Глазами физика

Лучше всего это получается зимой, когда воздух особенно сухой. Наденьте полиэстеровую рубашку или свитер, встаньте перед зеркалом в темной комнате и начинайте их снимать. Думаю, вы прекрасно знаете, что услышите приблизительно такое же потрескивание, как когда вынимаете постиранное белье из сушилки (если, конечно, вы не пользуетесь этими неромантичными салфетками с антистатиком, предназначенными для избавления от ненужного электричества). Но, кроме того, вы еще и увидите свечение десятков крохотных искр. Я люблю так делать, потому что это напоминает мне, насколько близка физика к нашей повседневной жизни, если мы, конечно, знаем, где ее искать. И, как я всегда говорю своим студентам, эта маленькая демонстрация еще забавнее, если проводить ее вместе с подружкой или бойфрендом.

Вы наверняка знаете, что, пройдя по ковру в зимнее время года и взявшись за ручку двери (что, вы поморщились?), можно получить удар током; и вам известно, что это «работа» статического электричества. Вам, скорее всего, и самому не раз приходилось бить током при рукопожатии другого человека или чувствовать удар тока, принимая пальто от гардеробщика. Откровенно говоря, такое впечатление, что зимой статическое электричество буквально повсюду. Вы чувствуете, как волосы шевелятся сами по себе, когда вы причесываетесь, и встают дыбом, когда снимаете шапку. Что же не так зимой, и почему в это время года так много искр вокруг?

Ответ на эти вопросы начали искать еще древние греки; они же первыми назвали и сделали письменную запись о явлении, которое сегодня всем известно как электричество. Более двух тысяч лет назад греки знали, что если потереть янтарь – окаменелую смолу, из которой и они, и египтяне делали ювелирные украшения, – тканью, он начинает притягивать кусочки сухих листьев. А если потереть хорошенько, может и хорошенько долбануть.

Я читал истории о том, что, когда древние греки скучали на вечеринках, женщины натирали ювелирные изделия из янтаря тканью своих одежд и прикасались украшением к лягушкам. Лягушки, ясное дело, прыгали, отчаянно стараясь удрать от сумасшедших гуляк, что, по всей видимости, здорово веселило праздных бездельников. Так вот, эти истории начисто лишены какого-либо смысла. Во-первых, вы можете себе представить вечеринку, на которой полно лягушек, только и ожидающих, чтобы их били током какие-то пьяницы? Во-вторых, по причинам, которые я скоро объясню, статическое электричество относительно слабо работает в течение нескольких месяцев в году, в которые как раз чаще всего встречаются лягушки, и когда воздух достаточно влажен – особенно в жаркой Греции. Но независимо от правдивости этой истории один факт абсолютно неоспорим: «янтарь» по-гречески звучит как электрон, так что именно греки дали имя электричеству, равно как и многому другому во Вселенной, как большому, так и малому.

Европейские физики XVI и XVII веков, когда физика еще именовалась натуральной философией, ничего не знали об атомах или их компонентах, но были потрясающими наблюдателями, экспериментаторами и изобретателями, а некоторые – еще и фантастическими теоретиками. Вспомните о Тихо Браге, Галилео Галилее, Иоганне Кеплере, Исааке Ньютоне, Рене Декарте, Блезе Паскале, Роберте Гуке, Роберте Бойле, Готфриде Лейбнице и Христиане Гюйгенсе. Все они делали открытия, писали книги, опровергали теории друг друга и переворачивали средневековую схоластику вверх ногами.

К 1730-м годам поистине научные исследования (в отличие от салонных фокусов) электричества активно велись в Англии, Франции и, конечно же, в Филадельфии. Экспериментаторы выяснили, что если потереть стеклянную палочку куском шелка, то получишь заряд определенного вида (назовем его А), а если точно так же потереть янтарь или резину, получишь другой заряд (назовем его пока что Б). Они знали, что эти заряды разные, потому что, когда они брали две стеклянные палочки, натертые шелком и, следовательно, заряженные зарядом А, и клали их рядом, они отталкивались друг от друга с абсолютно невидимой, но тем не менее вполне ощутимой силой. Объекты, оба заряженные зарядом Б, тоже отталкивались друг от друга. А вот по-разному заряженные объекты, скажем стеклянная (A) и резиновая (Б) палочки, не отталкивались, а напротив, притягивались друг к другу.

