Джордж Джонсон - Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Сегодня мы знаем, что правы были оба ученых и каждому удалось доказать свою правоту с помощью элегантных опытов.
Начнем с Вольты. Взяв несколько десятков дисков — часть из них из меди, а другие — из цинка, — он, чередуя металлы, сложил все диски столбиком, разделяя их картонными шайбами, смоченными в соленой воде. При достаточной высоте столбика он при прикосновении получал легкий электрический удар. Можно было использовать серебро и олово или заменять картон маленькими чашечками с соленой водой, соединенными между собой биметаллическими электродами.
Так он изобрел электрическую батарею. В названии статьи, опубликованной в 1800 году, уже была сформулирована суть его открытия: «Об электричестве, возбуждаемом простым контактом проводящих веществ различного рода». Лягушка Гальвани оказывалась просто влажным разделителем в «электрической батарейке».
Но не тут-то было. Завершающий опыт Гальвани был не менее элегантным. Он препарировал очередную свою лягушку «обычным способом» — так, что у нее был выделен каждый основной нерв лапки. В предыдущих своих экспериментах он прикасался нервом непосредственно к мышце. На этот раз, используя небольшую стеклянную палочку, он соединил один нерв с другим, т. е. образовались два одинаковых проводника, но результат был тот же: мышца сократилась, чего не могло произойти, если бы второй нерв просто раздражался кусочком стекла.
«Какую теперь нужно призвать неодинаковость, чтобы объяснить мышечные сокращения, — вопрошал он, — ибо контакт создается только между нервами?» Он настаивал на том, что эффект возникает только потому, что «в самом животном имеется электрическая цепь».
И ни одному из этих двоих ученых не приходила в голову мысль, что их опыты просто дополняли друг друга и ходили они кругами вокруг одной и той же истины. Природное, искусственное, животное электричество является прежде всего электричеством. Вольта не мог понять, что наблюдаемое им «контактное» электричество было лишь химической реакцией (ему самому казалось, что его батарея была источником вечного движения), тогда как Гальвани настаивал на том, что его биологическое электричество является чем-то совершенно иным.
Пройдут годы, прежде чем физиологи детально разберутся в том, что удалось наблюдать разозлившемуся на Вольту Гальвани в опытах с лягушками: почему в организме каждая микроскопическая клетка действует как крохотная электрическая батарейка, ее мембраны функционально напоминают картонные прокладки, а заряженные ионы выполняют роль цинковых и медных монет. В результате возникло понимание положительного и отрицательного, а также электродвижущей силы под названием напряжение. Когда мышца приходит в движение или палец чувствует поверхность камня, по нервной системе протекает электрический ток. Эфемерная «жизненная сила» отсутствует. Жизнь — это всего лишь электрохимия.
Глава 6
МАЙКЛ ФАРАДЕЙ
Глубинное
Всякий раз, наблюдая вспышки молний и слыша раскаты грома, я вспоминала, как любил он грозу. Никогда не забуду, как часами стоял он у окна, любуясь яркими всполохами. И мы могли лишь предполагать, какими благородными мыслями полнилась тогда его голова — иногда это были размышления о Боге, а иногда о тех законах, которые Он создал, дабы управлять миром.
Маргарет Рейд, племянница Майкла Фарадея (в письме от 22 апреля 1867 г.)Искра — это ослепительная звезда, возникающая при разряде батареи Вольты, известная всем как самый прекрасный свет, который только может создать человек.
Майкл Фарадей. Экспериментальные исследования электричестваВсе знали, что Ада Лавлейс — далеко не подарок. Дочь поэта Байрона родилась весьма неуравновешенной, и ее мать, стараясь исправить характер ребенка, упорно прививала ей любовь к математике. Однако нельзя сказать, что лечение удалось — однажды Ада попыталась бежать из дома с одним из своих учителей. Ее поймали, укротили и выдали замуж за богатого аристократа, которому она предпочла компанию ученых. Среди ее почитателей был и изобретатель Чарльз Бэббидж. Он называл ее «волшебницей чисел», но она хотела, чтобы ее называли «суженой науки». Ее восхищали все новые научные идеи: френология, месмеризм, «исчисление нервной системы». В 1844 году, когда ей было двадцать восемь, она вступила в весьма фривольную переписку с величайшим английским экспериментатором Майклом Фарадеем, стремясь стать его музой и «феей».
