Фарадей. Электромагнитная индукция

Хотя интеллектуальные достижения Фарадея признаны неоспоримыми, а без его наследия невозможно понять последующую научную революцию в физике, ученый никогда не забывал о своем простом происхождении.

Поэтому одной из его главных целей была популяризация науки, особенно среди детей.

Несмотря на приближавшийся закат карьеры Фарадея, первые лучи теоретических и практических следствий его открытий уже загорелись, и это предвещало великие научные открытия в физике, связанные с такими именами, как Эйнштейн, Гейзенберг и Шрёдингер.

Между тем Фарадей решил уйти просто и скромно, как истинный сандеманианец. Он даже умер, сидя в своем любимом кресле, и был погребен в простой могиле, без причудливых узоров и орнаментов на надгробии. Она выглядит так, как и должна выглядеть могила сына кузнеца — бедного, не получившего академического образования, по милости судьбы достигшего высоких должностей в самом главном научном учреждении Англии.

ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ

Фарадей становился все более уверенным в том, что все физические явления в мире связаны между собой. Эта мысль даже привела его к неудавшейся попытке в 1849 году установить связь между электромагнитными силами и ньютоновой гравитацией.

В конце концов он прекратил поиски в этой области, а эстафета оказалась в руках Эйнштейна, который обобщил результаты своих — также неудачных — поисков в так называемой единой теории поля. Фарадей и Эйнштейн умерли, будучи полностью убежденными в своей правоте. Фарадей в очерке *0 возможной связи между гравитацией и электричеством» писал:

В 1851 году ученый начал рассматривать физическое существование линий силы, догадки о которых он опубликовал впервые в 1831 году. Тогда в отчете он развивал свою концепцию на основе эксперимента, при котором железные опилки, рассыпанные на листе бумаги, расположенном на намагниченном бруске, начинали образовывать кривые, соединяющие полюса магнита.

Лекция «О связи золота (и других материалов) со светом», которую Фарадей прочитал в 1857 году, вдохновила ирландского физика Джона Тиндаля, который через два года после кончины Фарадея описал так называемый эффект Тиндаля, объясняющий голубой цвет неба.

Скоро после этой лекции Фарадей по причине преклонного возраста ушел с поста директора Королевского института, который занимал долгие 36 лет. Впервые в Англии человек, происходящий из низших слоев общества, занимал такой ответственный пост, до сих пор достававшийся людям с хорошим происхождением, для которых научный труд не был способом заработка.

В 1858 году королева Виктория предоставила Фарадею в пожизненное пользование дом, в котором 12 марта 1862 года он провел свое последнее исследование — ученый искал экспериментальные доказательства рефракции солнечного луча под воздействием магнитного поля. Инструменты, имевшиеся в ту эпоху, не были достаточно совершенными, поэтому попытки Фарадея не дали результатов, хотя они и заинтересовали нидерландского физика Питера Зеемана (1865–1943). В1896 году Зееман обнаружил явление, которое искал Фарадей. За это открытие в 1902 году он получил Нобелевскую премию по физике. Таким образом, эффект расщепления спектральных линий источника света под воздействием сильного магнитного поля на разные компоненты, каждый из которых поляризован, известен сегодня как эффект Зеемана. В конце XIX века было известно, что вибрация электронов создает электромагнитное излучение, такое как свет, а также что электроны каждого атома испускают волны строго определенной частоты. То есть каждый атом испускает уникальную цветовую комбинацию, спектральные или цветовые линии являются подписью атомов.

Королева Виктория была особенно щедра к Фарадею, хотя он никогда не пользовался этим обстоятельством. Для сандеманианцев с их религиозным кредо авторитет королевы не был так уж велик: например, в 1844 году Фарадей был исключен из состава старейшин сандеманианцев, так как отсутствовал на воскресной службе, и это несмотря на то что он предварительно принес извинения, поскольку должен был ужинать с Ее Величеством. Когда в 1850-х правительство Британии пожелало увидеть Фарадея в составе группы ученых, которые должны были разрабатывать токсичный газ для использования в качестве химического оружия в Крымской войне против России, Фарадей отказался, поскольку подобные исследования не согласовывались с его моральными убеждениями. Несмотря на отказ Фарадея от всех излишеств и скептицизм относительно ценности открытий, он получил не менее сотни наград и должностей от всех основных мировых держав.

Ученый работал в течение более чем 40 лет, оставил семь томов детальных лабораторных заметок, отказался от поста президента Королевского общества и даже отклонил предложение королевы посвятить его в рыцари. На самом деле для Фарадея не было большей награды, чем воплотить в жизнь свою мечту: стать натурфилософом и раскрыть тайны электричества. Именно за раскрытие одной из этих тайн, состоящей в том, что переменная магнитная сила создает электричество, он получил наибольшее признание. На первый взгляд простое открытие стало причиной появления генераторов и динамо-машин, способных изменить ход истории.