То, что предметы заряжаются посредством трения, – чрезвычайно любопытное явление; у него даже название какое-то волшебное: «трибоэлектрический» эффект, от греческого слова, которое переводится как «трение». Такое впечатление, будто трение между двумя объектами создает заряд, однако это не так. Оказывается, некоторые материалы жадно притягивают заряд Б, в то время как другие материалы только и ждут, чтобы от него избавиться и тем самым получить заряд А. Трение работает, потому что увеличивает число точек контакта между веществами, облегчая передачу заряда. На сегодняшний день составлен ранжированный перечень множества материалов, образующих так называемый трибоэлектрический ряд (вы можете без труда найти его в интернете), и чем дальше расположены два материала на этой шкале, тем легче они заряжают друг друга.

Возьмем, например, пластик или твердую резину, из которых обычно делают расчески. Эти материалы отстоят в трибоэлектрическом ряду довольно далеко от человеческого волоса, чем и объясняется то, что ваши волосы при расчесывании в зимнее время года часто электризуются и искрят – мои, кстати, делают это постоянно. И подумайте вот о чем: они не только искрят, ведь, энергично расчесываясь, я заряжаю и гребень, и волосы, но так как все волосинки заряжаются одним и тем же зарядом, неважно, каким именно, каждая заряженная волосинка отталкивает остальные одинаково заряженные волосы и я еще больше начинаю напоминать безумного ученого. А когда вы третесь обувью о ковровое покрытие, то заряжаете себя зарядом А или Б, в зависимости от материала ваших подошв и ковра. И когда после этого вашу руку бьет током дверная ручка, ваша рука либо получает от нее заряд, либо передает ей свой заряд. Для вас это, впрочем, не имеет никакого значения; в любом случае неприятный удар током чувствуете вы, а не дверная ручка!

Идею о том, что все вещества пронизаны «электрической жидкостью», или «электрическим огнем», выдвинул Бенджамин Франклин – дипломат, государственный деятель, редактор, политический философ, изобретатель бифокальных очков, ласт, одометра и чугунной печки. Эта теория казалась очень убедительной, потому что она отлично объясняла результаты экспериментов коллег-естествоиспытателей. Англичанин Стивен Грей, например, продемонстрировал, что в металлической проволоке электричество проводится на большие расстояния, поэтому в идее обычно невидимой жидкости или огня (в конце концов, искры действительно напоминают огонь) имелся здравый смысл.

Франклин утверждал, что если вы получаете слишком много огня, то заряд будет положительным, а если мало, то отрицательным. Он также предложил использовать для зарядов такие условные обозначения, как плюс и минус, и определил, что, потерев стекло куском шерсти или шелка (заряд A), вы передаете ему избыток огня и, стало быть, такой заряд следует называть положительным.

Франклин не знал истинных причин возникновения электричества, но его идея электрической жидкости была блестящей и очень полезной, хотя и не во всем правильной. Ученый утверждал, что если перенести жидкость из одного вещества в другое, то вещество с избытком жидкости становится положительно заряженным, а то, из которого жидкость изъяли, отрицательно заряженным. Франклин открыл закон сохранения электрического заряда, который гласит, что на самом деле невозможно создать или избавиться от заряда. Создавая определенное количество положительного заряда, вы автоматически генерируете такое же количество отрицательного заряда. Электрический заряд – это игра с нулевым результатом; как говорят физики, заряд сохраняется.

Франклин понял – сегодня это известно всем, – что одноименные заряды (положительный и положительный, отрицательный и отрицательный) отталкиваются друг от друга, а разноименные (положительный и отрицательный) притягиваются. Его опыты показали, что чем больше «огня» в предметах и чем ближе они находятся друг к другу, тем мощнее действующие между ними силы, будь то притяжение или отталкивание. Он также определил, – подобно Грею и другим ученым, сделавшим это примерно в то же время, – что одни вещества проводят жидкость или огонь (теперь мы называем их проводниками), а другие нет, почему их и называют непроводниками, или изоляторами.

Франклину не удалось выяснить только одного – из чего же на самом деле состоит этот «огонь». И если это не огонь и не жидкость, то что тогда? И почему его, судя по всему, намного больше в зимнее время, по крайней мере там, где живу я, то есть на северо-востоке США, и где нас постоянно бьет током?

