Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
Рис. 13.3. Эту большую батарею в подвале Королевского института использовал, например, Гемфри Дэви в своих экспериментах.
Следующее большое открытие произошло почти случайно. Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851), профессор физики Копенгагенского университета, готовился к лекции об электричестве и магнетизме; для этого он принес в аудиторию батарею, чтобы продемонстрировать действие электрического тока. Рядом с батареей он положил компас — для демонстрации магнитных сил. Прежде он уже замечал, что между электричеством и магнетизмом существует некоторая связь: например, стрелка компаса беснуется во время грозы. До начала лекции оставалось немного времени, и профессор решил провести небольшой опыт. Эрстед положил компас рядом с проводом,
Новость об открытии Эрстеда распространилась очень быстро. Через несколько лет его статья была зачитана на собрании Французской академии наук. На этом собрании был и Ампер, который тут же начал работать над объяснением явления, обнаруженного Эрстедом. Теория была готова через неделю и послужила основой для объединения электричества и магнетизма в теорию электромагнетизма.
Андре Мари Ампер (1775–1836) родился недалеко от Лиона. Его отец, состоятельный купец, занимавший должность мирового судьи в Лионе, был казнен во время Французской революции. Теперь дом Ампера превращен в музей и открыт для посещения. В детстве Ампер не ходил в школу, а приобрел свои знания путем чтения книг. Вот эпизод, говорящий о его прекрасной памяти и способностях к обучению. Будучи еще маленьким мальчиком, он отправился в Лионскую библиотеку и попросил книги знаменитых математиков — Эйлера и Бернулли. Библиотекарь объяснил мальчику, что это сложные математические книги, которые ему будет трудно понять, к тому же — они написаны на латинском языке. Новость о латинском языке смутила Ампера, но он решил, что незнание латинского языка не должно мешать ему. Спустя несколько недель он вернулся в библиотеку, уже зная латынь, и начал читать эти книги.
Ампер женился в 24 года и содержал семью, работая школьным учителем. В 1808 году он был назначен инспектором школ и на этой должности оставался всю жизнь. Кроме того, он работал профессором в Париже. К 1820 году, когда Ампер заинтересовался электромагнетизмом, он был уже широко известен своими трудами по математике и химии. Этот разносторонний ученый начинал как профессор математики, затем стал профессором философии, а позднее — профессором астрономии! Начиная с 1824 года Ампер был уже профессором физики Коллеж де Франс.
Ампер не удовлетворился только лишь объяснением результатов Эрстеда и начал свои исследования. Например, он показал, что, смотав электрический провод в виток, можно создать искусственный магнит — электромагнит, который действует точно так же, как естественные магниты. Ампер смело, но совершенно верно предположил, что естественные магниты содержат внутри себя небольшие витки непрерывного тока, которые действуют вместе и создают естественный магнетизм.
Ампер сразу же понял важность феномена электромагнетизма в передаче информации. Включая и выключая ток, можно привести в движение стрелку компаса, находящегося довольно далеко. Послание может быть передано с такой скоростью, с какой распространяется электрический ток. Вскоре началось производство телеграфных аппаратов, работающих по этому принципу. Одна из первых телеграфных линий была протянута в 1834 году в Геттингене между лабораторией Вильгельма Вебера и астрономической обсерваторией Карла Фридриха Гаусса. В том же году первую коммерческую телеграфную линию, соединившую Вашингтон и Балтимор (США), наладил Сэмюэл Морзе, изобретатель азбуки Морзе.
Другим ученым, сразу же оценившим огромное значение открытия Эрстеда, стал англичанин Майкл Фарадей. Он был сыном кузнеца и получил минимальное образование. В 13 лет он стал подмастерьем переплетчика. Переплетая книги, он их читал. Один из клиентов дал ему бесплатный абонемент на посещение публичных лекций Гемфри Дэви (1778–1829). Фарадей сделал аккуратный конспект лекций, красиво переплел его и послал Дэви с запиской, в которой спрашивал, нет ли у Дэви работы для него. Каково же было удивление Фарадея, когда Дэви пригласил его к себе. Конспект был написан очень аккуратно и произвел на Дэви хорошее впечатление. В 1820 году он предложил мальчику должность своего ассистента в Королевском институте в Лондоне. Так началась одна из наиболее знаменитых карьер в науке. Говорили, что самым большим открытием Дэви был Фарадей (рис. 13.4).
