реторте и превратилось в «землю» (окись). Общий вес остался неизменным — следовательно, увеличение веса олова не могло происходить за счет присоединения «огненной материи», проникающей, как полагал Бойль, сквозь стенки сосуда. Вес металла увеличился. Это увеличение равно весу той части воздуха, которая исчезла при прокаливании. Выходит, металл, превращаясь в землю, соединяется с воздухом. Этим и исчерпывается процесс окисления: никакие флогистоны, «огненные материи» тут не участвуют. В данном объеме воздуха может сгореть только определенное количество металла, причем при этом исчезает определенное количество воздуха. Отсюда вытекает мысль о его сложности: «Как видно, часть воздуха
38
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
способна, соединяясь с металлами, образовывать земли, другая же — нет; это обстоятельство заставляет меня предполагать, что воздух — не простое вещество, как думали раньше, а состоит из весьма различных веществ»
В следующем, 1775 году Лавуазье представил академии мемуар, в котором состав воздуха был впервые точно выяснен. Воздух состоит из двух газов, «чистого воздуха», способного усиливать горение и дыхание, окислять металлы, и «мефитического воздуха», не обладающего этими свойствами. Названия кислород и азот были даны позднее.
Вникнем в ход рассуждений Лавуазье. Металл увеличивается в весе — значит, к нему присоединилось какое-нибудь вещество. Откуда оно взялось? Определяем вес других тел, входивших в реакцию, и видим, что воздух уменьшился в весе настолько же, на сколько увеличился вес металла; стало быть, искомое вещество выделилось из воздуха. Это — метод весового определения. Однако для того чтобы понять его значение, нужно признать, что все химические тела имеют вес, что весомое тело не может превратиться в невесомое, что, наконец, ни единая частица материи не может исчезнуть или возникнуть из ничего.
В том же мемуаре Лавуазье выяснил строение «постоянного воздуха», как называли тогда углекислоту. Если нагревать окись ртути в присутствии угля, то выделяющийся кислород соединяется с углем, образуя «постоянный воздух».
В трактате «О горении вообще» (1777) он подробно развивает свою теорию. Всякое горение есть соединение тела с кислородом; результат его — сложное тело, а именно «металлическая земля» (окисел) или кислота (ангидрид по современной терминологии).
Теория горения повела к объяснению состава различных химических соединений. Уже давно различались окислы, кислоты и соли, но строение их оставалось загадочным. Общий результат их можно сформулировать так: Лавуазье дал первую научную систему химических соединений, установив три главные группы — окислы (соединения металлов с кислородом), кислоты (соединения неметаллических тел с кислородом) и соли (соединения окислов и кислот).
Десять лет прошло со времени первой работы Лавуазье, а он почти вовсе не касался теории флогистона. Он просто обходился без нее. Процессы горения, дыхания, окисления, состав воздуха, углекислоты, множество других соединений объяснились без всяких таинственных принципов совершенно просто и ясно — соединением и разделением реальных весовых тел. Но старая теория еще существовала и влияла на ученых.
В 1783 году Лавуазье напечатал «Размышления о флогистоне». Опираясь на свои открытия, он доказывает полнейшую ненужность теории флогистона. Без нее факты объясняются ясно и просто, с нею начинается бесконечная путаница. «Химики сделали из флогистона туманный принцип, который вовсе не определен точно и, следователь-
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
39
но, пригоден для всевозможных объяснений, иногда это весомый принцип, иногда — невесомый, иногда — свободный огонь, иногда — огонь, соединенный с землею; иногда он проходит сквозь поры сосудов, иногда они непроницаемы для него; он объясняет разом и щелочность и нещелочность, и прозрачность и тусклость, й цвета и отсутствие цветов. Это настоящий Протей, который ежеминутно меняет форму».
«Размышления о флогистоне» были своего рода похоронным маршем по старой теории, так как она давно уже могла считаться погребенной.
Наконец, знание водорода и продукта его окисления дало Лавуазье возможность положить главный камень в основание органической химии. Он определил состав органических тел и создал органический анализ путем сжигания углерода и водорода в определенном количестве кислорода. Как утверждает Н. Меншуткин: «Таким образом, историю органической химии, как и неорганической, приходится начинать с Лавуазье».
1
ОСНОВНОЙ ЗАКОН ЭЛЕКТРОСТАТИКИ
Электрические явления постепенно теряли свой первоначальный характер отдельных разрозненных забавных явлений природы и постепенно образовывали некое единство, которое существующие теории пытались охватить несколькими основными принципами. Наступало время перехода от качественных исследований к количественным.
Такое направление исследований отчетливо выражено в работе 1859 года петербургского академика Ф. Эпинуса (1724-1802).
Эпинус в основу своего математического рассмотрения кладет следующие принципы: каждое тело обладает в своем естественном состоянии вполне определенным количеством электричества. Частицы электрического флюида взаимно отталкиваются и притягиваются к обычной материи. Электрические эффекты проявляются, когда количество электрического флюида в теле больше или меньше того, которое должно быть в естественном состоянии.
Эпинус делает предположение: «...определить эти функциональные зависимости я пока что не решаюсь. Впрочем, если бы понадобилось произвести выбор между
различными функциями, то я охотно утверждал бы, что эти величины изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний. Это можно предположить с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими явлениями природы». По пути Эпинуса пошел Генри Кавендиш (1731 — 1810), который в своей статье от 1771 года принимает гипотезы Эпинуса с одним изменением: притяжение двух электрических зарядов считается обратно пропорциональным некоторой степени расстояния, пока не уточняемой.
Кавендиш с помощью математических рассуждений делает вывод: если сила взаимодействия электрических зарядов подчиняется закону обратных квадратов, то «почти весь» электрический заряд сосредоточен на самой поверхности проводника. Тем самым намечается косвенный путь установления закона взаимодействия зарядов.
{jf
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
41
Главная трудность установления «закона электрической силы» состояла в том, чтобы найти экспериментальную ситуацию, в которой пондеромоторные силы совпадали бы с силами, действующими между элементарными зарядами.
Возможно, правильный подход к этой проблеме был найден ранее всего английским естествоиспытателем Дж. Робайсоном (1739—1805).
Экспериментальный метод, использованный Робайсоном, основывался на идее о том, что взаимодействующие заряды можно считать точечными, когда размеры сфер, на которых они локализованы, много меньше расстояния между центрами сфер.
Установка, с помощью которой англичанин проводил измерения, описана в его фундаментальном труде «Система механической философии». Сочинение издано уже после его смерти, в 1822 году.
Учитывая погрешности измерений, Робайсон сделал вывод:
«Действие между сферами в точности пропорционально обратному квадрату расстояния между их центрами».
Однако основной закон электростатики не носит имя Робайсона. Дело в том, что о полученных результатах ученый сообщил лишь в 1801 году, а подробно описал еще позднее. В то время уже повсеместное распространение получили труды французского ученого Кулона.
Шарль Огюстен Кулон (1736—1806) родился в Ангулеме на юго-западе Франции. После рождения Шарля семья переехала в Париж.
Поначалу мальчик посещал Коллеж четырех наций, известный также как Коллеж Мазарини. Вскоре отец разорился и уехал от семьи в Монпелье, на юг Франции. Конфликт между матерью и сыном привел к тому, что Шарль покинул столицу и переехал к отцу.
В феврале 1757 года на заседании Королевского научного общества Монпелье молодой любитель математики прочел свою первую научную работу «Геометрический очерк среднепропорциональных кривых». В дальнейшем Кулон принимал активное участие в работе общества и представил еще пять мемуаров — два по математике и три по астрономии.
В феврале 1760 года Шарль поступил в Мезьерскую школу военных инженеров. В ноябре следующего года Шарль окончил Школу и получил назначение в крупный порт на западном побережье Франции Брест. Затем он попал на Мартинику. За восемь лет, проведенных там, он несколько раз серьезно болел, но каждый раз возвращался к исполнению своих служебных обязанностей. Болезни эти не прошли бесследно. После возвращения во Францию Кулон уже не мог считаться совершенно здоровым человеком.
