Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Шрифт:
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
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.
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.
К тому времени английский естествоиспытатель Уильям Стерджен уже наматывал неизолированную проволоку на покрытый лаком железный сердечник, создавая таким образом электромагнит, достаточно мощный для того, чтобы удерживать груз весом больше его собственного. Используя проволоку с изоляцией, американец Джозеф Генри создал электромагнит, удерживавший груз весом более тонны. Однажды летом Фарадей решил проверить, что произойдет, если рядом поместить две рамки. Он попросил мастерскую при Королевском институте изготовить кольцевую железную рамку толщиной 2 сантиметра и радиусом 15 сантиметров.
С одной стороны он намотал 22 метра медной проволоки, изолированной бечевой и ситцем. Это он назвал обмоткой А. С другой стороны кольца он намотал примерно 18 метров проволоки и назвал это обмоткой В.Обмотки эти не имели контактов, однако, когда он прикасался проводами первой обмотки к полюсам батареи, гальванометр, подсоединенный ко второй обмотке, начинал дергаться, колебаться и только через какое-то время успокаивался в первоначальном положении. Думая, вероятно, о возникновении волн в его акустических экспериментах, он поначалу представлял все так, что «волна электричества», возникшая в первой обмотке, пройдя по кольцу, могла породить ток во второй обмотке. В результате он обнаружил электромагнитную индукцию и распахнул окно в совершенно иной мир.
Перемещение бруска магнита вперед и назад внутри полой рамки тоже приводило к образованию электрического тока в проволоке. Эрстед преобразовывал электричество в магнетизм, а теперь Фарадей преобразовал магнетизм в электричество, создав некое подобие динамо-машины, т. е. механическую противоположность мотора, который он изобрел за десять лет до этого. «Выходит, за всем тем, что существует в мире, непременно скрывается нечто глубинное, потаенное», — как впоследствии выразится Эйнштейн. И задача ученого — извлечь это на поверхность.
Чем больше Фарадей размышлял, тем больше ему открывалось. Он заметил, что со временем медные электроды в его электрических батареях постепенно покрываются окисью цинка, а цинковые электроды — медью. Перетекание электричества между двумя полюсами батареи, вероятно, сопровождалось движением атомов. Это делало возможным не только новый многообещающий промышленный процесс — покрытие металлов медью или серебром, но и другие, гораздо более сложные технологии. Батарея оказывалась тем тиглем, в котором одна энергия, химическая, превращалась в другую, электрическую. Этот процесс действовал и в обратном направлении. Когда две положительно и отрицательно заряженные проволочки погружались в подсоленный раствор, то на одной из них накапливался водород, а на другой — кислород. Электричество порождало химические реакции, а химические реакции порождали электричество.
По всей Европе ученые сталкивались с этими загадками. Может быть, вода состоит из водорода и кислорода? Или, как предполагал один немецкий ученый, вода является первоосновой, и кислород возникает при взаимодействии с положительным электричеством, а водород — с отрицательным? Этот ученый даже пытался возродить теорию флогистона. Но именно Фарадею удалось покончить с сим заблуждением. В 30-е годы XIX столетия он раз за разом опытным путем показывал взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и химией. И вдруг за несколько лет до того, как в его жизнь настойчиво постучалась Ада Лавлейс, он охладел к своим занятиям.
Фардей долгое время жаловался на проблемы с памятью, а потом погрузился в мрачную депрессию, не мог концентрировать свое внимание, жаловался на частое головокружение. Не исключено, что причина была в его умственном переутомлении или медленном отравлении всеми химикатами, которые периодически попадали на его кожу. По совету врача он стал отказываться от выступлений и научных исследований. Почти все время он писал или проводил в размышлениях. Еще более он удалился от людей после разрыва с Церковью — вероятно, из-за каких-то споров сектантского характера. Именно в этот момент в его жизни появилась изысканная лесть из уст Ады Лавлейс, которая подействовала на него столь сильно, что он понял: для него есть только один выход — оборвать все отношения с ней. «Не повергайте меня в отчаяние своими приглашениями, — умолял он ее. — Я не смею и не могу явиться и, в то же время, у меня нет сил отказать вам».
Может, будет слишком большой натяжкой утверждать, что общение с «суженой науки» стало поворотной точкой в его судьбе, но тем не менее именно в это время к Фарадею вновь возвращаются силы. Он приходит в лабораторию, чтобы найти ответ на вопрос, который мучил его многие годы. Уже было совершенно ясно, что магнетизм и электричество тесно взаимосвязаны. Но нет ли такой же связи между электричеством и светом?
Будучи научным консультантом «Тринити-хаус», организации, учрежденной в 1514 году указом Генриха VIII, «дабы упорядочить проводку судов по водным потокам королевства», Фарадей был занят усовершенствованием масляной лампы Арганда, которая использовалась на маяках по всему побережью Англии и Уэльса. В конце августа 1845 года он зажег один из маяков в своей лаборатории и приготовился к эксперименту, ставшему самым красивым в его научной карьере.