Но в 1867 году разум Фарадея начал погружаться во тьму, и 25 августа того же года он умер, сидя в любимом кресле. Ровно через шесть лет Джеймс Клерк Максвелл опубликовал полную теорию электромагнетизма, в которой предлагалось окончательное объяснение природы света. Книга была основана на теориях Фарадея о силовых линиях.

В одном из последних писем, отправленных швейцарскому коллеге Опосту де ля Риву, Фарадей писал о своем отношении к смерти:

Королева Виктория намеревалась организовать погребение Майкла Фарадея рядом с Исааком Ньютоном и другими великими деятелями в Вестминстерском аббатстве, но вновь дали о себе знать религиозные воззрения английского ученого, который оставил следующие распоряжения: «Скромные похороны, на которых должны присутствовать только мои родственники, самый простой надгробный памятник в самом обычном месте земли».

Рядом с могилой Исаака Ньютона в Вестминстерском аббатстве есть памятная табличка в честь Фарадея. Но его, как твердого в своей вере сандеманианца, похоронили согласно его пожеланию на сандеманианском участке кладбища Хайгейт в Лондоне.

ПРОСВЕТИТЕЛЬ

Одна из самых выдающихся граней таланта Фарадея выходит за пределы его научных исследований, хотя и дополняет их — мы говорим о работе просветителя. Фарадей не только был автором тысяч страниц с описанием опытов, которые может без труда прочесть любой неофит, так как в них нет математических уравнений и сложных объяснений, но также он прочел множество публичных лекций, чтобы приблизить людей к науке, и особенно много работал с детьми.

В 1825 году Фарадей начал читать Вечерние лекции по пятницам, в 1827-м — Рождественские лекции для юношества. Эти лекции имели большой успех и привлекли новых членов и подписчиков в Королевский институт, что помогло исправить пошатнувшееся финансовое положение этого учреждения. Слава Фарадея распространялась не только на научное сообщество, но и на простых любителей науки. Недаром даже такие крупные газеты, как «Таймс», часто печатали объявления о Вечерних лекциях по пятницам. Но самыми популярными были Рождественские лекции для юношества (Christmas Lectures), которые в середине XIX века собирали до 800 слушателей. Эти циклы лекций продолжались и после смерти Фарадея, и сегодня миллионы людей смотрят их по телевизору: ВВС транслирует их с 1966 года. Самый знаменитый цикл Рождественских лекций — без сомнения, «История свечи». Фарадей прочел ее в 1860 году, и это был последний из 17 циклов с 1827 года. «История свечи» была опубликована и переведена на многие языки. Причина необыкновенного успеха Фарадея в качестве лектора основывалась на том, что он не ограничивался сухим изложением научных знаний, а пытался сделать рассказ как можно более понятным для всех слушателей.

Фарадей был твердо убежден, что наука должна выйти на улицы, а не замыкаться в лабораториях и консервативных учреждениях, поэтому он прилагал усилия для того, чтобы его выступления были как можно более привлекательными, в стиле современного телешоу. Для него были важны и правильная вентиляция лекционного зала, и расположение входов и выходов. Ученый говорил:

Фарадей также настаивал, что лектор всегда должен составлять лекции письменно, но никогда не должен читать их, чтобы избежать монотонности. Он полагал, что в течение часа лекции можно изложить все свои идеи, и вспоминал некоторых излишне самоуверенных лекторов, которые теряли счет времени в длинных рассуждениях, выставляя напоказ свои огромные знания.

При всем этом Фарадей осознавал, что существует тонкая грань между слишком академичной лекцией и слишком научно-популярной, и требуется мастерство эквилибриста, чтобы не оказаться по ту или другую сторону этой грани: «Слишком научно-популярная лекция не может научить, но лекция, которая слишком многому учит, не может быть научно-популярной». Фарадею удалось достигнуть золотой середины и вернуть популярность Королевскому институту, который и сегодня развивается, сохраняя это направление: проводит занятия по математике и технологии, реализует проекты внеклассной деятельности, создает видеофильмы.

Среди европейских ученых, участвовавших в лекциях Королевского института в течение XIX века, можно назвать автора периодической системы элементов Дмитрия Менделеева (1834–1907), специалиста по органической химии Жана-Батиста Андре Дюма (1800–1884), личного друга Фарадея, автора книги «Историческое восхваление Майкла Фарадея» (Èloge historique de Michael Faraday, 1868) и знаменитого итальянского химика Станислао Канниццаро (1826–1910).