Несмотря на все эти трудности, Кулон очень хорошо справлялся со своими обязанностями. Его успехи в деле строительства форта на Монт-Гарнье были отмечены повышением в чине: в марте 1770 года он
42
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
получил чин капитана — по тем временам это можно было рассматривать как очень быстрое продвижение по службе. Вскоре Кулон вновь серьезно заболел и, наконец, подал рапорт с прошением о переводе во Францию.
После возвращения на родину Кулон получил назначение в Бушен. Здесь он завершает исследование, начатое еще во время службы в Вест-Индии. Многие идеи, сформулированные им в первой же научной работе, до сих пор рассматриваются специалистами по сопротивлению материалов как основополагающие.
В 1774 году Кулона переводят в крупный порт Шербур, где он и служил до 1777 года. Там Кулон занимался ремонтом ряда фортификационных сооружений. Эта работа оставляла достаточно много времени для досуга, и молодой ученый продолжил свои научные исследования. Основной темой, которой интересовался в это время Кулон, была разработка оптимального метода изготовления магнитных стрелок для точных измерений магнитного поля Земли. Эта тема была задана на конкурсе, объявленном Парижской академией наук.
Победителями конкурса 1777 года были объявлены сразу двое — шведский ученый ван Швинден, уже выдвигавший работу на конкурс, и Кулон. Однако для истории науки наибольший интерес представляет не глава мемуара Кулона, посвященная магнитным стрелкам, а следующая глава, где анализируются механические свойства нитей, на которых подвешивают стрелки. Ученый провел цикл экспериментов и установил общий порядок зависимости момента силы деформации кручения от угла закручивания нити и от ее параметров: длины и диаметра.
Малая упругость шелковых нитей и волос по отношению к кручению позволяла пренебречь возникающим моментом упругих сил и считать, что магнитная стрелка в точности следует за вариациями склонения. Это обстоятельство и послужило для Кулона толчком к изучению кручения металлических нитей цилиндрической формы. Результаты его опытов были обобщены в работе «Теоретические и экспериментальные исследования силы кручения и упругости металлических проволок», законченной в 1784 году.
Исследование кручения тонких металлических нитей, выполненное Кулоном для конкурса 1777 года, имело важное практическое следствие — создание крутильных весов. Этот прибор мог использоваться для измерения малых сил различной природы, причем он обеспечивал чувствительность, беспрецедентную для XVIII века.
Разработав точнейший физический прибор, Кулон стал искать ему достойное применение. Ученый начинает работу над проблемами электричества и магнетизма.
Важнейшим результатом, полученным Кулоном в области электричества, было установление основного закона электростатики — за-
основы мироздания
43
L
кона взаимодействия неподвижных точечных зарядов. Ученый так формулирует фундаментальный закон электричества:
«Сила отталкивания двух маленьких шариков, наэлектризованных электричеством одной природы, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами шариков»
Кулон начал с измерения зависимости силы отталкивания одноименных зарядов от расстояния и провел многочисленные эксперименты Ученый приводит результаты трех измерений, при которых расстояния между зарядами относились как 36. 18: 172, а соответствующие силы отталкивания — как 36: 144- 5751, т. е. силы почти точно обратно пропорциональны квадратам расстояний. В действительности экспериментальные данные несколько отличаются от теоретического закона. Кулон считает основными причинами расхождения, помимо принятых при расчете некоторых упрощений, утечку электричества за время опыта.
Более трудной оказалась задача измерения силы притяжения, поскольку весьма сложно помешать подвижному шарику весов войти в соприкосновение с другим зарядом противоположного знака. И все-таки Кулону довольно часто удавалось добиться равновесия между силой притяжения двух шариков и противодействующей ей силой действия закрученной нити. Полученные экспериментальные данные указывали на то, что сила притяжения также подчиняется закону обратных квадратов.
Но и этими результатами Кулон не удовлетворился. «Для подтверждения этого закона, который, как он предчувствовал, сыграет фундаментальную роль в учении об электричестве, — пишет М. Льоцци, — Кулон прибег к новому оригинальному методу измерения малых сил, примененному уже ранее для измерения магнитной силы стального острия. Этот метод оказался весьма эффективным и известен сейчас как «метод колебаний». Он основан на том факте, что, подобно тому как частота колебаний маятника зависит от величины силы тяжести в данном месте, так же и частота колебаний наэлектризованной стрелки, колеблющейся в горизонтальной плоскости, зависит от интенсивности действующей на нее электрической силы, так что по числу колебаний в секунду можно найти эту силу. Для осуществления этого замысла Кулон заставил колебаться изолирующий стерженек, снабженный на конце маленькой вертикальной заряженной пластинкой и находящийся перед изолированным металлическим шаром, заряженным противоположно заряду пластинки и расположенным так, что один из его горизонтальных диаметров проходит через центр пластинки, когда она находится в равновесии. Этим путем также был полностью подтвержден закон обратных квадратов».
44
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Таким образом, Кулон заложил основы электростатики. Им были получены экспериментальные результаты, имеющие как фундаментальное, так и прикладное значение. Для истории физики его эксперименты с крутильными весами имели важнейшее значение еще и потому, что они дали в руки физиков метод определения единицы электрического заряда через величины, использовавшиеся в механике: силу и расстояние, что позволило проводить количественные исследования электрических явлений.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ
В древности, наблюдая за поведением света, думали, что два световых луча, пересекаясь, продолжают идти своей дорогой как ни в чем не бывало. Подобные наблюдения укрепляли веру в бестелесность, нематериальность света. Но так ли все происходит на самом деле?
Ньютон первым поставил опыт по наблюдению взаимодействия, или, как говорят оптики, интерференции световых лучей между собой.
Он создал клиновидный воздушный зазор, положив тонкую линзу (выпуклой поверхностью вниз) на плоскую стеклянную пластинку.
Затем ученый осветил зазор, причем сначала белым светом, а потом по очереди и другими основными цветными лучами. Ньютон отметил, что лучи, отражаясь от стеклянных границ воздушного клина, очевидно взаимодействовали между собой. При освещении белым светом в зазоре появились чередующиеся цветные и радужные кольца. Когда же пропускались через зазор цветные лучи, предварительно полученные с помощью призмы, то в нем возникали светлые и темные кольца.
Ньютон оставил эти эксперименты без обычных для него детальных выводов. По-видимому, ученый решил, что здесь скрываются явления, требующие дополнительных исследований, которые он не мог провести.
Лишь в XIX веке в науку придут два выдающихся исследователя, Юнг и Френель, и «достроят» заложенное Ньютоном здание классической оптики.
Томас Юнг (1773—1829), разносторонний ученый, врач по профессии, человек с весьма разносторонними интересами — гимнаст и музыкант, а известный также и как египтолог. Рассказывают одну любопытную историю, связанную с ним. В четырнадцать лет Томаса попросили воспроизвести несколько фраз по-английски, чтобы проверить, умеет ли он хорошо писать. Юноша дольше обычного пробыл в комнате для испытаний. Новый учитель Томаса Юнга готов был посмеяться над неумехой. Однако, когда ученик протянул ему листок, там заданные фразы были не только переписаны, но и переведены на девять (!) разных языков.
В первой же своей работе по оптике Юнг показал, что хрусталик человеческого глаза представляет собой линзу с переменной кривизной. Особые мускулы растягивают и сжимают хрусталик, позволяя получать на сетчатке глаза резкое изображение как удаленных, так и близких Предметов.
46
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Юнгу было всего двадцать лет, когда он выполнил это оптико-медицинское исследование. Королевское научное общество тут же избрало его своим членом.
