Жанр: Наука
Приключения великих уравнений
... толщиной в 7/8
дюйма. Внешний диаметр кольца был 6 дюймов. Я намотал на одну половину
кольца много витков медной проволоки, изолированных шнуром и коленкором.
Всего на этой половине было намотано три куска проволоки, каждый длиной
около 24 футов. Концы проволоки можно было соединить в одну обмотку или
применять раздельно.
Испытание показало, что каждый из кусков проволоки вполне изолирован от
двух других. Эту сторону кольца я обозначу буквой А. На другую половину
кольца, отступив на некоторый промежуток от стороны А, я намотал еще два
куска той же проволоки общей длиной около 60 футов. Направление витков было
то же, что и на половине А. Эту сторону кольца я обозначу буквой В.
Я зарядил батарею из десяти пар пластинок, 4 квадратных дюйма каждая. На
стороне В я соединил оба. конца проволоки в общую цепь и приключил ее к
гальванометру, который был удален от моего кольца на 3 фута. Тогда я
подключил концы одной из проволок на стороне А к батарее, и тотчас же
произошло заметное действие на стрелку гальванометра. Она заколебалась и
затем вернулась в свое первоначальное положение. Когда я прервал контакт
стороны А с батареей, немедленно же произошел новый бросок стрелки".
Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так
странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению,
которое он искал?
Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера -
связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в
которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее
как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы
рождает электричество. Только две вещи оставались странными: почему всплеск
электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И
более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?
На следующий день 30 августа новая серия экспериментов, Эффект ясно
выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.
Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.
23 сентября он пишет своему другу Р. Филиппсу1: "Я теперь опять занимаюсь
электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще
утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце
концов вытащу водоросли вместо рыбы".
К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных
устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с
электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал!
Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Легкое движение
происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз казалось
- случайно. Нет, не может того быть! Разгадка где-то рядом. Но где?
Следующий эксперимент - 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому
началу - к двум обмоткам: одной с током, другой - подсоединенной к
гальванометру. Различие с первым экспериментом - отсутствие стального кольца
- сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит
без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект
выражен слабее. (Тривиально и ясно для нас, уже знающих, в чем тут дело. Но
для Фарадея роль железного сердечника ясна отнюдь не была).
Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о
причинах неудачи.
В записках Фарадея была найдена "шкала научных заслуг". Вот она:
Четыре ступени:
Открытие нового факта.
Сведение его к известным принципам.
Открытие факта, не сводимого к известным принципам.
Сведение всех фактов к ещеболее общим принципам.
Если воспользоваться этой шкалой, то можно увидеть, что открытия самого
Фарадея - высшая ступень. Открытие Герцем электромагнитных волн - это вторая
ступень, открытие радиоактивности Беккерелем - третья ступень. Заслуга
Эйнштейна - четвертая, высшая ступень.
Эксперимент триумфальный - 17 октября.
Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.
"Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4
дюйма длиной) и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки
(220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением
втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра
испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка
опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки
повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался".
Секрет - в движении магнита! Импульс электричества определяется не
положением магнита, а движением!
"Это значит, что электрическая волна возникает только при движении2
магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое".
Идея оказалась плодотворной. Если движение магнита относительно
проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника
относительно магнита должно рождать электричество! "Электрическая волна" не
исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника
и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока,
действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение
проволоки и магнита!
Здесь - путь к современным электрогенераторам. И поскольку Фарадей
правильно оценил принцип действия нового устройства, оно было им быстро
построено и испытано.
Фарадей придавал громадное значение искусству чтения лекций. Он брал
уроки ораторского искусства. Его правила при чтении лекций:
Никогда не повторять фразу.
Никогда не возвращаться назад, чтобы уточнить что-либо.
Если не находится подходящего слова, никогда не бормотать: "Э-э-э...",
"значит..." и т. п. Нужно остановиться - слова придут сами.
Артиллерийский сержант Андерсон должен был подкладывать читающему лекцию
Фарадею на кафедру карточки: "МЕДЛЕННЕЕ" и "ВРЕМЯ".
28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита
вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на
оси, другой на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение.
Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.
Кстати, говоря о том, что Фарадеевский генератор вырабатывает
электричество, мы никогда не задаемся вопросом, какое? Ответ для нас ясен -
на свете есть лишь одно электричество, находящееся обычно в самых различных
формах. Это не было ясным во времена Фа-радея, и вопрос "какое" был вполне
уместен.