Прежде чем заглянуть внутрь атома, чтобы разобраться с природой электрического огня, нам нужно понять, что электричество пронизывает весь наш мир, причем гораздо сильнее, чем представлял Франклин и чем считает большинство из нас. Оно не только скрепляет львиную долю того, с чем мы ежедневно сталкиваемся, именно благодаря ему возможно все, что мы видим, знаем и делаем. Мы способны думать, чувствовать, размышлять и удивляться лишь потому, что электрические заряды ежесекундно перетекают между несчетными миллионами из примерно 100 миллиардов клеток в нашем мозгу. А дышать мы можем только потому, что электрические импульсы, генерируемые нейронами, заставляют разные мышцы нашей груди сокращаться и расслабляться в сложной симфонии движений. Например – опишу как можно проще, – по мере того как ваша диафрагма сжимается и опускается к грудной клетке, она увеличивает ее объем, втягивая воздух в легкие. А когда она расслабляется и расширяется, она выталкивает воздух из легких. Ни одно из этих движений не было бы возможно без бесчисленных крошечных электрических импульсов, постоянно рассылающих сообщения по всему телу, в данном случае приказывая мышцам сокращаться и прекращать это делать, когда эстафету принимают другие мышцы. Туда-сюда, туда-сюда – и так всю нашу жизнь.

А наши глаза видят только потому, что крошечные клетки-рецепторы сетчатки, палочки и колбочки, воспринимающие соответственно черно-белые и цветные образы, стимулируются падающими на них фотонами и «выстреливают» электрические сигналы через зрительные нервы в наш мозг. А мозг уже определяет, на что это мы смотрим: на подставку для фруктов или на небоскреб. Большинство наших автомобилей работают на бензине (хотя гибриды все больше используют электроэнергию), но мы не смогли бы использовать бензин ни в каком двигателе, если бы не электричество, поступающее через систему зажигания от аккумуляторной батареи в цилиндры, где электрические искры создают контролируемые взрывы, по много тысяч в минуту. Поскольку молекулы образуются благодаря электрическим силам, связывающим атомы, химические реакции – такие как сгорание бензина – без электричества были бы просто невозможны.

Благодаря электричеству лошади бегут, собаки сопят, а кошки потягиваются. Благодаря электричеству пленка для заворачивания продуктов мнется, липкий упаковочный скотч липнет сам к себе, а целлофановая упаковка не слетает с коробки конфет. Этот список, конечно же, далеко не исчерпывающий; на самом деле все, что мы только можем себе представить, существует благодаря электричеству. Как я уже сказал: без него мы не могли бы даже думать.

Это относится даже к вещам, по размерам меньше микроскопических клеток нашего организма. Любая материя на Земле состоит из атомов, и чтобы действительно разобраться, что такое электричество, мы должны заглянуть внутрь атома и кратко обсудить его части (пока что не все, потому что объяснение постепенно становится невероятно сложным, так что ограничимся лишь теми частями, которые нас интересуют на данном этапе).

Сами по себе атомы настолько малы, что увидеть их можно только с помощью самой мощной и сложной аппаратуры – сканирующих туннельных, атомно-силовых и просвечивающих электронных микроскопов. (Потрясающие изображения, полученные с помощью этих инструментов, можно найти в интернете по адресу: www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html.)

Если бы я взял 6,5 миллиарда атомов и выстроил их в ряд, один к одному, у меня получилась бы линия длиной около 60 сантиметров. Ядро же атома меньше самого атома почти в десять тысяч раз и состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов. Последние, как понятно из их названия, электрически нейтральны; они вообще не имеют заряда. Протоны (от греческого слова «протос», то есть «первый») имеют примерно такую же массу, как нейтроны, – непостижимо малюсенькие, примерно две миллиардные от одной миллиардной одной миллиардной (2 × 10^–27) килограмма. Поэтому независимо от того, сколько протонов и нейтронов в ядре – а в некоторых ядрах их более двухсот, – оно остается очень легким. И крошечным – около триллионной доли сантиметра в диаметре.

Однако для понимания природы электричества важнее всего тот факт, что протон заряжен положительно. Реальной, внутренней, причины для того, чтобы называть этот заряд положительным, нет, но со времен Франклина физики называют заряд, оставшийся на стеклянной палочке, натертой шелком, положительным, так что и протоны считаются положительно заряженными частицами.