Критическому уму Юнга теория Ньютона представлялась совершенно неудовлетворительной. Особенно неприемлемым он считал постоянство скорости световых частиц независимо от того, испущены ли они таким крошечным источником, как тлеющий уголек, или таким громадным источником, как Солнце. А более всего представлялась ему неясной и недостаточной ньютоновская теория «приступов», с помощью которой Ньютон пытался объяснить окрашивание тонких пластин. Воспроизведя это явление и поразмыслив над ним, Юнг пришел к гениальной мысли о возможности интерпретации этого явления как наложения света, отраженного от первой поверхности тонкой пластины, и света, прошедшего в пластину, отраженного от второй ее поверхности и вышедшего затем через первую. Такое наложение могло привести к ослаблению или к усилению падающего монохроматического света.
Точно не известно, каким образом Юнг пришел к своей идее наложения. Вполне вероятно, это произошло в результате исследования звуковых биений, при которых наблюдается периодическое усиление и ослабление звука, воспринимаемого ухом. Как бы то ни было, в четырех докладах, представленных Королевскому обществу с 1801 по 1803 год, объединенных несколько лет спустя в обобщающей работе «Курс лекций по естественной философии и механическому искусству», вышедшей в Лондоне в 1807 году, Юнг приводит результаты своих теоретических и экспериментальных исследований. Он несколько раз приводит цитату из XXIV предложения третьей книги «Начал» Ньютона, в которой аномальные приливы, наблюдавшиеся Галлеем на Филиппинском архипелаге, объясняются Ньютоном как результат наложения волн. Исходя из этого отдельного примера, Юнг вводит общий принцип интерференции.
«Представьте себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера с определенной постоянной скоростью и попадающих в узкий канал, ведущий к выходу из озера. Представьте себе далее, что по какой-либо иной аналогичной причине возбуждена другая серия волн той же величины, приходящих к тому же каналу с той же скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих двух систем не нарушит другой, но их действия сложатся: если они подойдут к каналу таким образом, что вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы, то они вместе образуют совокупность волн большей величины; если же вершины одной системы волн будут расположены в местах провалов другой системы, то они в точности заполнят эти провалы и поверхность воды в канале останется ровной. Так вот, я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света».
основы мироздания
47

Для получения интерференции нужно, чтобы оба световых луча исходили из одного и того же источника (чтобы у них был совершенно одинаковый период), после прохождения различного пути они должны попадать в одну и ту же точку, а также идти там почти параллельно.
Значит, продолжает Юнг, когда две части света общего происхождения попадают в глаз по различным путям, идя почти в одинаковом направлении, луч приобретает максимальную интенсивность при условии, что разность путей лучей равна кратному числу некоторой определенной длины, и имеет минимальную интенсивность в промежуточном случае. Эта характерная длина различна для света различных цветов.
В 1802 году Юнг подкрепил свой принцип интерференции классическим опытом «с двумя отверстиями», возможно поставленным под влиянием аналогичного опыта Гримальди, который, однако, не привел к открытию интерференции из-за особенностей применявшейся установки.
Опыт Юнга общеизвестен: в прозрачном экране кончиком булавки прокалываются два близко расположенных одно к другому отверстия, которые освещаются солнечным светом, проходящим через небольшое отверстие в окне. Два световых конуса, образующихся за непрозрачным экраном, расширяясь благодаря дифракции, частично перекрываются, и в перекрывающейся части, вместо того чтобы давать равномерное увеличение освещенности, образуют серию чередующихся темных и светлых полос. Если одно отверстие закрыто, то полосы исчезают и появляются лишь дифракционные кольца от другого отверстия. Эти полосы исчезают и в том случае, когда оба отверстия освещаются (как это было в опыте Гримальди) непосредственно солнечным светом или искусственным источником света. Привлекая волновую теорию, Юнг очень просто объясняет это явление. Темные полосы получаются там, говорит ученый, где провалы волн, прошедших через одно отверстие, налагаются на гребни волн, прошедших через другое отверстие, так что их эффекты взаимно компенсируются; светлые каемки получаются там, где два гребня или два провала волн, прошедших через оба отверстия, складываются. Этот опыт позволил Юнгу измерить длину волны для различных цветов: он получил длину волны 0,7 микрона для красного света и 0,42 микрона для крайнего фиолетового. Это первые в истории физики измерения длины волны света, и следует отметить их поразительную точность.
Из своего принципа интерференции Юнг вывел целый ряд разнообразных следствий. Он рассмотрел явления окрашивания тонких слоев. Ученый объяснил их вплоть до мельчайших деталей. Юнг вывел эмпирические законы, найденные Ньютоном, и, считая неизменной частоту света заданного цвета, объяснил уплотнение колец в опыте Ньютона при замене воздушной прослойки между линзами водой уменьшением скорости света в более преломляющей среде.
Интересно заметить, что Юнгу принадлежит термин «физическая оптика», применяемый для обозначения исследований «...источников
48
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
света, скорости его распространения, его прерывания и затухания, его расщепления на различные цвета, влияния на него различной плотности атмосферы, метеорологических явлений, относящихся к свету, особенных свойств некоторых веществ по отношению к свету».
Работы Юнга, представляющие собой наиболее существенный вклад в теорию оптических явлений со времен Ньютона, были восприняты физиками того времени с недоверием, а в Англии они подвергались даже грубым насмешкам. Объяснялось это отчасти тем, что Юнг пытался применять принцип интерференции и к явлениям явно не интерференционным, отчасти некоторой неясностью изложения, которая чувствуется и сейчас и которая, должно быть, еще больше чувствовалась в те времена, и отчасти, как упрекал Юнга впоследствии Лаплас, тем, что Юнг иногда удовлетворялся недостаточно строгими, а порой поверхностными экспериментами.
Из представлений о свете как о волновом движении эфира исходил и Огюстен Френель (1788—1827), дорожный инженер, сравнительно поздно начавший интересоваться наукой.
«Добрый гений» Френеля академик Франсуа Араго, вовремя заметивший выдающийся талант ученого и всю жизнь помогавший ему, тем не менее, писал в своих записках-воспоминаниях: «Огюстен Френель учился так медленно, что восьми лет едва умел читать... Он никогда не чувствовал склонности к изучению языков, не любил знаний, основанных на одной памяти, и запоминал то, что было доказано ясно и убедительно».
Первое время Френель работал в сельской глуши. Он и не подозревал об опытах Юнга, поэтому повторил их. И объяснение огибания светом препятствий Френель дал подобное юнговскому.
Позднее, уже работая в Париже, Френель получил математические уравнения, точно описывающие оптические процессы, происходящие на границе двух различных оптических сред.
Различные формулы Френеля так часто применяются в оптических работах, что, несомненно, занимают по этому показателю первое место.
Френель предложил для создания интерференционной картины направлять солнечный свет на экран с помощью двух зеркал, установленных под небольшим углом друг к другу.
Известный ученый, автор многих университетских учебников по физике, Роберт Поль для большой аудитории предложил создавать интерференцию, направив свет на тонкую слюдяную пластинку. Отраженный пластинкой свет попадает на большой экран, на котором хорошо видны интерференционные полосы.
Явление интерференции широко используется в приборах, которые называются интерферометрами.
Интерферометры могут служить самым различным целям, например для контроля чистоты обработки поверхности металла.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО У ЖИВОТНЫХ
Ко второй половине восемнадцатого века изучение электрических явлений уже дало материал для вывода о важной роли электричества в биологии. Опыты Джона Уолша и Ла-рошеля доказали электрическую природу удара ската, а анатом Гунтер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Гунтера были опубликованы в 1773 году.
Таким образом, ко времени начала опытов Гальвани в 1786 году не было недостатка в попытках физической трактовки психических и физиологических явлений. Почва для возникновения учения о животном электричестве была вполне подготовлена.
Вся жизнь Гальвани (1737—1798) прошла в итальянском городе Болонье. Жизнь его была небогата событиями. Любопытно, что университет он закончил по специальности богословие и только после защиты диссертации заинтересовался медициной. Это произошло под влиянием общения его с тестем — известным врачом и профессором медицины Карло Галеацци.
Несмотря на ученую степень, Гальвани круто изменил свою профессию и вновь окончил Болонский университет, но уже медицинское отделение. Магистерская работа Гальвани была посвящена строению человеческих костей. После ее успешной защиты Гальвани начал преподавать медицину. В 1785 году, после смерти Галеацци, Гальвани занял его место руководителя кафедры анатомии и гинекологии.