Фарадей сравнил действие различных "электричеств": получаемого с помощью
змея, "янтарного", от электрических рыб. Выяснилось, что все электричества
идентичны по свойствам, но различны по количеству. Например, все они могут
разлагать воду, только с различной скоростью. Вывод Фарадея о том, что
электричество, каким бы путем оно ни было получено, едино по своей природе,
- тоже один из важнейших в истории электричества. Открытие Фарадея еще раз
подтверждает остроумную мысль, некогда выраженную М. В. Ломоносовым:
"Природа проста и не роскошествует излишними причинами".
После "электромагнитной эпопеи" Фарадей был вынужден прекратить на
несколько лет свою научную работу - настолько была истощена нервная система
непрестанными напряженными раздумьями.
Американский физик Джозеф Генри, единственный американец, которого в 20-х
годах прошлого века увлекала проблема взаимоотношения электричества и
магнетизма, оказалось, еще в 1830 году наблюдал явление электромагнитной
индукции. Однако Генри не оспаривал приоритета Фарадея, руководствуясь
мудрым и справедливым правилом; первооткрывателем считается тот, кто раньше
обнародовал открытые им явления.
Вообще Фарадей никогда не щадил себя, занимаясь наукой. Серьезно
укоротили его жизнь химические опыты, где широко использовалась ртуть,
беспрерывно, хотя и не намеренно, проливающаяся на пол, а затем
испаряющаяся.
Оборудование его лаборатории было абсолютно негодным с точки зрения самой
элементарной техники безопасности. Вот письмо самого Фарадея:
"В прошлую субботу у меня случился еще один взрыв, который опять поранил
мне глаза. Одна из моих трубок разлетелась вдребезги с такой силой, что
осколком пробило оконное стекло, точно ружейной пулей. Мне теперь лучше, и я
надеюсь, что через несколько дней буду видеть так же хорошо, как и раньше.
Но в первое мгновение после взрыва глаза мои были прямо-таки набиты
кусочками стекла. Из них вынули тринадцать осколков..."
Когда, за несколько лет до смерти, Фарадею предложили квартиру в
Хэмптон-Корте, его здоровье было уже сильно подорвано работой.
С годами он отказывался от всего, что могло бы помешать ему работать, от
писем, от лекций, от встреч с друзьями.
Последняя лекция - на Рождество 1860 года.
Сложил с себя обязанности профессора - октябрь 1861 года.
Последняя работа в лаборатории - 12 марта 1862 года.
Сложил с себя обязанности главы христианской общины в 1864 году.
Сложил с себя обязанности, связанные с электрическим освещением маяков, в
1865 году.
Последний раз интересовался электричеством - его восхитила громадная
электрическая машина Хольтца - в 1865 году.
Силы его непрерывно слабели...
Вот как сообщила санкт-петербургская "Иллюстрированная газета" о смерти
Фарадея в 1867 году:
"ЛОНДОН. Скончался знаменитый английский физик Фарадей. Он был сыном
кузнеца, который определил его учеником к переплетчику. С 1813 года он стал
препаратором лаборатории королевского института и любимым учеником и
сотрудником химика Г. Дэви. Фарадей считался самым проницательным
теоретиком. Электричество было главной целью его изысканий. Медицина обязана
ему открытием фарадизации, или способа лечения посредством гальванических
токов".
Как видно из этой заметки, современники не оценили в полной мере основных
заслуг Фарадея.
Он умер спокойно и без сожаления.
Прах его покоится на Хайгетском кладбище в Лондоне, недалеко от места
захоронения Карла Маркса, когда-то столь высоко оценившего революционность
идей Фарадея.
В Вестминстерском аббатстве установлена мемориальная доска Фарадея1, его
имя здесь находится рядом с именами самых великих людей Англии - Ньютона,
Максвелла, Резерфорда.
2
Всего несколько месяцев разделяют рождение закона электромагнитной
индукции Фарадея и рождение Джеймса Клерка Максвелла. Фарадей сделал свое
гениальное открытие 4 октября 1831 года, а несколько раньше - 13 июня того
же года в семье шотландского лендлорда Джона Клерка Максвелла родился сын
Джеймс.
И теория Фарадея, и юный отпрыск знатного старинного шотландского рода
должны будут еще пройти рука об руку немало лет, а пока предстоит им прожить
первые, самые трудные годы жизни.
Нельзя сказать, что появление на свет фарадеевских идей, прочно связанных
с понятием "силовых линий" и "силовых трубок", было встречено с восторгом.
Непричесанное дитя не знающего математики бывшего переплетчика было не
под стать стройным, прекрасно математически оформленным созданиям знаменитых
французов Кулона, Ампера, Био и Лапласа, разработавших на базе представлений
о мгновенном действии на расстоянии блестящие теории и изящные формулы.
