Ампер. Классическая электродинамика

ГЛАВА 6 Ньютон электричества

Помимо работ в области электродинамики и многочисленных трудов по математике и химии, Ампер интересовался оптикой, а в конце жизни написал эссе по философии науки. Последние годы жизни измученный болезнями ученый провел рядом со своими детьми. Андре-Мари Ампер сыграл огромную роль в истории науки.

Максвелл в своем главном труде назвал его Ньютоном электричества.

В 1820 году, когда Ампер заинтересовался электродинамикой, его сын Жан-Жак познакомился со знаменитой мадам Рекамье. Жанна Франсуаза Жюли Аделаида Рекамье (1777-1849), хозяйка известного в Париже салона, была в два раза старше его, но это не помешало молодому человеку попасть под ее легендарное обаяние. Жан-Жака давно влекло к литературе, а новое окружение лишь укрепило его решение связать с этим искусством свою жизнь. Его отец, тоже страстный любитель поэзии и литературы, поддержал сына и помог ему опубликовать в сентябре 1823 года первую пьесу — «Роземунда». Вскоре мадам Рекамье решила уехать на год в Италию, и Жан-Жак сопровождал ее в путешествии от Рима до Неаполя. Когда он в декабре 1824 года вернулся во Францию, отец умолял его жениться на Клементине, дочери французского натуралиста Жоржа Кювье (1769-1832). Ситуация стала невыносимой для Жан-Жака, и в начале 1826 года он решил уехать в Германию. Молодой человек перестал писать пьесы в стихах и нашел свое призвание как историк литературы. Сегодня он считается одним из предшественников сравнительного литературоведения. В его подходе большую роль сыграли многочисленные путешествия. Жан-Жак так и не женился и продолжал встречаться с мадам Рекамье до самой ее смерти. В 1848 году он был избран в члены Академии наук, умер 27 марта 1864 года в По.

В последние десять лет жизни интерес Ампера к электродинамике потихоньку сошел на нет, и он сконцентрировал свои усилия на энциклопедической классификации академических дисциплин. Между тем новым источником его страданий стала дочь Альбин. В 1827 году она вышла замуж за Габриэля Рида, солдата наполеоновской армии, который имел склонность к алкоголю, играм и часто проявлял жестокость. Несмотря на возражения матери, Женни Пото, свадьба была сыграна в ноябре 1827 года. Союз быстро распался из-за вспышек гнева Рида, во время которых он в числе прочего приставлял оружие к виску или сердцу своей жены. Рид лечился от алкоголизма, но так и не смог справиться с этим пристрастием. В 1832 году Альбина, наконец, получила развод. Однако на этом история не закончилась. В том же году Рид уехал в Гваделупу к родным, но летом 1834 года объявил о своем возвращении. Ампер пережил несколько беспокойных месяцев. О конце истории мы узнаем из его письма к сыну. Вооруженный шпагой Рид явился к бывшему тестю и выгнал Ампера, одетого лишь в пижаму, на улицу. С помощью консьержа ученому удалось задержать обезумевшего Рида, который вместе с двумя братьями был сослан в Новый Орлеан. Последние месяцы жизни Ампер наконец смог прожить спокойно. После его смерти в 1836 году Рид вернулся из Соединенных Штатов, вновь сошелся с Альбин, и у них родилась дочь Мари. К несчастью, через десять месяцев она умерла, и род Андре-Мари Ампера прервался. По иронии судьбы, когда поведение Рида улучшилось, разума лишилась Альбина, она даже утверждала, что разговаривает с дьяволом. Умерла она в 1842 году, а в следующем году умер и ее супруг.

В это беспокойное время Ампер меньше занимался наукой, нежели в предыдущие годы. Однако страсть к исследованиям не оставляла его, и вместе со своим другом Огюстом Жаном Френелем ученый заинтересовался оптикой. Френель снимал квартиру у Ампера, в которой обитал несколько лет, пока не умер от туберкулеза в 39-летнем возрасте. Его исследования, основанные на работах Христиана Гюйгенса (1629-1695), подкреплялись открытиями английского врача Томаса Юнга (1773-1829), однако остались в Англии без внимания.