Работая в университете, Гальвани одновременно занимался физиологией: ему принадлежат интересные труды, в которых он доказал, что строение птичьего уха практически не отличается от человеческого.
Открытие, как это часто бывает, произошло случайно. В своем трактате Гальвани пишет: «Я разрезал и препарировал лягушку... и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина... Один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки... Другой заметил, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра . Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями».
Как справедливо указал впоследствии Вольта, в самом факте вздрагивания лапки препарированной лягушки при электрическом разряде с физической точки зрения не было ничего нового. Явление электричес-
50
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
кой индукции, а именно явление так называемого возвратного удара, было разобрано Магоном в 1779 году. Однако Гальвани подошел к факту не как физик, а как физиолог. Ученого заинтересовала способность мертвого препарата проявлять жизненные сокращения под влиянием электричества.
Он с величайшим терпением и искусством исследовал эту способность, изучая ее локализацию в препарате, условия возбудимости, действие различных форм электричества и в частности атмосферного электричества. Классические опыты Гальвани сделали его отцом электрофизиологии, значение которой в наше время трудно переоценить.
Вместе с тем Гальвани пришел к замечательному открытию. На-прастно ожидая сокращения мышц в ясную погоду, он, «утомленный... тщетным ожиданием... начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке»... «Хотя я, — пишет он далее, — нередко наблюдал сокращения, но ни одно не соответствовало перемене в состоянии атмосферы и электричества... Когда же я перенес животное в закрытую комнату, поместил на железной пластине и стал прижимать к ней проведенный через спинной мозг крючок, то появились такие же сокращения, такие же движения».
Таким образом, Гальвани, осуществив ряд экспериментов, приходит к выводу о существовании нового источника и нового вида электричества. Его привели к такому выводу опыты составления замкнутой цепи из проводящих тел и металлов и лягушечного препарата.
Особенно эффектен и эффективен оказался следующий опыт: «Если держать висящую лягушку пальцами за одну лапку так, чтобы крючок, проходящий через спинной мозг, касался бы какой-нибудь серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла бы касаться той же пластинки, то как только эта лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают немедленно... сокращаться. При этом лапка встает и поднимается и затем, вновь упав на пластинку, вместе с тем приходит в соприкосновение с последней, снова по той же причине, поднимается вверх, и, таким образом, продолжает далее попеременно подниматься и падать, так что эта лапка, к немалому восхищению и радости наблюдающего за ней, начинает, кажется, соперничать с каким-то электрическим маятником».
В такой довольно непростой форме был открыт новый источник электричества, создающий в проводящей замкнутой цепи длительный разряд. По объективным причинам физиолог Гальвани не мог допустить и мысли, что причина явления кроется в контакте разнородных металлов. Ученый предположил, что мышца является своеобразной батареей лейденских банок, непрерывно возбуждаемой действием мозга, которое передается по нервам.
Теория животного электричества подводила базу под практическую электромедицину, и открытие Гальвани произвело сенсацию. Среди последователей болонского анатома оказался и Вольта.
основы мироздания
51
Алессандро Вольта (1745—1827) родился в итальянском городе Комо. Уже с 18 лет Алессандро ведет переписку с Нолле по вопросам физики. Еще через год он пишет латинскую поэму о современных физико-химических открытиях. Первая работа 1764 года посвящена лейденской банке, следующая работа 1771 года — «Эмпирические исследования способов возбуждения электричества и улучшение конструкции машины». В 1774 году Вольта становится преподавателем физики в родном городе. В 1777 году он изобретает электрофор, затем конденсатор и электрофор с конденсатором. Но и это не все. На его «счету» изобретение электрического пистолета, водородной лампы, эвдиометра.
В 1777 году Вольта назначается профессором физики в Павий. В восьмидесятых годах изобретает пламенный зонд. За изобретение столба он получил награду от Наполеона и был избран членом Института.
В первых своих статьях, напечатанных в начале девяностых, Вольта разделяет точку зрения Гальвани. Но вскоре намечается будущий отход от этой теории, на первый план выдвигаются физические моменты эффекта. Сначала Вольта устанавливает, что соответствующим образом «препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр».
Потом ученый определяет важность контакта разнородных металлов. «Такое различие металлов безусловно необходимо; если же обе обкладки из одного и того же металла, то следует, чтобы они отличались, по крайней мере, по способу их приложения...» (т. е. по состоянию контактной поверхности). Далее Вольта показывает, что ток электрического флюида обусловлен контактом разнородных металлов и может производить не только мышечные сокращения, но и другие раздражения нервов. Наконец, Вольта устанавливает полярность эффекта: перемена обкладок местами вызывает изменение вкуса с кислого на щелочной. В свете этих фактов теория мышечной лейденской банки Вольта представляется несостоятельной.
В дальнейшем Вольта окончательно порывает с теорией животного электричества. Он дает физическую трактовку эффекта. В письме к Кавалло Вольта пишет: « ..я открыл новый весьма замечательный закон, который относится собственно не к животному электричеству, а к обычному электричеству, так как этот переход электрического флюида, переход, который не является моментальным, каким был бы разряд, но постоянным и продолжающимся все время, пока сохраняется сообщение между обеими обкладками, имеет место независимо от того, наложена ли эта обкладка на живое или мертвое животное вещество, или на другие не металлические, но достаточно хорошие проводники, как, например, на воду или на смоченные ею тела» А раньше 10 февраля 1794 года в письме к тому же Кавалло Вольта прямо начинает вопросом: «Что вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня, то я давно убежден, что все действие возникает
52
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или самой воде».
Физиологические раздражения нервов являются результатом проходящего тока, и эти раздражения «тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга примененные два металла в том ряду, в каком они поставлены нами здесь; цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит. Этот знаменитый ряд напряжений Вольта и открытый им закон напряжений составляют ядро всего эффекта. Животные органы, по Вольта, «являются чисто пассивными, простыми, очень чувствительными электрометрами, и активны не они, а металлы, т. е. что от соприкосновения последних и происходит первоначальный толчок электрического флюида, одним словом, что такие металлы не простые проводники или передатчики тока, но настоящие двигатели электричества...» В одном из примечаний к этой статье Вольта вновь подчеркивает, что к идее о контактном напряжении он пришел уже более трех лет тому назад и уже в 1793 году дал свой ряд металлов.
Таким образом, суть эффекта заключается, по мнению Вольта, в свойстве проводников «вызывать и приводить в движение электрический флюид там, где несколько таких проводников разного класса и сорта встречаются и соприкасаются между собою».
«Отсюда и получается, что если из них три и больше, и притом различные, составляют вместе проводящую цепь, если, например, между двумя металлами — серебром и железом, свинцом и латунью, серебром и цинком и т. д. — ввести один или более проводников, именно из того класса, который назван классом влажных проводников, так как они представляют жидкую массу или содержат некоторую влагу (к ним причисляются животные тела и все их свежие и сочные части), если, говорю я, проводник этого второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает постоянный электрический ток того или иного направления, смотря по тому, с какой из сторон действие на него оказывается сильнее в результате такого соприкосновения».
Так ясно и четко Вольта сформулировал условия возникновения постоянного тока: наличие замкнутой цепи из различных проводников, причем, по крайней мере, один должен быть проводником второго класса и соприкасаться с различными проводниками первого класса. Гальва-нисты в ответ приводили опыты, в которых мышечные движения возбуждались дугой из однородного проводника и даже, как в опытах Валли, соприкосновениями различных препаратов без металлического проводника. На это Вольта указывал, что и в этих опытах имеется неоднородность. Концы одной проводящей дуги различны, осуществить их полную однородность почти невозможно, контактная разность может возникнуть и при соприкосновении различных проводников второго класса.