Я буду прекрасным привидением, красочным и красноречивым, — по первому твоему желанию. Но сейчас я хочу быть тихой серенькой птичкой рядом с тобой, которую ты незаметно учишь тому, как познать тебя и помочь тебе. Я с удовольствием передам в твои руки свою волшебную палочку, и можешь совершать с ней все, что пожелаешь.
По осторожным ответам Фарадея трудно сказать, как он относился к ее изобилующим подчеркиваниями излияниям. Ему было пятьдесят три, он был женатым, добропорядочным христианином, только приходящим в себя от болезни, которую сегодня назвали бы нервным срывом. Он уже успел совершить главные из своих опытов, связав электричество и магнетизм. Может быть, именно лесть Ады заставила его сделать еще один шаг вперед и элегантно продемонстрировать, что электромагнетизм самым тесным образом связан со светом.
Леди Ада Лавлейс
Они происходили из абсолютно разных миров. Он — сын кузнеца и ученик переплетчика, убедивший великого английского ученого Гемфри Дэви сделать его своим секретарем и ассистентом. Поначалу Фарадей просто был слугой Дэви, путешествовал с ним по Европе и, кстати, встречался с такими людьми, как Вольта и Андре Мари Ампер. Позже, поступив на службу в лондонский Королевский институт, он не гнушался никакой черновой работы, если только она была связана с наукой: занимался анализом глин для Веджвудского фарфорового завода, исследованием пороха для Вест-Индской компании и изучением промышленных процессов на литейных заводах Уэльса. Когда ему было столько же, сколько исполнилось его юной корреспондентке, страховая компания попросила его составить отчет о горючести китового жира, а Британское Адмиралтейство справлялось у него о лучших способах вяления мяса. Примерно в то же время, т. е. в конце 20-х годов XIX века, Дэви рассказал ему о потрясающих экспериментах датского ученого Ханса Кристиана Эрстеда.
Эрстед изготовил электрическую батарею, наполнив двадцать сосудов разведенной кислотой и соединив их последовательно кусочками меди и цинка. Затем он соединил один полюс установки с длинной проволокой, которую установил над компасом параллельно компасной стрелке. В тот момент, когда он подсоединял второй конец к батарее, стрелка компаса поворачивалась на запад. Когда проволока помещалась под компасом, стрелка начинала показывать на восток.
Дэви и Фарадей, не очень-то доверяя датчанину, поспешили повторить его опыты. Примерно в то же время работавший в Париже Ампер показал, что два параллельных провода, по которым течет ток в одном направлении, притягиваются друг к другу, как магниты. При противоположных направлениях тока проволочки отталкиваются друг от друга.
Эксперимент Эрстеда Рисунок из книги М. Фарадея «Силы вещества», 1868 год
Такая очевидная связь между электричеством и магнетизмом была довольно неожиданной. Удивляло то, что сила могла действовать по окружности, а не по прямой линии. (Один ученый назвал это «вращающимся электричеством».) В ньютоновской механике ничего не предвещало подобного. Фарадею удалось показать, что, используя несложную установку, состоящую из ртути и пробки, можно заставить наэлектризованную проволоку вращаться вокруг магнита или магнит — вокруг наэлектризованной проволоки. Он изобрел электрический мотор. Если из проволоки сделать рамку и присоединить ее к батарее, то она становится слабым магнитом. Если изогнуть проволоку в форме спирали, магнитная сила увеличивается, концентрируясь в центре обмотки.
Несколько элегантных экспериментов выдвинули Фарадея в лидеры европейской науки. И тут, к сожалению, ему пришлось на время прекратить свои исследования — он вынужден был заниматься тем, что от него потребовала промышленная революция, и на десять лет погрузился в производство стали, меди и стекла. В письме Амперу он жаловался, что «много времени уходит, к сожалению, на повседневные дела», а не на эксперименты, которые он так любил. Но он все равно находил время на необычные исследования — изучал волнистый рисунок, или, как он его назвал, «мурашки», возникающие, когда тонкий слой порошка или песка распределяется по поверхности металлической пластины, которая вибрирует от прикасающегося к ней скрипичного смычка. Размещенная рядом с ней вторая такая пластина с порошком будет вибрировать аналогичным образом. Он также экспериментировал с жидкостями. «Когда ртуть на оловянной пластинке вибрирует в солнечном свете, отраженный свет очень красив, — сообщал он в своем отчете, чем-то напоминая Ньютона. — Чернила и вода, вибрирующие в солнечном свете, тоже выглядят необычайно красиво». Но только в 1831 году ему удалось вновь вернуться к своим экспериментам с обмотками и батареями.