Но, оказывается, еще важнее оставшаяся часть атома, состоящая из электронов – отрицательно заряженных частиц, которые облаком роятся вокруг ядра на некотором расстоянии, соответствующем субатомным стандартам. Если вы возьмете в руку мяч, представив себе, что это атомное ядро, то облако электронов будет находиться от него примерно в восьмистах метрах. Следовательно, очевидно, что большая часть атома представляет собой пустое пространство.

Отрицательный заряд электрона равен по величине положительному заряду протона. В результате атомы и молекулы, состоящие из одинакового количества протонов и электронов, электрически нейтральны. Когда же они не нейтральны, то есть в них наблюдается избыток либо дефицит электронов, мы называем их ионами. Плазма, как мы обсуждали в главе 6, представляет собой газы, частично либо полностью ионизированные. Большинство атомов и молекул, с которыми мы имеем дело на Земле, электрически нейтральны. В чистой воде при комнатной температуре ионизирована всего одна из 10 миллионов молекул.

В соответствии с условными обозначениями, предложенными Франклином, если у какого-то объекта переизбыток электронов, мы говорим, что он заряжен отрицательно, а если дефицит электронов – что он заряжен положительно. Когда вы трете стекло куском шелка, вы «стираете» (что-то вроде того) многие электроны и в конце концов стекло заряжается положительно. Если потереть тем же шелком янтарь или кусок твердой резины, они собирают электроны и в итоге получается отрицательный заряд.

В большинстве металлов весьма солидное количество электронов вообще «сбегают» от своих атомов и относительно свободно болтаются между ними. Эти электроны особенно восприимчивы к внешним зарядам, либо положительным, либо отрицательным, и при приложении к ним такого заряда охотно движутся в его сторону либо от него, создавая в результате электрический ток. Я мог бы рассказать о токе много интересного, но на данный момент просто отмечу, что мы называем такие материалы проводниками, потому что они легко проводят (обеспечивают их движение) заряженные частицы, то есть в данном случае электроны. (Ионы тоже могут создавать электрический ток, но не в твердых материалах и, следовательно, не в металлах.)

Мне ужасно нравится идея бойких электронов, всегда готовых играть, двигаться и реагировать на положительные или отрицательные заряды. В непроводниках очень мало подобных действий; в них все электроны надежно прикреплены к конкретным атомам. Впрочем, это вовсе не значит, что с непроводниками нельзя хорошенько повеселиться, в частности, со всем известным, банальным резиновым непроводящим электричество воздушным шариком.

Вы можете сами провести эксперимент, о котором я здесь рассказываю, если приобретете маленькую упаковку обычных резиновых шариков (чем тоньше, тем лучше; лучше всего те, из которых скручивают фигурки животных). Поскольку у большинства из вас вряд ли есть в доме стеклянные палочки, я надеялся, что сгодится стакан, винная бутылка или даже лампочка, но, несмотря на все мои усилия, оказалось, что они не «работают». Так что рекомендую взять большую расческу из пластика или твердой резины. Хорошо бы также найти кусок шелка, скажем старый галстук, шарф или гавайскую рубашку, которую ваша жена или подруга давно и тщетно старается заставить вас выбросить на помойку. А если вы не возражаете против спутавшихся волос – в конце концов, наука требует жертв, – можете использовать собственные волосы. А еще вам потребуется нарвать бумаги, скажем, разорвать писчий лист на несколько десятков кусочков. Число, в сущности, не имеет значения, но кусочки должны быть размером с монетку.

Напомню, что, как и любые эксперименты со статическим электричеством, этот лучше всего проводить зимой (или в полдень в пустыне), когда воздух сухой, а не влажный. Почему? Потому что воздух не проводник; на самом деле это довольно хороший изоляционный материал. Но если в воздухе много влаги, заряд по ряду сложных причин, которые мы не будем сейчас обсуждать, может ослабнуть. Влажный воздух не позволяет заряду накапливаться на палочке, ткани, воздушном шаре или ваших волосах. Вот почему вы подвергаетесь угрозе получить удар током от дверной ручки, только когда воздух очень сухой.