основы мироздания
53
«...Неметаллические проводники, проводники жидкие или содержащие в себе в той или иной мере влагу, те, которые мы называем проводниками второго класса, и они одни, сочетаясь друг с другом, будут являться возбудителями, как металлы, или проводники первого класса в сочетании с проводниками второго класса...»
В дальнейшем Вольта в целях устранения всяких сомнений в не физиологической, а чисто физической сути дела исключает животные препараты, служившие до тех пор индикаторами тока. Он разрабатывает методику измерений контактных разностей потенциалов своим конденсаторным электрометром. Об этих классических опытах Вольта сообщает в письме к Грену в 1795 году и Альдини в 1798 году.
20 марта 1800 года Вольта написал свое знаменитое письмо Бенксу с описанием своего столба — изобретения, произведшего подлинную революцию в науке об электричестве.
П.С. Кудрявцев пишет в своей книге: «Природа открытого эффекта была очень сложна, и при тогдашнем уровне физико-химических наук и физиологии раскрыть картину явления было невозможно. В споре о природе явления по существу оказались правы обе стороны. Гальвани стал основоположником электрофизиологии, а Вольта — основоположником учения об электричестве. В лабиринте противоречивых опытов и наблюдений Вольта нащупал правильный путь, нашел опытный физический закон напряжений, дал правильное описание цепи электрического тока. Впереди еще предстояли большие споры по вопросу о причине и природе контактной разности потенциалов, но в ее существовании уже сомнений не оставалось, а в вольтовом столбе наука получила мощное орудие исследования, которым она и не замедлила воспользоваться».
основы мироздания
55
Жозеф Луи Гей-Люссак
ЗАКОН ПРОСТЫХ ОБЪЕМНЫХ ОТНОШЕНИЙ
Открытие Гей-Люссаком закона простых отношений объемов реагирующих газов оказало сильное влияние на развитие теоретической химии. Этот закон вместе с только что открытым Дальтоном законом кратных отношений лег в основу теории химических соединений. Гей-Люссак принадлежит к тем химикам, которые в первой половине XIX века заложили основы классической химии.
Жозеф Луи Гей-Люссак (1778—1850) родился в небольшом городке Сен-Леонар во французском графстве Лимузен. Получив в детстве строгое католическое образование, Гей-Люссак в возрасте пятнадцати лет переехал в Париж. Здесь он стал обучаться в пансионе Сансье, где вскоре раскрылись его незаурядные математические способности. С 1797 по 1800 год Гей-Люссак учился в
Париже в Политехнической школе. Преподавал химию в школе известный химик Клод Луи Бертолле. Между Гей-Люссаком и Бертолле возникла дружба, оказавшая большое влияние на становление ученого. По окончании курса Гей-Люссак недолго работал на химических предприятиях. В 1802 году он уже «репетитор» (ассистент) в Политехнической школе.
В том же году Гей-Люссак выступил на заседании Академии наук со своим первым научным сообщением: «Об осаждении оксидов металлов». Воистину 1802 год был счастливым для молодого ученого: независимо от Джона Дальтона, он открыл закон теплового расширения газов. Гей-Люссак нередко проводил исследования совместно с другими видными учеными, что способствовало многим выдающимся открытиям. Вместе с Жаном Батистом Био Гей-Люссак в 1804 году поднялся на воздушном шаре, чтобы определить температуру и содержание влаги в верхних слоях атмосферы. Совместно с Вельтером он открыл дитио-новую кислоту. Тесная дружба связывала Гей-Люссака с Луи Жаком Тенаром, парижским профессором химии. Их совместная работа привела к значительному усовершенствованию метода элементного анализа органических веществ.
Гей-Люссак был превосходным экспериментатором и поэтому смог в скромно оборудованной лаборатории открыть многие явления и законы, весьма важные для дальнейшего развития химии.
Уже в 1805 году Гей-Люссак и Александр фон Гумбольдт, изучая отношения объемов реагирующих газов, установили, что один объем
кислорода соединяется с двумя объемами водорода. Эта работа была тесно связана с дальнейшими исследованиями газовых реакций Гей-Люссаком.
Поскольку измерять газы по объему гораздо проще, чем по массе, уже Лавуазье пытался определить объемные отношения при реакции между водородом и кислородом. Объемными отношениями между водородом и азотом при разложении аммиака занимался Бертолле. Таковы были сведения об объемных отношениях при некоторых газовых реакциях.
Гей-Люссак продолжил изучение объемных отношений при реакциях газов. Результаты этих работ он опубликовал в 1808 году в статье «О соединении газообразных тел друг с другом». Он хотел «доказать, что газообразные тела соединяются друг с другом в очень простых отношениях и что уменьшение объема, наблюдаемое при реакциях, подчиняется определенному закону».
Гей-Люссак открыл закон чисто опытным путем. Он не стремился при выводе этого закона изучить всевозможные газовые реакции, а ограничился их сравнительно небольшим числом. На основе этих данных ученый сформулировал закон и сделал из него выводы. Так, измерив объемы взаимодействующих газов, Гей-Люссаку удалось правильно установить состав аммиака и пяти оксидов азота.
Ученый, сопоставив формулировку закона с результатами, полученными другим путем, нашел, что его закон подтверждается. Он смог опереться и на материалы, полученные другими исследователями. Например, он использовал известные определения плотности газов и соответственно соединительные веса негазообразных веществ.
Очень важно, что Гей-Люссаку удалось показать, как на основании открытого им закона можно рассчитать еще неизвестные плотности газообразных веществ: «Наблюдение, что разные виды горючих газов соединяются с кислородом в простых отношениях 1:1; 1:2, дает нам в руки средство определять плотность паров горючих веществ или по крайней мере найти ее приближенно. Если мысленно попытаться перевести все применяемые вещества в газообразное состояние, определенный объем каждого из них будет соединяться либо с равным, либо с двойным, либо с половинным объемом кислорода. Теперь, если мы знаем отношения, в которых кислород может соединяться с горючими веществами, находящимися в твердом или жидком состоянии, мы можем вычислять объем кислорода и объем паров горючего вещества, который соединяется с такими же, либо с двойным, либо с половинным объемом газообразного кислорода».
Ясность и последовательность изложения Гей-Люссаком своих мыслей и результатов исследований может служить прекрасным примером для всех естествоиспытателей.
Берцелиус с большим успехом применил закон Гей-Люссака для определения состава и количественных характеристик многих элемен-
56
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
тов и соединений. Работы французского ученого также существенно помогли укреплению открытого Прустом закона постоянства состава, который оказался применимым не только для твердых, но и для газообразных веществ.
В своих исследованиях Гей-Люссаку необходимо было исходить из качественных наблюдений и принять во внимание количественные исследования в качестве условий и критерия для формулировки закона Так возникло в химии представление о связи между качеством и количеством. Это существенно способствовало преодолению метафизического понимания природы.
Открыв закон простых объемных отношений, Гей-Люссак оказал значительное влияние на формирование атомно-молекулярного учения.
ЗАКОН ЭРСТЕДА
Идея связи электричества и магнетизма, восходящая к простейшему сходству притяжения пушинок янтарем и железных опилок магнитом, носилась в воздухе, и многие лучшие умы Европы были ею увлечены. В литературе были известны факты намагничивания стальных игл электрической искрой, размагничивания компасов молнией. В трактате по гальванизму Альдини (1804) упоминается о Можоне, намагнитившем стальную иглу вольтовым столбом, и Романьози, наблюдавшего отклонение магнитной стрелки при действии Вольтова столба. Но все эти факты носили характер случайных наблюдений и не только не обобщались, но даже и не описывались сколько-нибудь точно.
Заслуга Эрстеда заключается, прежде всего, в том, что он понял важность и новизну своего открытия и привлек к нему внимание ученого мира.
«Ученый датский физик, профессор, — писал Ампер, — своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом».
Ганс Христиан Эрстед (1777—1851) родился на датском острове Лангеланд в городке Рюдкобинг в семье бедного аптекаря. Семья постоянно испытывала нужду, так что начальное образование братьям Гансу Христиану и Андерсу пришлось получать где придется.