В XVIII веке в оптических исследованиях главенствовала корпускулярная теория Ньютона. Согласно этой теории свет состоял из крошечных частиц, которые распространялись по прямой линии. С помощью этой теории Ньютон и его сторонники смогли объяснить множество явлений, например отражение: свет отражается, поскольку составляющие его частицы отскакивают от отражающей поверхности. Эта теория существовала одновременно с волновой теорией Гюйгенса, согласно которой свет распространяется волнами, исходящими из его источника. Однако в подходе Гюйгенса было слабое место: для распространения волн требовался эфир — среда, которая заполняла все пространство и была при этом неосязаемой. Для объяснения оптических явлений выдвигались и другие теории, но в конце XVIII века главный спор шел между приверженцами корпускулярной и волновой теорий.

В 1803 году в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society of London были опубликованы результаты знаменитого опыта Юнга с щелями. Этот опыт вошел в список десяти лучших опытов в истории, поскольку доказал волновую природу света и ввел понятие интерференции. Юнг не отличался красноречием, но был невероятно образованным полиглотом (он участвовал в переводе надписей на Розеттском камне). Его опыт противоречил ньютоновской традиции, поэтому поначалу публикация осталась незамеченной. Во Франции ситуация складывалась не лучше: лапласовская школа объясняла все явления с помощью основных сил Ньютона. Среди приверженцев корпускулярной теории были такие ученые, как Жан Батист Био, вечный противник Ампера. Несмотря на давление сторонников корпускулярной теории, Френелю удалось внедрить в научное сообщество идею волновой интерференции. В 1818 году он получил награду Академии наук за работы по дифракции и в 1823 году стал академиком. Его работы получили признание в Англии, в 1827 году Лондонское Королевское общество наградило его медалью Румфорда «за развитие волновой теории в приложении к явлениям поляризации света и за ключевые открытия в оптической физике». Любопытно, что эта же награда была вручена в 1840 году Био и в 1850 году — Араго за их работы в области поляризации света.

В предыдущих главах мы писали о том, что Ампер до 1820 года интересовался математической физикой и химией, а потом обратился к электродинамике. Однако он также принял участие в спорах о природе света. Его исследования в области электродинамики соответствовали идеям Ньютона, однако, как это ни странно, в итоге ученый поддержал волновую теорию. Его позицию можно оправдать двумя факторами: дружбой с Френелем и соперничеством с Био. Особенно Ампера интересовала идея эфира — тонкой и эластичной среды, на которую опиралась вся волновая теория передачи волн. Какое-то время ученый полагал, что может использовать эту идею и при объяснении электродинамических явлений. Эта была первая попытка установить связь между оптикой и электричеством — еще один пример склонности Ампера к обобщению.

Френель учился в Политехнической школе, его дядя Леонор Мериме познакомил его с Араго и Ампером. Френель и Ампер имели одинаковую склонность к научным и духовным проблемам — именно так началась их дружба. В 1814 году Френель заинтересовался оптикой и поделился своими соображениями с Ампером, который в тот момент был увлечен химией и математикой. Между 1805 и 1815 годами Био и Лаплас возглавили мощную программу в области корпускулярной оптики, которая, кстати, была поддержана и Ампером. В 1814 году Френель представил исследование по оптике Лапласа, опубликованное позднее, в 1816 году. Речь шла о «Доказательстве теоремы, которая позволит вывести все законы преломления обыкновенного и чрезвычайного». Этот труд был посвящен двойному преломлению исландского шпата. Тогда Френель предпринял тщательное исследование дифракции, вследствие чего заинтересовался интерференцией. При поддержке Араго он в октябре 1815 года представил сообщение в Академию наук.

Портрет Мадам Рекамье в возрасте 23 лет, выполненный в 1800 году Жаком Луи Давидом.

Фотография Жан-Жака Ампера, сделанная Антуаном Самюэлем Адам- Соломоном (1818-1881).