Невидимая индукция

Соберите все перечисленные выше материалы и приготовьтесь созерцать некоторые из чудес электричества. Во-первых, зарядите расческу, сильно потерев ею о волосы, предварительно убедившись, что они очень сухие, либо же натрите ее куском шелка. Нам известно, что благодаря трибоэлектрическому ряду расческа наберет отрицательный заряд. Теперь остановитесь на минуту и подумайте, что произойдет, если поднести расческу к кучке бумажных обрывков, и почему. Я бы понял, если бы вы, подумав, сказали: «Совершено ничего».

Поднимите расческу на несколько сантиметров над бумажной кучкой и, медленно опуская, внимательно наблюдайте за происходящим. Удивительно, не правда ли? Попробуйте еще раз, это не случайность. Некоторые из клочков бумаги будут прыгать вверх до самой расчески, другие «приклеиваются» к ней и, немного продержавшись, падают обратно вниз, а третьи так и остаются прилипшими. По сути, немного поиграв с расческой и бумажками, вы можете добиться того, что обрывки будут стоять на ребре, а то и танцевать на поверхности расчески. Что же это такое? Почему одни бумажки прилипают, а другие подпрыгивают, дотрагиваются до расчески и тут же падают обратно вниз?

Это отличные вопросы с отличными ответами. Вот с чем мы имеем дело. Отрицательный заряд на расческе отпугивает электроны в атомах бумаги, так что, даже будучи несвободными, они немного больше времени проводят на дальней стороне своих атомов. В этом случае стороны атомов, которые находятся ближе всего к расческе, становятся совсем чуть-чуть более положительно заряженными, чем раньше. Таким образом, склоняющаяся к положительному заряду кромка или сторона бумага притягивается к отрицательному заряду на расческе, и очень легкие бумажки подпрыгивают к ней. Но почему их сила притяжения доминирует над силой отталкивания, существующей между отрицательным зарядом расчески и электронами в бумажках? Потому что сила электрического отталкивания – и притяжения – пропорциональна силе зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это всем известный закон Кулона, названный в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона, сделавшего это важное открытие. Вы наверняка заметили удивительное сходство данного закона с законом всемирного тяготения Ньютона. Обратите также внимание, что мы называем основную единицу измерения электрического заряда кулоном: положительно заряженная единица – это плюс 1 кулон (около 6 × 10¹⁸ протонов), а отрицательно заряженная соответственно – минус 1 кулон (около 6 × 10¹⁸ электронов).

Закон Кулона, по сути, гласит, что даже очень небольшая разница в расстоянии между положительными и отрицательными зарядами может оказывать мощный эффект. Или, иначе говоря, сила притяжения зарядов, расположенных ближе друг к другу, пересиливает силу отталкивания зарядов, более удаленных один от другого.

Мы называем этот процесс индукцией, так что, приближая заряженный предмет к нейтральному, мы индуцируем заряд на ближней и дальней сторонах последнего, создавая своего рода поляризацию зарядов, в нашем случае в обрывках бумаги. При желании вы можете увидеть несколько версий этого эксперимента в моей лекции для детей и их родителей под названием «Чудеса электричества и магнетизм» по адресу https://www.youtube.com/watch?v=ZspLqdihftY.

Что касается вопроса, почему одни клочки бумаги сразу падают вниз, а другие остаются прилипшими к расческе, то он тоже довольно интересен. Когда кусочек бумаги прикасается к расческе, некоторые из избыточных электронов в ней перемещаются в бумагу. Когда это происходит, между расческой и бумагой по-прежнему может действовать электрическая сила притяжения, но она уже не будет достаточно большой, чтобы противостоять силе тяжести, и, следовательно, обрывок падает вниз. Если же перенос заряда высок, электрическая сила может даже стать отталкивающей и тогда и она, и сила тяжести ускорят падение бумажки.

Надуйте воздушный шарик и завяжите его, чтобы он не сдувался. Найдите в доме место, где его можно свободно подвесить. Например, к висячей лампе или просто привяжите к нитке какой-нибудь грузик, и пусть шарик свисает с кухонного стола на расстоянии сантиметров двадцати от ножки. Опять зарядите расческу, энергично потерев куском шелка или о волосы – помните, что чем сильнее вы трете, тем сильнее будет заряд. Теперь очень медленно поднесите расческу к воздушному шару. Как думаете, что произойдет?

