Ампер. Классическая электродинамика

Введение

Джеймс Клерк Максвелл проницательно назвал Ампера Ньютоном электричества: если этот великий британец объединил земную и небесную физику, то Андре-Мари Ампер известен в истории физики тем, что сделал первый шаг к объединению электрических и магнитных сил и создал новую дисциплину — электродинамику. Оба ученых объясняли эти явления одинаково, хотя они казались никак не связанными друг с другом. Согласно Ньютону, земные движения, детально изученные Галилеем, равно как и движения небесных тел, изученные Кеплером, имели одно и то же происхождение — тяготение. Согласно Амперу, магнетизм происходил из электрических токов. Однако это не единственный вклад в науку выдающегося ученого, родившегося в Лионе.

Во всем мире Ампер не так известен широкой публике, как во Франции, где его именем названы улицы, колледжи, школы... Однако любой опрос наверняка показал бы, что даже в этой стране очень немногие физики, химики, инженеры и студенты технических вузов смогли бы сказать, чем на самом деле занимался Ампер. При этом возможно, ошиблись бы и они, упомянув закон Ампера, который, строго говоря, сформулировал не этот ученый. Мы привыкли использовать в речи такие слова, как ампер, амперметр, электрический ток, а кто-то — даже соленоиду и не осознаем, что все эти неологизмы ввел именно Ампер.

Этот ученый был современником Наполеона и жил в эпоху революционных потрясений и политических перемен. Он никогда не ходил в школу, его обучением занимался отец в соответствии с интересами и склонностями, которые проявлял сын. Счастливая жизнь Ампера рухнула в 18 лет, когда ему пришлось пережить первую трагедию: его отец во время Французской революции был гильотинирован. Жизнь обошлась с этим гениальным ученым довольно жестоко: он пережил смерть первой жены, развод со второй женой, а также многочисленные проблемы, вызванные поведением сына и дочери. Материальные трудности вынуждали Ампера занимать педагогические и административные должности, и связанные с ними хлопоты отрицательно сказывались на его и без того слабом здоровье.

Андре-Мари был способным ребенком, особенно ему нравилась математика. Он оттачивал свой ум чтением энциклопедий, которые пробудили в нем стремление классифицировать и систематизировать все известные ему знания, и это стремление с годами превратилось почти в наваждение. Ампер не был похож на холодного ученого, всецело посвятившего себя работе и безразличного к другим сторонам жизни. Напротив, исследователь был очень привязан к родным и любил поэзию. Он был продуктом самовоспитания и самообразования. И хотя самостоятельное обучение имеет немало бесспорных преимуществ, Ампер в ходе него так и не овладел методами систематической лабораторной работы, предполагающей сбор и структурирование данных и составление отчетов и докладов. Однако этот недостаток был с лихвой компенсирован невероятным математическим талантом, который Ампер искусно применял к самым разным областям знания.

Наибольшим вкладом Ампера в историю науки является созданная им теория электродинамики. Ее математическая формулировка чрезвычайно сложна для понимания широкой публики, но исходная гипотеза и выводы достаточно просты. Ампер был уже признанным математиком, когда узнал об опыте Эрстеда, доказавшем, что электрический ток воздействует на расстоянии на магнит, в частности на компас. Этот опыт положил начало изучению электромагнетизма, который в течение XIX века коренным образом изменил науку и саму научную парадигму: электричество и магнетизм перестали считаться изолированными силами и стали рассматриваться как разные стороны одних и тех же явлений. Этот важнейший период развития науки связан с именами самых разных ученых. Со многими из них — Био, Саваром, Фарадеем и другими — Ампер часто встречался, причем его сотрудничество с учеными не ограничивалось только областью электродинамики: интерес Ампера вызывали все выдающиеся современники — Коши, Френель, Дэви, Гей-Люссак, Пуансо, Лаплас, Лагранж и другие.

Красота гипотезы Ампера, объясняющей опыт Эрстеда, кроется в ее простоте: движущиеся электрические заряды ведут себя как магнит. В своей теории Ампер говорит о молекулярных токах, то есть о заряженных молекулах, которые перемещаются и оказывают магнитное воздействие. Развивая эту идею, он и создал электродинамику — дисциплину, изучающую поведение движущихся зарядов, в отличие от созданной Кулоном электростатики, которая изучает неподвижные заряды. В 1826 году Ампер опубликовал «Теорию электродинамических явлений, выведенную исключительно из опыта», которая включала в себя наиболее значимые эксперименты, поставленные исследователем на протяжении многих лет. Главной целью ученого было доказать научному сообществу, что все его выводы имеют под собой основания, что они все могут быть выведены из опыта, — отсюда и название труда. Его теория содержала математический закон, используемый для расчета силы притяжения или отталкивания между двумя проводниками, по которым проходит электрический ток. Это был важный пример применения дифференциального исчисления к электрическим явлениям, для чего Амперу потребовались его математические знания.

