Дэвид Боданис - Электрическая Вселенная. Невероятная, но подлинная история электричества
После неудачи, которую он потерпел в Силиконовой долине, Уильям Шокли научные исследования забросил. Коллеги сторонились Шокли из-за его становившихся с годами все более ожесточенными расистских взглядов; с женой, которую он считал стоявшей ниже его по развитию, Шокли развелся. В конечном итоге он начал сдавать свою сперму фонду, цель коего состояла в создании генетически превосходящих всех на свете белых детей.
Алан Ходжкин, молодой квакер, которого летом 1939 года так сильно огорчала невозможность раздобыть нейроны кальмара, возглавил изучение клеточных основ зрения и закончил карьеру на посту президента Королевского общества. Его товарищ по ранним исследованиям Эндрю Хаксли, стал одним из ведущих биофизиков мира и сделал многое для современного понимания сокращения мышц. Сейчас, когда пишется эта книга, он продолжает активно работать в кембриджском Тринити-Колледже. Еврею Отто Леви пришлось в 1938 году покинуть Австрию, а все деньги, полученные им вместе с Нобелевской премией, остались лежать в нацистском банке. Радушно принятый Америкой, он получил гражданство США и в преклонные годы с великим удовольствием посещал музеи ставшего его новой родиной Нью-Йорка. Умер он в 1961-м, через сорок лет после своего великого пасхального сновидения.
Месье А, синьор В и мистер Вт
Мир состоит из электрических зарядов, вся наша технология работает на электрических зарядах, и даже мозг каждого из нас получает питание благодаря электрическим зарядам. Да, но как измеряются эти потоки электричества? Три исторических персонажа увековечили свои имена в названиях знакомых всем единиц — амперах, вольтах и ваттах, с помощью которых описывают и суммируют то, что происходит внутри всех электрических устройств.
Первым оказался французский математик, профессор Андре Мари Ампер, изучавший в 1820 году создание магнитного притяжения электрическими токами. То был один из очень немногих счастливых периодов жизни Ампера — на его могильной плите стоят слова Tandem felix («Наконец-то счастлив»), — а затем в 1881 году, спустя многие годы после его смерти, для единицы измерения потока
заряженных частиц было принято наименование «ампер». В обычных бытовых электрических схемах это просто число электронов, проходящих за одну секунду через поперечное сечение провода. Если через него проходит 6 квинтильонов (6 000 000 000 000 000 000) электронов в секунду, мы говорим, что по проводу протекает ток в один ампер, если таких квинтильонов проходит 12, мы называем это током в два ампера. Электрическая лампочка вспыхивает, когда по ее спирали каждую секунду проходит 6 квинтильонов индивидуальных электронов. Включите зажигание вашего автомобиля, и через его свечи зажигания потечет ток в 50 А — 300 квинтильонов электронов в секунду.
Вторым персонажем стал вспыльчивый итальянец Алессандро Вольта. Он создал батареи, которые позволили другим ученым исследовать силу, «проталкивающую» электроны по проводам, хотя, как мы уже видели, механизма работы своих батарей он толком не понимал.
Исследования Майкла Фарадея помогли осмыслить эту толкающую силу, а ключевую концепцию ее измерения дал Макуорн Ранкин, друживший и с Уильямом Томсоном, и с Фарадеем. Ранкин провел годы, проектируя железные дороги холмистой Шотландии, и этот опыт помог ему сформулировать теорию того, что он назвал «потенциальной энергией». Забравшийся на холм поезд может двигаться медленно, однако он обладает большой потенциальной энергией, ибо стоит поезду начать спуск, и он очень быстро наберет огромную скорость.
Ранкин и Томсон использовали это понятие, пытаясь проникнуть в суть силовых полей, которые» как они себе представляли, распространяются от батарей и других источников электричества. Перед их умственным взором вставали невидимые «холмы», на которых поле было сильным, и «долины», в которых оно было слабым. Поместите заряженную частицу туда, где поле сильно, и она полетит вниз подобно испуганному, но обрадованному пассажиру, видящему, как паровоз стремительно несет его к заждавшейся долине. «Вольт», поняли Ранкин и Томсон, это просто мера крутизны, которой обладает толкающая сила в топографии каждого из незримых полей Фарадея. Если ампер измеряет плотность потока электронов, вольт помогает измерить «нисходящую» толкающую силу, создающую этот поток.