Фарадеевская теория силовых линий и трубок, занимающих все пространство,
в этой блестящей компании была явной золушкой, хотя и полезной - поскольку
открытия Фарадея почти сразу же стали широко использоваться - но слишком уж
непрезентабельной, чтобы ее принимать всерьез.
Поэтому-то первые годы жизни новой теории нельзя назвать счастливыми.
Некоторые исследователи полагают, что вполне могло сложиться такое
положение, что встреча Максвелла и новой теории не состоялась бы, и в таком
случае развитие физики, возможно, пошло бы совсем иным путем и идеи Фарадея
были бы забыты.
Детство Джеймса Клерка Максвелла было счастливым. Двухэтажный каменный
дом Максвеллов стоял в живописной малонаселенной местности на севере Англии,
чистый голос природы наполнял все чувства маленького Джеймса. Его друзья -
лошадка пони, собака, осы, лягушки (чтобы лучше услышать их "пение" мастер
Джеймс брал их в рот), вообще все живое (через несколько лет он писал: "Как
поживают травы, кустарники и деревья? Коровы, овцы, лошади, собаки и
люди?").
Весь мир, существующий вокруг, был для него открытой книгой, страницы
которой маленький мальчик перелистывал с жадностью.
"Мастер Джеймс - счастливейший человек, он намного поправился с тех пор,
как погода стала умеренной, у него по горло работы с дверями, замками,
ключами и т. д., а слова "покажи мне, как это делается" постоянно
сопутствуют ему. Он исследует тайные ходы для проволок от колокольчиков и
путь, по которому вода течет из пруда через плотину, вниз по канаве, в воду
Урра, а затем в море, где плавают корабли.
Что касается колокольчиков, то они у нас не заржавеют; он стоит на часах
в кухне... или звонит сам, посылая при этом наблюдать и кричать ему о том,
что в это время происходит, потом таскает повсюду отца, заставляя показывать
дыры, сквозь которые проходят проволоки. Его любимое занятие - помогать
Сэнди Фразеру, который возится с бочкой".
Это - строки из письма матери Джеймса, как видно уже по письму, женщины
одаренной и тонко чувствующей, своей сестре. В то время "мастеру Джеймсу"
было всего около трех лет. Такой интерес к окружающему миру у трехлетнего
мальчика - в общем, явление, встречающееся нередко; но каким
многозначительным кажется он, когда мы уже знаем, что из пытливого малыша
вырос гений!
Отец Максвелла - Джон Клерк Максвелл был человеком явно незаурядным.
Будучи адвокатом, он тем не менее больше времени уделял другим, более
занимавшим его вещам, путешествовал, занимался спортом, мастерил,
конструировал машины, ставил физические опыты, увлекался техникой и даже
опубликовал несколько научных статей. Когда малыш Максвелл возвращался с
прогулки, он нес с собой полные горсти "ценностей": палочек, камешков,
растений и т. п. Дома он хранил свои сокровища до прихода отца, который
рассказывал Джеймсу отдельно о каждой находке. Сам Максвелл не уставал
повторять, что добрые и мудрые родители - одна из величайших удач, о которых
можно только мечтать.
Наконец, ему повезло со временем - он родился во время промышленного
капиталистического расцвета в Англии, тогда, когда "старик пар" стал уже
понемногу сдавать позиции "величайшему революционеру - электрической искре"
(по выражению К. Маркса). Открытия Фарадея привели к широкому
распространению электромагнитных устройств.
Делаются первые успехи в области электрического телеграфа. Начинают
подумывать о прокладке по дну океана между Америкой и Европой электрического
кабеля. Становится жизненно необходимой единая теория электромагнетизма,
которая вобрала бы в себя все частные формулы и зависимости, могущие помочь
в исследовании не только тех конкретных случаев, решения для которых уже
были получены, но и тех, которые встретятся на практике впервые.
Но пока - школа (школа называлась важно - Эдинбургская академия). В ней
Максвеллу не понравилось - едва он явился туда первый раз в домотканой
одежде и деревенских отцовской модели грубых башмаках, ему была
"аборигенами" устроена, как сейчас сказали бы, "темная" ("Они набросились на
меня, как пчелы"). Но и потом, когда отношения нормализовались, академия не
смогла пробудить симпатий Джеймса. Учился он плохо, особенно по арифметике
(вот он - будущий гениальный математик!), для которой, как считалось, у него
не хватало воображения. Да и вообще, в академии его называли "дурилой",
считали нелюдимым и туповатым. Единственная радость - письма к отцу.