НАСЛЕДИЕ ФАРАДЕЯ

Глубокая духовность и способность к самообразованию подталкивали Фарадея к неутомимым поискам взаимосвязи между движением, магнетизмом и электричеством, как будто между частями Троицы — отдельными, но неразделимыми. Благодаря этой концепции природной симметрии Фарадей смог доказать, что возможно повернуть установленный порядок, пропустить электрический ток внутрь магнитного поля, чтобы создать движение, — так появился первый электрический двигатель, обеспечивающий сегодня движение как компьютерного диска, так и гигантского завода.

Вклад Фарадея стал решающим для развития физики, как было в случае с теорией электромагнитного поля, сформулированной Джеймсом Клерком Максвеллом, который понял, что открытые Фарадеем невидимые поля обладают сложной внутренней структурой, и ее можно разделить на два плана — электрический и магнетический. Для Максвелла каждая заряженная частица стала центром силового поля, распространявшегося наружу, как аура. Как правило, положительные и отрицательные заряды вокруг нас уравновешены, поэтому мы не замечаем никаких специфических эффектов. Максвелл достиг очень важных результатов, он смог подтвердить концепцию Фарадея, выкристаллизовавшуюся в лаборатории в подвале Королевского института.

О широте научных исследований Фарадея Уильямс сделал следующее резюме:

Фарадей разработал полную описательную теорию электричества, открыв электромагнитную индукцию, позволившую создать первый трансформатор и первую динамо-машину. Более современные изобретения, такие как телефон, предусматривают непосредственное применение электромагнитной индукции. Радиотелефония, в свою очередь, происходит от осмысления электромагнитной теории Максвелла. Исследование Фарадеем электролиза заложило основы, на которых позже было выстроено здание электрохимической промышленности. Открытие бензола стало истоком для становления промышленности по производству синтетических красителей.

Наконец, его изучение взаимодействия света и магнетизма легло в основу исследований, из которых позднее выросли квантовая механика и теория относительности Альберта Эйнштейна. Идеи, привнесенные в науку Майклом Фарадеем, словно гигантские щупальца, тянулись ко всему новому и загадочному. Ученый никогда не ограничивал себя каким-то одним вопросом и занимался всеми загадками, попадавшимися ему на пути, каждодневно доказывая этим свою веру в Бога. Множество тайн, осмысленных Фарадеем, можно было бы объединить в одну общую тайну. Он на два века обогнал современных физиков, ставящих цель объединить все силы Вселенной.

В 1750-х годах в Великобритании проживало только восемь миллионов жителей, между тем как более утонченная и развитая Франция обладала 25-миллионным населением. Несмотря на это именно Великобритания в конце XVIII века пережила неслыханный расцвет науки, технологии и изобретательства. С некоторыми оговорками, феноменальная экспансия Великобритании между 1750 и 1850 годами, ставшая результатом механизации и внедрения новых технологий, имеет несомненные параллели с современной Силиконовой долиной — калифорнийской городской территорией, отличающейся высокой концентрацией высокотехнологичных предприятий. В Великобритании тогдашние Стив Джобс, Сергей Брин и Роберт Нойс представлены инженерами, учеными викторианской эпохи, запечатленными на групповом портрете «Люди науки в 1807–8» (Men of Science Living in 1807–8) в год, когда парламент отменил работорговлю, как будто бы они все собрались одновременно в библиотеке Королевского института.

На этом потрете можно увидеть Томаса Телфорда (инженера-строителя каналов), Джеймса Уатта (паровая машина), Джозефа Брама (гидравлический пресс), Эдмунда Картрайта (механический ткацкий станок), Гемфри Дэви (шахтерская лампа), Эдварда Дженнера (вакцина против оспы). В ряду этих исторических личностей выделяется человек, который не был ученым, обладал скромными знаниями по математике, происходил из низшего социального слоя, а также был набожным и преданным членом небольшой религиозной секты. Его нет на групповом портрете, потому что тогда он был еще слишком молод и должен был зарабатывать на хлеб своей семье. Но даже если бы его пригласили присоединиться к позирующим, вероятно, он вежливо отклонил бы это предложение, потому что его скромность и простота не позволяли ему трактовать свои достижения как нечто большее, чем промысел Божий.

Искра Фарадея осветила темный мир, сделав ученого, вероятно, величайшим экспериментатором XIX века, не говоря о его неустанной работе по просвещению и популяризации науки среди бедного класса. Он очень рано осознал, что наука — не башня из слоновой кости и создают ее не отдельные личности, а сотрудничество и взаимопонимание. Необыкновенный и единственный Майкл Фарадей, бесспорно, стал ослепительной искрой во мраке.