Уже в двенадцать лет Ганс был вынужден стоять за стойкой отцовской аптеки. Здесь медицина надолго пленила его, потеснив химию, историю, литературу, и еще более укрепила в нем уверенность в его научном предназначении. Он решает поступать в Копенгагенский университет, где берется за все — медицину, физику, астрономию, философию, поэзию.
Золотая медаль университета 1797 года была присуждена ему за эссе «Границы поэзии и прозы». Следующая его работа, также высоко оцененная, касалась свойств щелочей, а диссертация, за которую он получил звание доктора философии, была посвящена медицине.
В двадцать лет Эрстед получил диплом фармацевта, а в двадцать два года степень доктора философии. Блестяще защитив диссертацию, Ганс едет по направлению университета на стажировку во Францию, Герма-
58
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
нию, Голландию. Там Эрстед слушал лекции о возможностях исследований физических явлений с помощью поэзии, о связи физики с мифологией
В 1806 году Эрстед становится профессором Копенгагенского университета Увлекшись философией Шеллинга, он много думал о связи между теплотой, светом, электричеством и магнетизмом. В 1813 году во Франции выходит его труд «Исследования идентичности химических и электрических сил». В нем он впервые высказывает идею о связи электричества и магнетизма. Он пишет- «Следует испробовать, не производит ли электричество... каких-либо действий на магнит...» Его соображения были простыми: электричество рождает свет — искру, звук — треск, наконец, оно может производить тепло — проволока, замыкающая зажимы источника тока, нагревается. Не может ли электричество производить магнитных действий7 Говорят, Эрстед не расставался с магнитом. Тот кусочек железа должен был непрерывно заставлять его думать в этом направлении. Магнит совершил, видимо, немало миль в Эрстедовом сюртуке.
Сегодня любой школьник без труда воспроизведет опыт Эрстеда, продемонстрирует «вихрь электрического конфликта», насыпав на картон, через центр которого проходит проволока с током, железные опилки.
Но обнаружить магнитные действия тока было нелегко Их пытался обнаружить русский физик Петров, соединяя полюсы своей батареи железными и стальными пластинками. Он не обнаружил никакого намагничивания пластинок после нескольких часов пропускания через них тока. Имеются сведения и о других наблюдениях, однако с полной достоверностью известно, что магнитные действия тока наблюдал и описал Эрстед.
15 февраля 1820 года Эрстед, уже заслуженный профессор химии Копенгагенского университета, читал своим студентам лекцию. Лекция сопровождалась демонстрациями. На лабораторном столе находились источник тока, провод, замыкающий его зажимы, и компас. В то время когда Эрстед замыкал цепь, стрелка компаса вздрагивала и поворачивалась. При размыкании цепи стрелка возвращалась обратно. Это было первое экспериментальное подтверждение связи электричества и магнетизма, того, что так долго искали многие ученые.
Казалось бы, все ясно. Эрстед продемонстрировал студентам еще одно подтверждение давнишней идеи о всеобщей связи явлений. Но почему же возникают сомнения? Почему вокруг обстоятельств этого события впоследствии разгорелось так много споров? Дело в том, что студенты, присутствовавшие на лекции, рассказывали потом совсем другое. По их словам, Эрстед хотел продемонстрировать на лекции всего лишь интересное свойство электричества нагревать проволоку, а компас оказался на столе совершенно случайно. И именно случайностью объясняли они то, что компас лежал рядом с этой проволокой, и совсем случайно, по их мнению, один из зорких студентов обратил внимание
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
59
на поворачивающуюся стрелку, а удивление и восторг профессора, по их словам, были неподдельными. Сам же Эрстед в своих позднейших работах писал: «Все присутствовавшие в аудитории свидетели того, что я заранее объявил о результате эксперимента. Открытие, таким образом, не было случайностью, как хотел бы заключить профессор Гильберт из тех выражений, которые я использовал при первом оповещении об открытии».
Случайно ли то, что именно Эрстед сделал открытие? Ведь счастливое сочетание нужных приборов, их взаимного расположения и «режимов работы» могло получиться в любой лаборатории? Да, это так. Но в данном случае случайность закономерна — Эрстед был в числе тогда еще немногих исследователей, изучающих связи между явлениями.
Однако стоит вернуться к сути открытия Эрстеда. Нужно сказать, что отклонение стрелки компаса в лекционном опыте было весьма небольшим. В июле 1820 года Эрстед снова повторил эксперимент, используя более мощные батареи источников тока. Теперь эффект стал значительно сильнее, причем тем сильнее, чем толще была проволока, которой он замыкал контакты батареи. Кроме того, он выяснил одну странную вещь, не укладывающуюся в ньютоновские представления о действии и противодействии. Сила, действующая между магнитом и проволокой, была направлена не по соединяющей их прямой, а перпендикулярно к ней. Выражаясь словами Эрстеда, «магнитный эффект электрического тока имеет круговое движение вокруг него». Магнитная стрелка никогда не указывала на проволоку, но всегда была направлена по касательной к окружностям, эту проволоку опоясывающим. Как будто бы вокруг проволоки вихрились невидимые сгустки магнитных сил, влекущих легкую стрелку компаса. Вот чем был поражен ученый. Вот почему в своем четырехстраничном «памфлете» он, опасаясь недоверия и насмешек, тщательно перечисляет свидетелей, не забывая упомянуть ни об одной из их научных заслуг.
Эрстед, давая, в общем, неправильное теоретическое толкование эксперименту, заронил глубокую мысль о вихревом характере электромагнитных явлений. Он писал: «Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки». Другими словами, магнитные силовые линии окружают проводник с током или электрический ток является вихрем магнитного поля. Таково содержание первого основного закона электродинамики, и в этом суть открытия ученого. Опыт Эрстеда доказывал не только связь между электричеством и магнетизмом. То, что открылось ему, было новой тайной, не укладывающейся в рамки известных законов.
21 июля 1820 года в Копенгагене вышла на латинском языке брошюра «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку» Эрстед разослал ее во все ученые учреждения и
60
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
физические журналы. Этим он хотел подчеркнуть важность своего открытия. И, действительно, открытие Эрстеда произвело впечатление научной сенсации и вызвало столь мощный резонанс, что можно без преувеличения сказать: произошло второе рождение гальванизма.
В результате открытия Эрстеда удалось установить связь между двумя группами явлений, которые со времен Гильберта считались принципиально различными. Был открыт новый вид взаимодействия. До сих пор физика знала центральные силы. Провод не притягивает и не отталкивает полюсов стрелки, а устанавливает ее перпендикулярно своей длине. «Опыт Эрстеда совершенно противен элементарным правилам механики», — замечает Араго.
Наконец, новое открытие давало в руки физикам средство построить чувствительный и удобный индикатор электрического тока. И уже в сентябре 1820 года Швейггер изобрел мультипликатор, а в 67-м томе «Гильбертовских анналов» за 1821 год появилось описание Пог-гендорфа конструкции мультипликатора в его современной школьной форме.
И последнее, эффективность и гибкость нового взаимодействия заключали в себе зерно будущих тех'нических приложений электрической силы.
После выхода мемуара Эрстеда дальнейшие события развивались в весьма непривычном для неторопливой тогда науки темпе. Уже через несколько дней мемуар появился в Женеве, где в то время был с визитом Араго. Первое же знакомство с опытом Эрстеда доказало ему, что найдена разгадка задачи, над которой бился и он, и многие другие. Впечатление от опытов было столь велико, что один из присутствующих при демонстрации поднялся и с волнением произнес ставшую впоследствии знаменитой фразу: «Господа, происходит переворот!»
Араго возвращается в Париж потрясенный На первом же заседании Академии, на котором он присутствовал сразу по возвращении, 4 сентября 1820 года он делает устное сообщение об опытах Эрстеда. Записи, сделанные в академическом журнале ленивой рукой протоколиста, свидетельствуют, что академики просили Араго уже на следующем заседании, 22 сентября, показать всем присутствующим опыт Эрстеда, что называется, «в натуральную величину».