"Мой дорогой папа, в тот день, когда ты уехал, мы пошли в зоопарк и там
был слон, и Лиза испугалась его некрасивой морды. А у одного джентльмена был
мальчик, который спрашивал, не индийская ли эта корова. Собачка Аски думает,
что она тоже школьник, хочет идти со мной в школу... Твой почтительный слуга
Джеймс Клерк Максвелл".
И вдруг - геометрия, треугольно-прямоугольно-многоугольная геометрия, с
четкой логикой, с наглядностью, к которой он так привык в детстве, с
волнующими названиями, блестящими чертежными инструментами.
"Я сделал тетраэдр, додекаэдр, - пишет он отцу, - и два других эдра,
названия которых еще не знаю".
Геометрия разбудила Джеймса, он начинает заниматься с невиданным
увлечением и вскоре становится лучшим учеником академии. Успехи его не
просто хороши, они великолепны, блестящи, потрясающи. Его коллеги
впоследствии вспоминали, как Максвелл "с помощью одной фигуры и нескольких
линий" решил сложнейшую задачу по стереометрии, условие которой было
записано на трех досках.
Несколько раз в Эдинбург приезжал из имения отец Джеймса, вместе они
осматривали город, иногда заходили на заседания Королевского общества. На
одном из заседаний возник вопрос, каким образом древние этруски могли
построить, не зная высшей математики, совершенно правильный овал (обсуждался
вопрос о форме этрусских погребальных урн). Максвелл был заинтригован
проблемой и через некоторое время предложил необычайно остроумный и
гениально простой способ вычерчивания овальных кривых и эллипсов с помощью
двух иголок и связанной в кольцо нити.
Способ был доложен на заседании Королевского общества и одобрен самыми
известными учеными. Доложен, разумеется, не Максвеллом (ему в ту пору не
было и пятнадцати лет), а другим, достаточно солидным ученым.
За этой работой - множество других. Он изучает поляризацию света,
магнитные явления, доказывает важную теорему теории упругости (впоследствии
стала называться "теоремой Максвелла"). В ту пору Джеймсу Клерку Максвеллу
было неполных девятнадцать лет.
Его страсть к исследованиям и приобретению новых знаний беспредельна.
Отец поощряет его. Когда девятнадцатилетний Максвелл едет погостить к
приятелю в Бирмингам, отец намечает для него следующую программу действий:
"Эдинбург. 13 марта 1853 г.
Попроси Гейджа дать тебе инструкцию по бирмингамским заводам,
познакомься, если сможешь, с работой оружейников, с производством пушек и их
испытаниями, с производством холодного оружия и его испытанием; с папье-маше
и лакированием; с серебрением путем цементации и путем накатки; с
серебрением электролитическим способом - на заводе Элкингтона; с плавкой и
штампованием - на заводе Брэзиера; с обточкой и изготовлением чайников из
белого металла и т. д.; с производством пуговиц различных сортов, стальных
перьев, иголок, булавок и всевозможных мелких предметов, которые очень
интересно изготавливаются путем разделения труда и при помощи остроумных
инструментов; к местной промышленности относится и производство разных
сортов стекла, а также и литейное дело всех видов, производство машин,
инструментов и приборов (оптических и научных) как грубых, так и тонких.
Если тебе Бирмингам надоест, отправляйся в Кенилворт, Варвик, Стратфорд на
Эйвоне..."
Максвелл упорно учится. Из академии он переходит в Эдинбургский
университет, быстро исчерпав его, он отправляется в Кембридж, в Тринити -
колледж, где некогда учился Ньютон и где математика преподавалась на таком
высоком уровне, как нигде больше. К сожалению, к физике отношение там было
не слишком радушное - в колледже, как писал английский физик Л. Шустер,
предполагалось, что "физика как наука давно оформилась, и добавить к ней
нечего", "все главнейшие факты в природе уже известны, что шансы сделать
большое экспериментальное открытие ничтожно малы и что поэтому задача
экспериментатора состоит в разрешении споров между соперничающими теориями
или в нахождении незначительных остаточных явлений, которые могут добавить
более или менее важные подробности теории".
Несмотря ни на что, Максвелл решил посвятить себя именно физике. Его
наставник Гопкинс писал: "Это был самый экстраординарный человек, которого я
когда-либо видел. Он органически был неспособен думать о физике неверно. Я
растил его как великого гения, со всей его эксцентричностью и его
пророчеством о том, что он в один прекрасный день будет сиять в физике -
пророчеством, с которым убежденно были согласны и его коллеги-студенты".
Джеймс Клерк Максвелл.