Тоже довольно странно, не так ли? Шар двигается в направлении расчески. Так же как в случае с бумагой, расческа приводит к своего рода разделению заряда на воздушном шаре (индукции!). Так что будет, когда вы отодвинете расческу от шара, – и почему? На интуитивном уровне вы наверняка знали, что воздушный шар вернется в вертикальное положение. Но теперь вы понимаете, почему, верно? Когда внешнее воздействие исчезает, у электронов больше нет причины оставаться на дальней стороне своих атомов. Видите, какой важный вывод можно сделать, всего лишь немного потерев расческу о волосы и поиграв с маленькими обрывками бумаги и воздушным шариком!

Давайте надуем еще несколько шаров. Что происходит, если энергично потереть одним из них о волосы? Правильно: ваши волосы ведут себя довольно странно. Почему? Потому что в трибоэлектрическом ряду человеческие волосы стоят на положительном конце, а резиновый воздушный шар – на отрицательном. Иными словами, резина забирает у волос много электронов, и в результате они становятся положительно заряженными. А поскольку положительные заряды отталкиваются, чего еще ждать от волос, если каждая волосинка имеет положительный заряд и стремится уйти подальше от своих тоже положительно заряженных сородичей? Они отталкивают друг друга и в результате встают дыбом. Именно это случается, когда вы зимой стягиваете с головы вязаную шапку. В результате трения о волосы шапка забирает у них много электронов, волосы заряжаются положительно и прилипают к ней.

Но вернемся к воздушным шарикам. Итак, вы энергично потерли один из них о волосы (если наденете полиэстеровую рубашку, эксперимент получится еще эффектнее). Думаю, вы уже поняли, что я собираюсь предложить, не так ли? Теперь поднесите шар к стене или рубашке своего друга. Он прилипнет. Почему? Все потому же. Когда вы трете воздушный шар, вы его заряжаете. Когда подносите шар к стене, являющейся не слишком хорошим проводником, электроны, вращающиеся вокруг атомов в ней, чувствуют отталкивающую силу отрицательного заряда шара и чуть-чуть дольше задерживаются на стороне атома, наиболее удаленной от шарика, и немного меньше – на стороне, ближайшей к шару. А это не что иное, как индукция!

Иными словами, поверхность стены именно там, где к ней прикасается шар, немного зарядится положительно, и отрицательно заряженный воздушный шар будет к ней притягиваться. Довольно удивительный результат. Но почему два заряда – положительный и отрицательный – только нейтрализуют друг друга, передавая заряды, в результате чего воздушный шар тут же падает вниз? Это очень хороший вопрос. Начнем с того, что резиновый воздушный шар подбирает некоторые дополнительные электроны. В непроводнике, в частности в резине, они перемещаются с трудом, из-за чего заряды имеют тенденцию оставаться на месте. Кроме того, вы же не трете шаром о стену, создавая новые и новые контакты. Он просто прислонен к ней, выполняя свою работу притяжения. Но он также удерживается там за счет трения. Помните аттракцион «Тарелка», который мы обсуждали в главе 3? Так вот, в данном случае электрическая сила играет роль центростремительной силы аттракциона. Воздушный шар может оставаться «прилипшим» к стене какое-то время, пока заряд постепенно не «вытечет» из него из-за влажности воздуха. (Если ваш шарик не прилип к стене вообще, значит, либо воздух слишком влажный, что улучшает его проводящие свойства, либо шар слишком тяжелый; именно поэтому я рекомендовал использовать самые тонкие шарики.)

Я прикрепляю воздушные шары к детям, которые приходят на мои публичные лекции, и делал это много лет на днях рождения малышей, так что вы тоже можете повеселиться, последовав моему примеру!

Индукция работает для всех видов объектов, как проводников, так и изоляторов. Вы можете провести эксперимент с расческой с одним из тех заполненных гелием воздушных шаров в алюминизированной майларовой оболочке, которые можно купить в магазинах или на всякого рода гуляньях. Когда вы поднесете расческу к шару, его свободные электроны начнут двигаться от отрицательно заряженной расчески, оставляя ближе к ней положительно заряженные ионы, которые и притянут к ней воздушный шар.