Могила Андре- Мари Ампера и Жан-Жака Ампера на Монмартре.

Похвалы Араго не были поддержаны ни Лапласом, ни Био, и только в 1816 году Ампер оценил новаторские идеи Френеля и сравнил его вклад в науку со вкладом Ньютона:

«Строение господина Френеля, используя концентрические круги, вытекает из одного явления. Однако если эти круги сработают и в других случаях, он сможет свести все к одному простому закону. Таким образом, несмотря на то что я всегда признавал систему испускания (корпускулярную), выводы доклада мне кажутся правильными».

Френель назвал изменение позиции ученого «обращением Ампера в волновую оптику». Но в 1816 году ничто не могло склонить чашу весов в пользу Френеля и Араго или Лапласа и Био. Ампер работал вместе с Френелем до 1820 года, а потом обратился к электродинамике. Однако в 1828 году он опубликовал свою вторую работу по оптике под названием «Сообщение об искривлении световых волн в среде с иной эластичностью согласно трем главным направлениям, то есть тем, в которых сила, производимая эластичностью, распространяется в том же направлении, что и перемещение молекул этой среды». Работа была посвящена недавно умершему Френелю. Последующее развитие оптики было связано с этими двумя теориями, корпускулярной и волновой, которые в итоге объединились в корпускулярно-волновой дуализм.

Опыт Юнга с двойной щелью доказал волновую природу света. Ампер принял эту теорию благодаря Френелю. Юнг поставил барьер между экраном и источником света. В качестве барьера выступал картон, в котором были сделаны две прорези, очень тонкие и расположенные рядом друг с другом. Юнг доказал, что при прохождении света сквозь каждую из щелей (точки А и В) эти щели сами становились источниками света, как это уже доказал ранее Гюйгенс. На схеме внизу из каждой щели исходят концентрические круги, изображающие распространение волн, испускаемых из А и В. По мере объединения волн образуется схема интерференции. Интерференция является не чем иным, как суперпозицией волн (в этом случае двух), которая может вызывать две ситуации. В случае конструктивной интерференции (С, D, Е и F) интенсивность света достигает максимума. В случае деструктивной интерференции (пространство между точками С, D, Е и F) интенсивность света нулевая. В итоге на экране можно наблюдать чередование светлых и темных полос.

Сам Юнг советовал наблюдать проекцию на бумаге. Чтобы опыт получился, нужно учесть три фактора: ширину щели (меньше 1 миллиметра), расстояние между щелями (около 1 миллиметра), расстояние между барьером и экраном (около 1 метра). Ширина щелей должна быть меньше расстояния между ними, а расстояние до экрана должно быть значительно большим.

Схема интерференции, схожей с той, которую наблюдал Юнг. Явление можно наблюдать в точках С, D, Е, F.

Философские размышления занимали Ампера на протяжении всей его жизни. В Париже философия и психология заполнили пустоту, возникшую после смерти его жены. Окружение Ампера было, с одной стороны, философским, а с другой — математическим. Он искал ответы, которых наука не могла ему дать, поэтому углублялся в умозрительные философские построения. Наука в начале XIX века имела много общего с наукой XXI века, когда осторожность вынуждает проверять любую выдвигаемую гипотезу. Однако интеллект Ампера не позволял ему оставить место для сомнения: «Сомнение есть величайшее из зол, терзающих человека на земле!» — полагал он. Подобное суждение далеко от современных представлений: именно сомнение и изучение аномального стимулируют научный прогресс. Несмотря ни на что Ампер продолжал следовать в работе научному методу, не поддаваясь тяге к иррациональному. Он прекрасно объединял научный поиск и духовные искания.

Философские размышления Ампера рассыпаны по его многочисленным письмам и документам. Они нигде не собраны и не напечатаны целиком, поэтому их изучение затруднительно. Как уже говорилось, Ампер не был профессиональным философом, философия стала его увлечением, к которому, однако, у него был талант. Философские искания ученого делятся на два периода: с 1803 по 1819 год и с 1829 по 1836 год.