Особое впечатление произвела на Максвелла книга Фарадея
"Экспериментальные исследования по электричеству". Двадцатилетний Максвелл
встретился наконец со своей ровесницей - теорией Фарадея, не особенно
жалуемой великолепными учеными за свой плебейский наряд, начисто лишенный
математической мишуры. Но на проницательного Максвелла, видевшего вещи
гораздо глубже своих даже более старших современников, "Экспериментальные
исследования" произвели неизгладимое впечатление. "Я решил, - писал он, - не
читать ни одного математического труда в этой области, покуда не изучу
достаточно основательно "Экспериментальных исследований по электричеству".
Это была любовь с первого взгляда, любовь на всю жизнь. Многочисленные
его увлечения другими отраслями физики были тоже очень плодотворны - он
изобрел волчок, поверхность которого окрашена была в разные цвета - при
вращении волчка цвета сливались: сочетания получались самые неожиданные -
красный и желтый давали оранжевый цвет, синий и желтый давали зеленый,
спектр при смешении давал белый цвет - действие, обратное действию призмы -
"диск Максвелла"; он нашел термодинамический парадокс, много лет не дававший
покоя физикам - "дьявол Максвелла"; в кинетическую теорию были введены им
"распределения Максвелла" и "статистика Максвелла - Больцмана"; есть "число
Максвелла". Кроме того, его перу принадлежит изящное исследование об
устойчивости колец Сатурна, за которое ему была присуждена академическая
медаль и после которого он становится "признанным лидером математических
физиков". Кроме того, Максвелл создал множество небольших шедевров на самые
разнообразные темы - от осуществления первой в мире цветной фотографии до
разработки способа радикального выведения с одежды жировых пятен.
Но главная память о Максвелле, вероятно единственном в истории науки
человеке, в честь которого имеется столько названий, - это "уравнения
Максвелла", "электродинамика Максвелла", "правило Максвелла", "ток
Максвелла" и, наконец, - максвелл - единица магнитного потока в системе CGS.
Все приведенные названия относятся к области физики, которой Джеймс Клерк
Максвелл посвятил жизнь, - электродинамике, теории электромагнитного поля.
Ко времени Максвелла существовало две теории электричества: теория
"силовых лилий" Фарадея и теория, разработанная великими французами Кулоном,
Ампером, Био, Саваром, Араго и Лапласом. Исходная точка французов -
представление о так называемом "дальнодействии", мгновенном действии одного
тела на другое на расстоянии без помощи какой-либо промежуточной среды.
Эти ученые были в плену авторитета великого Ньютона и в плену созданных
им математических формул, хотя Ньютон, по существу, не может считаться
первым апологетом "действия на расстоянии". Так, он, в частности, писал:
"Непонятно, каким образом неодушевленная косная материя, без посредства
чего-либо иного, что нематериально, могла бы действовать на другое тело без
взаимного прикосновения.
Что тяготение должно быть врожденным, присущим и необходимым свойством
материи, так что одно тело может взаимодействовать с другим на расстоянии,
через пустоту, без участия чего-то постороннего, при посредстве чего и через
что их действие и сила могли бы передаваться от одного к другому, это мне
кажется столь большим абсурдом, что я не представляю себе, чтобы кто-либо,
владеющий способностью компетентно мыслить в области вопросов философского
характера, мог к этому прийти".
Таким образом, Ньютон сам не стоял на позициях дальнодействия. Однако
последователи его - Роджер Котс и впоследствии черногорец Бошкович пришли в
конце концов к тому, что тяготение - столь же существенное свойство материи,
как протяженность, способность к движению и т. п. Другими словами, они
пришли к тому, что промежуточная среда для взаимодействия не нужна - они
пришли к "дальнодействию".
Шарль Огюстен Кулон в начале своей научной деятельности написал несколько
трактатов о скручивании нитей, волос, тонких проволок. Его глубокие знания в
этом вопросе позволяли создать всем известные "крутильные весы", на которых
он изучал силу, с которой взаимодействовали два электрических заряда.
Результат был поразителен: сила взаимодействия зарядов в пустоте, точно
так же, как и ньютоновская сила тяготения, зависела лишь от величины зарядов
и расстояний между ними. Пустота, находившаяся между зарядами, по мнению
Кулона, никаким образом не входила в формулу вполне справедливо, так как там
"ничего не было" и никакого механизма передачи от первого заряда к
некоторому участку пространства, затем к другому, третьему и так до второго
заряда, механизма, потребовавшего бы неизбежно некоторого времени для
передачи усилий, представить себе было невозможно.
Поэтому Кулон был твердо убежден, что промежуточная среда во
взаимодействии участия не принимает, взаимодействие происходит на расстоянии
без ее участия и, следовательно, мгновенно.
Точка зрен
...Поділитися у соцмережах