Хотя мы можем заряжать резиновые шары, потерев их о волосы или рубашку, в действительности резина – практически идеальный изоляционный материал, поэтому она и используется для изоляции электропроводки. Резина не дает заряду вытекать из проводов во влажный воздух или перепрыгивать на соседние объекты, создавая искры. В конце концов, вам же не хочется, чтобы искры скакали вокруг в легко воспламеняющейся среде, каковой являются стены вашего дома. Резина может защитить нас от электричества и, по сути, постоянно делает это. А вот чего она не может сделать, так это защитить нас от самой мощной из всех известных форм статического электричества – от молнии. По какой-то непонятной мне причине люди продолжают верить в миф о том, что резиновые тапочки или шины способны уберечь человека от молнии. Я не знаю, почему подобные идеи по-прежнему в ходу, но настоятельно рекомендую вам забыть о них, и немедленно! Разряд молнии настолько силен, что ему абсолютно наплевать на какую-то резину. Вы можете остаться невредимым, если молния ударит в ваш автомобиль – хотя на самом деле, скорее всего, все будет иначе, – но это не имеет никакого отношения к резиновым шинам. Я еще остановлюсь на этом чуть позже.

Электрические поля и искры

Я уже говорил, что молния – это не что иное, как просто очень большая искра, опасная и трудная для понимания, но все же искра. «Но тогда что же такое искра?» – спросите вы. Чтобы это понять, нужно сначала обсудить один очень важный момент, касающийся электрических зарядов. Все электрические заряды создают невидимые электрические поля, так же как все массы создают невидимые гравитационные поля. Вы можете ощутить действие электрических полей, когда подносите противоположно заряженные предметы близко друг к другу и видите, что они притягиваются. Или когда сближаете одинаково заряженные объекты и наблюдаете действие отталкивающей силы – вы видите влияние электрического поля между объектами.

Сила такого поля измеряется в вольтах на метр. Должен сказать, объяснить, что такое вольт, не так-то просто, не говоря уже о вольтах на метр, но я все же попробую. Электрическое напряжение объекта – это мера того, что называется его электрическим потенциалом. Считается, что Земля имеет нулевой электрический потенциал, то есть нулевое напряжение. Напряжение положительно заряженного объекта положительно; оно определяется как количество энергии, которое я должен произвести, чтобы перенести положительную единицу заряда (+1 кулон – то есть заряд примерно в 6 × 10¹⁸ протонов) от Земли или из любого проводящего объекта, связанного с Землей (например, с крана-смесителя в вашем доме), на этот объект. Почему я должен генерировать энергию, чтобы переместить эту единицу заряда? Что ж, напомню, что если объект положительно заряжен, он будет отталкивать положительную единицу заряда. Таким образом, я должен генерировать энергию (в физике говорят, что я должен выполнить работу), чтобы преодолеть эту отталкивающую силу. Единицей энергии является джоуль. Если мне надо генерировать энергию в 1 джоуль, значит, электрический потенциал этого объекта +1 вольт. Если я должен генерировать энергию в 1 тысячу джоулей, то электрический потенциал +1 тысяча вольт. (Определение 1 джоуля дается в главе 9.)

А что если объект заряжен отрицательно? Тогда его электрический потенциал тоже отрицателен и определяется как энергия, которую необходимо генерировать, чтобы переместить отрицательную единицу заряда (–1 кулон – около 6 × 10¹⁸ электронов) от Земли к этому объекту. Например, если это количество энергии равно 150 джоулей, то электрический потенциал объекта составит –150 вольт.

Следовательно, вольт – это единица электрического потенциала. Она названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который в 1800 году разработал первый источник тока, называемый нами сегодня аккумуляторной батареей. Обратите внимание, что вольт не является единицей энергии; это единица энергии на единицу заряда (соотношение джоуль/кулон).

Электрический ток перетекает от более высокого электрического потенциала к более низкому. Сила этого тока зависит от разности электрических потенциалов и сопротивления между двумя объектами. Изоляторы имеют очень высокое сопротивление, металлы, напротив, низкое. Чем выше разность потенциалов и чем ниже сопротивление, тем сильнее электрический ток. Разность потенциалов между двумя дырочками электрической розетки в США составляет 120 вольт (в Европе – 220 вольт). Единицу тока называют ампер – в честь французского математика и физика Андре-Мари Ампера. Если ток в проводе равен одному амперу, это означает, что через любое сечение этого провода за одну секунду проходит заряд в один кулон.