В первый период Ампер интересовался возможностью получения научного знания как о видимом, так и о невидимом мире. Его первое исследование состоялось под влиянием философии. Приехав в 1804 году в Париж, Ампер познакомился с философом Меном де Бираном, с которым у него установились глубокие интеллектуальные и личные отношения. Мы уже упоминали о Биране в связи с неудачным вторым браком Ампера. Этот философ ввел Ампера в круг Дестюта де Траси, в котором обсуждались механизмы познания. Биран не только направлял Ампера в философских исканиях, но и стал на многие годы его другом. Однако ученик, в свою очередь, также сильно повлиял на учителя. Мен де Биран даже опубликовал книгу о теории познания под названием «Разговоры с Ампером и Дежерандо».

Вторым философом, оказавшим влияние на Ампера, был Иммануил Кант (1724-1804). Ампер, даже не принимая всех построений философа, по достоинству оценил глубину кантовского понимания научной истины. Также Ампер интересовался эпистемологией и изучал различие между феноменом и ноуменом, введенное Кантом. Ноумен — это заимствованное из греческого понятие, которое означает «нечто мыслимое», или «то, что мы намереваемся сказать». Противоположность ноумена — знакомый нам феномен. Феномену мы придаем форму, он не совпадает с вещью в себе, а то, что вытекает из него, будет ноуменом. Сам факт, что наше познание основано на феноменах, не означает, что оно ошибочно или иллюзорно. Ампер познакомился с этим разграничением по французскому переводу «Диссертации 1770 года» Канта. Однако в переводе было много ошибок, и Ампер не смог правильно истолковать новые для него понятия. Переписка Ампера с Меном де Бираном показывает, что ученый много работал над собственным видением мира. Все эти письма относятся к первому периоду интереса Ампера к философии. Одновременно он преподавал логику в Нормальной школе (1817) и философию на филологическом факультете (1819). Открытие Эрстеда положило конец этому периоду.

В последние десять лет своей жизни Ампер работал над «Набросками по философии науки». Это его самое большое произведение, которое состоит из двух томов: первый был опубликован в 1834 году, второй — в 1843 году, уже после смерти Ампера. Этот труд является кульминацией его исследований природы человеческого познания. Его даже можно рассматривать как итог всей жизни Ампера, посвященной познанию. Оба тома изобилуют отсылками к различным дисциплинам, которыми интересовался ученый начиная с детства. Однако это произведение не имеет ничего общего с философией науки, развившейся в XX веке. Речь идет о попытке энциклопедической классификации. Ампер утверждал, что классификация не может быть произвольной, поскольку идеальная классификация, с выстроенными связями между частями, создает знание. Таким образом, его труд не посвящен описанию происхождения наук. В поиске того, что сам Ампер называл естественной классификацией, он много раз переписывал первую часть и усердно работал над второй.

В основе его классификации лежат две главные идеи: попытка объединить теории распространения света и тепла, а также интерес к спору о естественной истории французских натуралистов Жоржа Кювье и Этьена Жеффруа Сент-Илера (1772-1844).

Ампер не принимал участия в самом споре, однако рассматривал лучшие идеи каждого из оппонентов: у Кювье он взял схемы естественной классификации, а у Жоффруа — идею гомологии, то есть структурного сходства организмов, занимающих разные места в таксономической системе. Удивительно, что в 1824 году, когда Ампер был полностью погружен в электродинамику, он нашел время для написания доклада в защиту теории Жоффруа — «Философские размышления о слуховой и нервной системе членистых животных».

По аналогии с науками о жизни Ампер разделил знание на два царства: науки о материальной реальности, составляющей Вселенную, — космологические — и науки об идеях — ноологические. Каждое царство он разделил на два полцарства (для космологических наук — науки о предметах одушевленных и неодушевленных), каждое полцарство — еще на две ветви, каждую ветвь — на два отростка, каждый отросток — на две науки первого порядка, каждую науку первого порядка — на две науки второго порядка, каждую науку второго порядка — на четыре науки третьего порядка, которые определяются четырьмя возможными «точками зрения». Каждое пол царство насчитывает 64 науки, что в сумме дает 128 наук. В классификации первого царства есть много лакун, а неологизмы существенно затрудняют понимание. Это первое царство включает математические, физические, естественные и медицинские науки. Любопытно, что Ампер причислил к математическим наукам кинематику и динамику.