Фарадей учился у самого Дэви. Когда Дэви отправился в полуторагодичный тур на континент, он взял с собой Фарадея, который познакомился там, среди прочих, с Ампером и Вольтой. Когда Дэви работал в Париже с Луи Гей-Люссаком, изучая новый химический элемент — йод, им помогал Фарадей. Впрочем, и дома в его служебные обязанности входило проведение химических опытов.
Рис. 13.4. Майкл Фарадей (1791–1867), портрет Томаса Филлипса.
Если не считать временного интереса к электромагнетизму, вызванного открытием Эрстеда, Фарадей до 1830 года был профессиональным химиком. В 1833 году он стал профессором химии в Королевском институте. Но к этому моменту его научные интересы уже поменялись. Фарадей был убежден, что если электрический ток может быть причиной возникновения магнитных сил, то и магнит должен быть способен создавать электрический ток. Это мнение разделяли многие, среди которых был и Ампер, не сумевший, однако, подтвердить эту захватывающую идею.
В течение 10 лет Фарадей проводил различные опыты по электромагнетизму. В 1831 году он вложил одну катушку внутрь другой. Когда по одной из катушек пускали ток, она становилась электромагнитом. Фарадей хотел выяснить, способен ли магнит вызвать появление электрического тока во второй катушке. Действительно, ток возникал, но лишь на мгновение — только при включении или выключении электромагнита. Это привело Фарадея к важному открытию: изменение магнита — например, изменение силы магнита или его вращение — генерирует электрический ток в соседней катушке. Ключевым моментом здесь было изменение магнита.
Это позволило Фарадею сконструировать электрический генератор — простое динамо, ставшее в будущем основой электротехники. Однажды он демонстрировал свое открытие Уильяму Гладстону, который в то время был министром финансов, и тот спросил: «Ну и как же это можно использовать?» Фарадей ответил: «Вполне возможно, сэр, что когда-нибудь вы сможете обложить это налогом».
Одним из важнейших достижений Фарадея стала предложенная им новая интерпретация того, как сила передается от одного тела к другому. Вместо действия на расстоянии он представлял себе силовые линии, пронизывающие пространство. В 1830-е и 1840-е годы Фарадей продолжал разрабатывать свою идею магнитных и электрических силовых линий. Но поскольку эта новая идея не имела математической формы, большинство ученых отвергло ее. Однако было два важных исключения — Уильям Томсон и Джеймс Клерк Максвелл. Томсон дал силовым линиям Фарадея математическую интерпретацию и показал, что концепция силовых линий согласуется с теорией тепла и механикой; тем самым был заложен математический фундамент теории поля. Фарадей осознавал важность поддержки этими «двумя очень талантливыми джентльменами и выдающимися математиками»; он говорил: «для меня это источник большого наслаждения и поддержки — чувствовать, что они подтверждают справедливость и универсальность предложенного мной представления».
Для Фарадея идея о силовых линиях естественно вытекала из его опытов с магнитами. Когда он бросал иглообразные железные опилки на лист бумаги, лежащий на куске магнита, то замечал, что опилки выстраиваются по линиям, идущим в определенном направлении, в зависимости от их положения относительно магнита (рис. 13.5). Он думал, что магнитные полюсы связаны магнитными линиями и что эти линии становятся видимыми с помощью железных опилок, которые выстраиваются параллельно линиям. Для Фарадея эти линии были реальными, хоть и невидимыми. Свою идею о силовых линиях Фарадей распространил и на электрические силы; он считал, что и гравитацию можно интерпретировать подобным способом. Вместо утверждения, что планета каким-то неведомым образом узнает, как она должна двигаться по орбите вокруг Солнца, Фарадей ввел понятие гравитационного поля, которое управляет планетой на орбите. Солнце генерирует поле вокруг себя, а планеты и другие небесные тела ощущают влияние поля и ведут себя соответственно. Точно так же заряженные тела генерируют вокруг себя электрические поля, а другие заряженные тела чувствуют это поле и реагируют на него. Существуют и магнитные поля, связанные с магнитами.