Последним из трех персонажей был еще один изобретательный шотландец, Джеймс Уатт, святой покровитель электрической лампочки. Паровую машину изобрел не Уатт, однако он значительно усовершенствовал ее и решил, что, если ему удастся уговорить прижимистых владельцев шахт покупать новую машину, это станет немаловажным достижением в его жизни
Что ему требуется, понял Уатт, так это надежное, лишенное риска предложение, показывающее, что новая машина более чем окупает затраты на ее приобретение. Однако для этого нужна какая-то мера экономичности, а это означало, что необходимо найти эффектный и яркий способ, позволяющий подытожить то, что делают лошади, таскающие телеги и приводящие в ход насосы.
Уатт установил, что лошадь способна без особых перебоев тянуть за собой груз весом в 500 фунтов (226,5 кг), и выдвинул идею «лошадиной силы» — мощности, которую средняя лошадь способна развивать в течение долгого рабочего дня. Если он сможет предложить владельцам шахт паровую машину, которая будет стоить меньше, чем лошадь и ее пропитание* причем мощность ее будет больше одной лошадиной силы, у него появятся хорошие шансы продать такую машину. С распространением метрической системы мер изначальный термин был заменен, и весьма справедливо, на «ватт». Лошади — животные сильные, поэтому ватт был определен как малая — примерно 1/750-я — часть одной лошадиной силы. Сегодняшние диджеи не используют тягловых лошадей для того, чтобы прокручивать музыкальные записи или усиливать звук, однако, когда они говорят, что собираются задействовать акустическую систему мощностью в 750 Вт, речь идет, в сущности, о том, что для их оборудования требуется мощность, которую способна предоставить им одна-единственная лошадь. Ватт — это просто мера мощности, которую обеспечивают толкатели-вольты и торопыги-амперы.
Во времена потомка мистера Уатта, Роберта Уотсона Уатта, возможность создания британской системы оборонных радаров зависела от возможности подсчитать, каким образом ее допускающая точное измерение мощность будет распространяться в воздухе. Небо наполнено электрическими зарядами, однако они так крепко связаны в молекулах воздуха, что даже сильная радиоволна оторвать один от другого не может. Лишь намного более мощные, формируемые грозовыми тучами силовые поля способны создавать из них блистающую молнию. Но, возможно, слабой радиоволны будет все же достаточно для того, чтобы увлечь за собой хотя бы некоторые из электронов, которыми пропитан металл самолета?
Именно такие подсчеты и предстояло проделать в Слау 1935 года Арнольду Уилкинсу, используя при этом идеи мистера Уатта — и ясное определение ватта, полученное благодаря ясному же определению лошадиной силы, — то есть установить, что мощности, посылаемой в небо, будет довольно для того, чтобы заставить электроны посылать обратно на землю различимый ответный сигнал. Мощность, измеряемая в ваттах, отправится в небо, вокруг самолета возникнет поле толкающей силы, измеряемой в вольтах, а в металлическом крыле самолета — поток электронов, измеряемый в амперах, — достаточно сильный, как показал Уилкинс, чтобы создать ответный сигнал, который позволит работать британским оборонным радарам.
Примечания
С. 16 …тщеславным, что и пошло на пользу делу.~ Алессандро Вольта.
Открытие Вольта не свалилось на него с неба — он проработал над созданием устройств, способных передавать или измерять статическое электричество, более четверти века. Однако когда Луиджи Гальвани — всего-навсего анатом — обнаружил то, что представлялось источником движущегося электричества, полуаристократ Вольта испугался и повел исследования ускоренными темпами.
В своей ключевой статье, сообщавшей о создании батареи и направленной в Королевское общество, Вольта был на удивление сдержан, между тем в книге М. Пера (Marcello Pera), «The Ambiguous Frog: The Galvani-Volta Controversy on Animal Electricity»[3] (Princeton: 1992) можно прочитать о подлинной истории поношений, кои он обрушивал на своих соперников и в особенности на несчастного Гальвани (давшего почти целиком неверное объяснение биметаллического эффекта). Указанные в относящемся к данной главе разделе руководства для дальнейшего чтения тексты Фара и Хейлброна дают картину более широкую.
С. 16 …в языке возникнет ощущение покалывания.
Атомы двух разных металлов создают на их поверхностях различные конфигурации электрической силы, впрочем, одно лишь это не могло бы заставить ток протекать по языку Вольта. Между тем слюна — это по преимуществу соленая вода, способная вступать в реакцию с цинком, отрывая от него микроскопические фрагменты. Эти фрагменты обладают положительным зарядом. так что остававшийся во рту Вольта цинковый диск приобретал избыток отрицательно заряженных электронов.