Однако вклад Ампера в математику совершенно неизвестен. К сожалению, ученый не вошел в историю этой дисциплины, хотя большинство занимаемых им должностей были связаны именно с математикой. Амперу было меньше 30 лет, когда он был назначен профессором физики в Бурк-ан-Брессе Энского департамента, хотя никогда не учился в школе. Именно работая там, он начал публиковать первые математические труды и завоевывать репутацию ученого. После Буркан-Бресса Ампер перебрался в Лион, затем — в Париж. В столице он обосновался окончательно и лишь ненадолго приезжал в родной Лион, чтобы навестить родных и друзей.

Ампер не вошел и в историю химии, что кажется несправедливым, поскольку именно он сформулировал закон, похожий на закон Авогадро: количество молекул, содержащихся в газе, пропорционально его объему. Ученый провел множество опытов и исследований, которые были отвергнуты химиками, поскольку они видели в нем блестящего математика, занимающегося не своим предметом. Также он интересовался такими совершенно не техническими дисциплинами, как зоология, оптика, ботаника и психология, причем не профессионально, а следуя зову своего пытливого ума. Ампер даже разработал сравнительную систему циркуляции крови у различных животных, пытаясь найти общую схему. В своей работе он всегда стремился к поиску образцов и классификации и был настолько озабочен этим, что последние годы жизни посвятил написанию книги по философии наук. Эта тема всегда интересовала Ампера, и он обратился к ней, будучи уже состоявшимся ученым. Работа состоит из двух частей, в которых классифицируются уже известные науки и дисциплины, введенные в научный обиход Ампером. Похоже, что позднее этот труд стал известен Эйнштейну. Стоит подчеркнуть сходство жизненного пути этих двух ученых. Ампер, в отличие от Эйнштейна, не работал в патентном бюро, но входил в Общество соревнования и сельского хозяйства Энского департамента, в Консультативное бюро искусств и ремесел и в Общество содействия национальной промышленности — все учреждения связаны с промышленным использованием различных изобретений. Ампер не стал инженером, но участвовал как любитель в оптимизации различных машин. Например, он предложил некоторые улучшения для ветряных мельниц, которыми владел друг его отца, и создал новый плуг.

Ученый умер, будучи практически неизвестным. Французскому обществу понадобились долгие годы для того, чтобы отдать дать признательности этому гению, человеку Возрождения, жившему в XIX веке. Лишь в 1974 году, в честь 200-летия со дня его рождения, Французская академия наук учредила Премию Ампера, которая вручается французским ученым за важные исследования в фундаментальных или прикладных областях математики и физики.

Сегодня мы почти везде используем электрический ток, и имя Ампера возвращается (или должно вернуться) в обиход. Когда мы ставим на зарядку мобильный телефон, то смотрим на маркировку зарядного устройства с указанием электрических параметров — например, 5 V и 1 А. Вторая величина читается как «1 ампер», и это скорость, с которой электрический ток доходит до телефона. Так давайте же, вопреки безразличию, выказанному в свое время обществом по поводу смерти ученого, вспоминать имя Ампера всякий раз, заряжая мобильные устройства.

1775 Андре-Мари Ампер родился в Лионе 20 января.

1793 Его отец Жан-Жак Ампер казнен на гильотине 24 ноября.

1799 Женится на Жюли Каррон. В следующем году рождается их первенец, Жан- Жак.

1802 Назначен профессором физики в Центральной школе Бурк-ан-Бресса. Публикует первую научную работу — «Рассуждения о математической теории игр».

1803 Назначен профессором в лицее Лиона. Умирает жена ученого.

1804 Назначен репетитором Политехнической школы в Париже.

1806 Получает должность в Консультативном бюро искусств и ремесел. Женится на Женни Пото.

1807 Назначен профессором Политехнической школы Парижа. У Ампера рождается дочь, Анн Жозефин Альбин.

1808 Назначен инспектором императорского университета. Разводится с женой.

1814 Представляет работу о рядах Тейлора и выдвигает гипотезу, сходную с гипотезой Авогадро.

1815 Становится членом Французской академии наук. Делает доклад о дифференциальных уравнениях в частных производных, а также о классификации элементов.

1820 Готовит второй доклад о дифференциальных уравнениях в частных производных, описывающий уравнение Монжа — Ампера. Узнает об опыте Эрстеда. В «Анналах химии и физики» публикует первые сообщения об электродинамике, а позже — другие сообщения об опытах по электродинамике.

1824 Публикует «Доклад об электродинамических явлениях», подводящий итог предыдущим исследованиям. Пишет автобиографию. Назначен профессором Коллеж де Франс.

1826 Представляет культовый труд по электродинамике — «Теорию электродинамических явленийу выведенную исключительно из опыта*.

1828 Отказывается от должности в Политехнической школе Парижа.

1834 Публикует первый том «Наброски по философии науки». Второй том будет опубликован посмертно сыном ученого.

1836 Умирает 10 июня в Марселе от воспаления легких.