Сообщение Араго с особым вниманием слушал академик Ампер. Он, может быть, почувствовал в тот момент, что пришла его пора перед лицом всего мира принять из рук Эрстеда эстафету открытия. Он долго ждал этого часа — около двадцати лет, как Араго и как Эрстед. И вот час пробил — 4 сентября 1820 года Ампер понял, что должен действовать. Всего через две недели он сообщил миру о результатах своих исследований.

Андре-Мари Ампер
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Сразу же после открытия Эрстеда физикам показалось вполне естественным объяснить его тем, что при прохождении электрического тока через проводник последний становится магнитом. Такое объяснение было принято Араго, оно было принято также и Био.
Последний в 1820 году сделал следующее предположение. Когда прямолинейный ток действует на магнитную молекулу, то природа этого действия та же, что и для намагниченной стрелки, помещенной на периферии проводника в определенном направлении, постоянном по отношению к направлению вольтаического тока. Био и другие физики, разделявшие его мнение, объясняли электродинамическое действие взаимодействием элементарных магнитов, возникающих под действием тока в каждом проводнике: каждый проводник, по которому проходит ток, превращается в магнитную трубку.
Совсем другое объяснение предложил Ампер... Но сначала несколько слов о его биографии.
Андре-Мари Ампер (1775—1836) родился в небольшом поместье Полемье, купленном отцом в окрестностях Лиона.
Исключительные способности Андре проявились еще в раннем возрасте. Он никогда не ходил в школу, но чтению и арифметике выучился очень быстро. Читал мальчик все подряд, что находил в отцовской библиотеке. Уже в 14 лет он прочитал все двадцать восемь томов французской «Энциклопедии». Особый интерес Андре проявлял к физико-математическим наукам. Но как раз в этой области отцовской библиотеки явно не хватало, и Андре начал посещать библиотеку Лионского колледжа, чтобы читать труды великих математиков.
В возрасте 13 лет Ампер представил в Лионскую академию свои первые работы по математике.
В 1789 году началась Великая французская буржуазная революция. Отца Ампера казнили Он остался без средств. Андре пришлось думать о средствах к существованию, и он решил переселиться в Лион, давать частные уроки математики до тех пор, пока не удастся устроиться штатным преподавателем в какое-либо учебное заведение.
Расходы на жизнь неуклонно росли. Несмотря на все старания и экономию, средств, заработанных частными уроками, не хватало. Наконец, в 1802 году Ампера пригласили преподавать физику и химию в Центральную школу старинного провинциального города Бурк-ан-
62
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Бреса, в 60 километрах от Лиона. С этого момента началась его регулярная преподавательская деятельность, продолжавшаяся всю жизнь.
4 апреля 1803 года Ампер был назначен преподавателем математики Лионского лицея. В конце 1804 года Ампер покинул Лион и переехал в Париж, где он получил должность преподавателя знаменитой Политехнической школы.
В 1807 году Ампер был назначен профессором Политехнической школы. В 1808 году ученый получил место главного инспектора университетов. В период между 1809 и 1814 годами Ампер опубликовал несколько ценных работ по теории рядов.
Время расцвета научной деятельности Ампера приходится на 1814— 1824 годы и связано, главным образом, с Академией наук, в число членов которой он был избран 28 ноября 1814 года за свои заслуги в области математики.
Практически до 1820 года основные интересы ученого сосредоточивались на проблемах математики, механики и химии. К его достижениям в области химии следует отнести открытие, независимо от Аво-гадро, закона равенства молярных объемов различных газов. Его по праву следует называть законом Авогадро — Ампера. Ученый сделал также первую попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их свойств.
Что же касается математики, то именно в этой области он достиг результатов, которые и дали основание выдвинуть его кандидатуру в Академию по математическому отделению. Ампер всегда рассматривал математику как мощный аппарат для решения разнообразных прикладных задач физики и техники.
Вопросами физики в то время он занимался очень мало: известны лишь две работы этого периода, посвященные оптике и молекулярно-кинетической теории газов.
В 1820 году датский физик Г.-Х. Эрстед обнаружил, что вблизи проводника с током отклоняется магнитная стрелка. Так было открыто замечательное свойство электрического тока — создавать магнитное поле. Ампер подробно исследовал это явление. Новый взгляд на природу магнитных явлений возник у него в результате целой серии экспериментов. Уже в конце первой недели напряженного труда он сделал открытие не меньшей важности, чем Эрстед, — открыл взаимодействие токов.
18 сентября 1820 года он сообщил Парижской Академии наук о своем открытии пондеромоторных взаимодействий токов, которые он назвал электродинамическими. Точнее говоря, в этом своем первом докладе Ампер назвал эти действия «вольтаическими притяжениями и отталкиваниями», но потом стал именовать их «притяжениями и отталкиваниями электрических токов». В 1822 году он ввел термин — «электродинамический».
Тогда же он продемонстрировал свои первые опыты и заключил их следующими словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления
основы мироздания
63
к чисто электрическим эффектам». На заседании 25 сентября он развил эти идеи далее, демонстрируя опыты, в которых спирали, обтекаемые током (соленоиды), взаимодействовали друг с другом как магниты.
Объяснение Ампера является его выдающимся вкладом в науку: не проводник, по которому течет ток, становится магнитом, а, наоборот, магнит представляет собой совокупность токов.
В самом деле, говорит Ампер, если мы предположим, что в магните присутствует совокупность круговых токов, текущих в плоскостях, точно перпендикулярных его оси, в одном и том же направлении, то ток, идущий параллельно оси магнита, окажется направленным под углом к этим круговым токам, что и вызовет электродинамическое взаимодействие, стремящееся сделать все токи параллельными и направленными в одну сторону. Если прямолинейный проводник закреплен, а магнит подвижен, то отклоняется магнит; если же магнит закреплен, а проводник подвижен, то движется проводник.
Как пишет в своей книге Марио Льоцци: «Он (Ампер. — Прим. авт.) подумал, что если магнит понимать как систему круговых параллельных токов, направленных в одну сторону, то спираль из металлической проволоки, по которой проходит ток, должна вести себя как магнит, т. е. должна принимать определенное положение под воздействием магнитного поля Земли и иметь два полюса. Опыт подтвердил предположения относительно поведения такой спирали под действием магнита, но не совсем ясны были результаты опыта, относящиеся к поведению спирали под действием магнитного поля Земли. Тогда Ампер решил взять для выяснения этого вопроса один-единственный виток проводника с током; оказалось, что виток ведет себя точно как магнитный листок.
Таким образом, обнаружилось непонятное явление: один-единственный виток ведет себя как магнитная пластина, а спираль, которую Ампер считал в точности эквивалентной системе магнитных пластинок, вела себя не совсем как магнит. Пытаясь разобраться, в чем тут дело, Ампер с удивлением обнаружил, что в электродинамических явлениях спиральный проводник ведет себя точно как прямолинейный проводник с теми же концами. Из этого Ампер заключил, что в отношении электродинамических и электромагнитных действий элементы тока можно складывать и разлагать по правилу параллелограмма. Поэтому элемент тока можно разложить на две составляющие, из которых одна направлена параллельно оси, а другая — перпендикулярно. Если суммировать результаты действия разных элементов спирали, то результирующая окажется эквивалентной прямолинейному току, идущему по оси, и системе круговых токов, расположенных перпендикулярно оси и направленных в одну сторону. Поэтому, чтобы спираль, по которой проходит ток, вела себя точно как магнит, нужно скомпенсировать действие прямолинейного тока. Этого Ампер, как известно, добился очень просто, выгнув вдоль оси концы проводника. Но все же существовало различие между
64
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
спиралью, по которой проходит ток, и магнитом: полюса спирали находились только на концах, тогда как полюса магнита — во внутренних точках. Чтобы устранить и это последнее различие, Ампер оставил свою первоначальную гипотезу о токах, прямо перпендикулярных оси магнита, и принял, что они расположены в плоскостях, находящихся под разными углами к оси».