Неудивительно, что сначала Ампер обратился к физике. Между 1832 и 1835 годами он опубликовал доклады по обобщению теорий тепла и света. В 1832 году ученый выстроил предварительную классификацию 32 наук первого порядка. Обобщающая статья была опубликована в «Энциклопедическом журнале» и касалась литературы, наук и искусств. Спустя короткое время он добавил анализ четырех «точек зрения».

Термин «кибернетика» происходит от греческого Κυβερνήτης (kubernites) и означает «рулевой, управляющий судном». Андре-Мари Ампер использовал это слово во второй части своего эссе о классификации наук для обозначения наук об управлении, «искусстве управлять вообще», вслед за Платоном, который уже использовал это слово в«Республике». В1948 году Норберт Винер (1894-1964) решил использовать это слово в своей легендарной книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине». Сегодняшний смысл слова далек от того, который вкладывал в него Винер. Кибернетика — это «изучение аналогий между системами управления и связи живых существ и машин, в частности механизмов биологической регуляции, приложенных к технологии».

После публикации Винера термин использовался по-разному, в том числе говорилось о различиях между кибернетикой первого порядка и кибернетикой второго порядка.

Американский математик Норберт Винер.

В 1821 году Ампер несколько раз переболел бронхитом. Его здоровье начало ухудшаться, хотя это был самый плодотворный период его жизни. В течение следующих 15 лет изнурительный труд и непрекращающиеся исследования сильно ослабили его здоровье. Должность генерального инспектора предполагала множество разъездов, но по финансовым соображениям ученый не мог от нее отказаться. Чтобы сберечь силы, Ампер пожертвовал административной работой и окончательно оставил Политехническую школу. В это время, в 1824 году, он начал работать над автобиографией. Зимой 1829 года ученый перенес ларингит и воспаление легких и вынужден был поехать с сыном в деревню на юг Франции, чтобы подышать там более чистым воздухом. Вернувшись в Париж в 1830 году, он застал «Три славных дня» — 27, 28, 29 июля. Народ восстал против короля Карла X, в результате чего на трон взошел Луи-Филипп, герцог Орлеанский. После Июльской революции беспорядки прокатились по всей Европе.

Ампер так и не оправился от воспаления легких, а во время работы над эссе о классификации наук его здоровье значительно ухудшилось. В мае 1836 года ученый отправился в одну из инспекционных поездок. Остановился он в Лионе, и его друг Бредан, который видел, что Ампер плохо себя чувствует, убеждал его вернуться в Марсель, но ученый продолжил поездку. Доехав до места назначения, он написал 6 июня последнее письмо сыну. Через два дня тот ответил отцу, умоляя его «во имя неба [...] не покидать Марселя, пока не станет лучше». Однако было уже поздно, и Андре-Мари Ампер умер 10 июня 1835 года в доме директора марсельского колледжа Дешампа. Все произошло так стремительно, что близкие даже не успели попрощаться с ним. Похороны в Марселе были скромными, без проявлений публичного признания. В последние годы жизни Ампер общался с небольшой группой университетских ученых, современники ничего не знали о нем.

В 1869 году останки Ампера были перевезены на Монмартрское кладбище в Париже, и он был перезахоронен рядом с сыном. На могиле выгравирована надпись, в которой с ошибкой указана дата рождения ученого:

«Андре Мари Ампер

Родился в Лионе 21 июня [sic!] 1775 года. Умер в Марселе 10 июня 1836 года.

Член Академии наук.

Внес вклад в познания человека в математических, физических, метафизических и нравственных науках.

Создал теорию электродинамики. Написал «Наброски о философии науки». Истинный христианин,

Он любил человека. Был добр, прост и велик».