Новые идеи Ампера были поняты далеко не всеми учеными. Не согласились с ними и некоторые из его именитых коллег. Современники рассказывали, что после первого доклада Ампера о взаимодействии проводников с током произошел следующий любопытный эпизод. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? — спросил Ампера один из его противников. — Само собою ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга». Ампер не сразу нашелся, что ответить на это возражение. Но тут на помощь ему пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же, они никак не действуют друг на друга, и потому ваше заключение ошибочно. Ампер открыл, по существу, новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда».
Несмотря на нападки своих научных противников, Ампер продолжал свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теперь его имя. Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука — электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению Максвелла, по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели.
С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».
Эффект взаимодействия проводов с током и магнитных полей сейчас используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Когда луч солнца проходит через призму, то на экране позади нее возникает спектр. За двести лет к этому явлению привыкли. Если не вглядываться пристально, то кажется, что между отдельными частями спектра нет резких границ: красный непрерывно переходит в оранжевый, оранжевый в желтый и т. д.
Тщательнее других в 1802 году рассмотрел спектр английский врач и химик Уильям Хайд Волластон (1766—1828). Волластон обнаружил при этом несколько резких темных линий, которые без видимого порядка пересекали спектр Солнца в разных местах. Ученый этим линиям особого значения не придал. Он полагал, что их появление вызвано либо особенностями призмы, либо особенностями источника света, либо другими какими-то побочными причинами. Сами линии представляли для него интерес только потому, что они отделяли друг от друга цветные полосы спектра. Позднее эти темные линии назвали фраунгоферовыми, увековечив имя их настоящего исследователя.
Иосиф Фраунгофер (1787—1826) в 11 лет, после смерти родителей, пошел в ученье к шлифовальных дел мастеру. Из-за работы на школу времени оставалось мало. До 14 лет Иосиф не умел ни читать, ни писать. Но не было счастья, да несчастье помогло. Однажды дом хозяина рухнул. Когда же Иосифа извлекали из-под обломков, мимо проезжал наследный принц. Он пожалел юношу и вручил ему значительную сумму денег. Денег хватило юноше, чтобы купить себе шлифовальный станок и начать учиться.
Фраунгофер в заштатном городке Бенедиктбейрене учился шлифовать оптические стекла.
В своем предисловии к собранию сочинений Фраунгофера Э. Лом-мель так подытоживал его вклад в практическую оптику. «Благодаря введению своих новых и усовершенствованных методов, механизмов и измерительных инструментов для вращения и полировки линз... ему удалось получить достаточно большие образцы флинтгласа и кронгласа без всяких прожилок. Особенно большое значение имел найденный им метод точного определения формы линз, который совершенно изменил направление развития практической оптики и довел ахроматический
66
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
телескоп до такого совершенства, о котором раньше нельзя было и мечтать».
Чтобы произвести точные измерения дисперсии света в призмах, Фраунгофер в качестве источника света использовал свечу или лампу. При этом он обнаружил в спектре яркую желтую линию, известную теперь как желтая линия натрия. Вскоре установили, что эта линия находится всегда в одном и том же месте спектра, так что ее очень удобно использовать для точного измерения показателей преломления. После этого, говорит Фраунгофер в своей первой работе 1815 года: «...я решил выяснить, можно ли видеть подобную светящуюся линию в солнечном спектре. И я с помощью телескопа обнаружил не одну линию, а чрезвычайно большое количество вертикальных линий, резких и слабых, которые, однако, оказались темнее остальной части спектра, а некоторые из них казались почти совершенно черными».
Всего он насчитал их там 574. Фраунгофер дал названия и указал их точное местоположение в спектре. Обнаружилось, что положение темных линий было строго неизменным, в частности, всегда в одном и том же месте желтой части спектра появлялась резкая двойная линия. Ее Фраунгофер назвал линией О. Ученый также обнаружил, что в спектре пламени спиртовки на том же самом месте, где и темная линия О в спектре Солнца, всегда присутствует яркая двойная желтая линия. Лишь много лет спустя стало понятно значение этого открытия.
Продолжая свои исследования темных линий в спектре Солнца, Фраунгофер понял главное: их причина не в оптическом обмане, а в самой природе солнечного света. В результате дальнейших наблюдений он обнаружил подобные линии в спектре Венеры и Сириуса.
Одно открытие Фраунгофера, как выяснилось позднее, оказалось особенно важным. Речь идет о наблюдении над двойной Д-линией. В 1814 году, когда ученый опубликовал свои исследования, на это наблюдение особого внимания не обратили. Однако спустя 43 года Вильям Сван (1828—1914) установил, что двойная желтая линия О в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии металла натрия. Увы, как и многие до него, Сван не осознал значения этого факта. Он так и не сказал решающих слов: «Эта линия принадлежит металлу натрию».
В 1859 году к этой простой и важной мысли пришли два ученых: Густав Роберт Кирхгоф (1824—1887) и Роберт Вильгельм Бунзен (1811 — 1899). В университетской лаборатории Гейдельберга они поставили следующий опыт. До них через призму пропускали либо только луч Солнца, либо только свет от спиртовки. Ученые решили пропустить их одновременно. В результате они обнаружили явление, о котором рассказывает подробно в своей книге Л.И. Пономарев: «Если на призму падал только луч Солнца, то на шкале спектроскопа они видели спектр Солнца с темной линией О на своем обычном месте. Темная линия по-прежнему оставалась на месте и в том случае, когда исследователи
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
67
ставили на пути луча горящую спиртовку. Но когда на пути солнечного луча они ставили экран и освещали призму только светом спиртовки, то на месте темной линии О четко проявлялась яркая желтая линия О натрия. Кирхгоф и Бунзен убирали экран — линия О вновь становилась темной.
Потом они луч Солнца заменяли светом от раскаленного тела — результат был всегда тот же: на месте ярко-желтой линии возникала темная. То есть всегда пламя спиртовки поглощало те лучи, которые оно само испускало.
Чтобы понять, почему это событие взволновало двух профессоров, проследим за их рассуждениями. Ярко-желтая линия О в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии натрия. В спектре Солнца на этом же месте находится темная линия неизвестной природы.
Спектр луча от любого раскаленного тела — сплошной, и в нем нет темных линий. Однако если пропустить такой луч через пламя спиртовки, то его спектр ничем не отличается от спектра Солнца — в нем также присутствует темная линия и на том же самом месте. Но природу этой темной линии мы уже почти знаем, во всяком случае, мы можем догадываться, что она принадлежит натрию.
Следовательно, в зависимости от условий наблюдения линия О натрия может быть либо ярко-желтой, либо темной на желтом фоне. Но в обоих случаях присутствие этой линии (все равно какой — желтой или темной!) означает, что в пламени спиртовки есть натрий.
А поскольку такая линия спектра пламени спиртовки в проходящем свете совпадает с темной линией О в спектре Солнца, то, значит, и на Солнце есть натрий. Причем он находится в газовом внешнем облаке, которое освещено изнутри раскаленным ядром Солнца».
Короткая заметка в две страницы, написанная Кирхгофом в 1859 году, содержала сразу четыре открытия:
— каждый элемент имеет свой линейчатый спектр, а значит строго определенный набор линий;
— подобные линии можно использовать для анализа состава веществ не только на Земле, но и на звездах;
— Солнце состоит из горячего ядра и сравнительно холодной атмосферы раскаленных газов;
— на Солнце есть элемент натрий
Первые три положения вскоре подтвердились, в частности, гипотеза о строении Солнца. Экспедиция Французской академии наук в 1868 году во главе с астрономом Жансеном побывала в Индии. Она обнаружила, что при полном солнечном затмении, в момент, когда его раскаленное ядро закрыто тенью Луны и светит только корона, — все темные линии в спектре Солнца вспыхивают ярким светом.
Второе положение Киргхоф и Бунзен не только блестяще подтвердили, но и воспользовались им для открытия двух новых элементов: рубидия и цезия.
\\
68
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

<< Предыдущая

стр. 2
(из 16 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>