Но как насчет искры? Как все это помогает объяснить это явление? Если вы сильно потрете свою обувь о ковер, то можете создать разность электрических потенциалов, достигающую 30 тысяч вольт, между вами и Землей или между вами и ручкой на металлической двери, находящейся от вас на расстоянии 6 метров. 30 тысяч вольт на 6 метров – получается 5 тысяч вольт на метр. Когда вы начинаете приближаться к двери, разность потенциалов между вами и дверной ручкой не меняется, но расстояние уменьшается, следовательно, напряженность электрического поля будет возрастать. И в момент, когда вы вот-вот прикоснетесь к ручке, она уже составит 30 тысяч вольт на примерно один сантиметр. Или около 3 миллионов вольт на метр.

При таком сильном электрическом поле (и давлении в сухом воздухе, равном одной атмосфере) возникает то, что мы называем электрическим пробоем. Электроны спонтанно прыгают в этот сантиметровый зазор и при этом ионизируют воздух. Это, в свою очередь, создает большее количество электронов, совершающих такой прыжок, в результате чего их возникает целая лавина, которая и приводит к искре! Электрический ток выстреливает через воздух в ваш палец еще до того, как вы прикоснетесь к ручке. Держу пари, вы немного поморщились, вспомнив, когда вам в последний раз пришлось пережить этот маленький удар током. Боль, которую вы чувствуете из-за искры, объясняется тем, что электрический ток заставляет ваши нервы сжиматься – быстро и весьма неприятно.

А чем объясняется слабый треск, который вы при этом слышите? Тут все просто. Электрический ток сверхбыстро нагревает воздух, что приводит к созданию небольшой волны давления, звуковой волны, ее мы и слышим. Но искры также генерируют свет, который днем виден не всегда, но иногда все же заметен. Как получается свет, объяснить несколько сложнее. Он появляется, когда возникающие при разряде ионы воссоединяются с электронами в воздухе и выделяют часть доступной энергии в виде света. Даже если вы не видите света от искр (потому что не стоите в этот момент перед зеркалом в темной комнате), расчесывая волосы в очень сухую погоду, издаваемый ими треск зачастую отлично слышен.

Только подумайте: не особенно стараясь, просто причесываясь или снимая полиэстеровую рубашку, вы создали на кончиках волос и поверхности рубашки электрические поля почти в 3 миллиона вольт на один метр. Если вы тянетесь к ручке и чувствуете искру, скажем, на расстоянии 3 миллиметра, то разность потенциалов между вами и ручкой составляет порядка 10 тысяч вольт.

Хотя это звучит довольно неприятно и даже устрашающе, на самом деле львиная доля статического электричества вообще неопасна, в основном потому, что даже при очень высоком напряжении ток (число зарядов, проходящих через вас за определенный период времени) чрезвычайно мал. Если вы не против слабеньких ударов тока, можете поэкспериментировать с ними, одновременно повеселившись и проведя наглядную демонстрацию этого физического явления. Но никогда не засовывайте металлические предметы в электрические розетки. Это действительно опасно для жизни!

Лучше попробуйте зарядить себя, потерев кожу полиэстером (и не забудьте надеть обувь на резиновой подошве или вьетнамки, чтобы заряд не «вытекал» в пол). Теперь выключите свет и медленно подносите палец все ближе и ближе к металлической лампе или дверной ручке. Перед прикосновением к ним вы должны увидеть искры, которые проскакивают в воздухе между металлом и пальцем. Чем сильнее вы себя зарядите, тем большую разницу напряжений создадите между собой и ручкой, тем сильнее будет искра и тем громче треск.

Один из моих студентов постоянно заряжался, вовсе не желая того. Он рассказал, что у него есть полиэстеровый банный халат, который он носит только в зимнее время. Это оказался весьма неудачный выбор, потому что каждый раз, снимая халат, он заряжал себя электричеством, а затем, выключая ночник, получал удар током. А все дело в том, что человеческая кожа один из наиболее положительных материалов в трибоэлектрическом ряду, а полиэстер, напротив, один из самых отрицательных. Вот почему лучше всего надеть полиэстеровую рубашку, если вы хотите увидеть искры, раздеваясь перед зеркалом в темной комнате, но не стоит носить зимой халат из этого материала.

Для весьма наглядной (и очень смешной) демонстрации того, как люди заряжаются, я приглашаю студента, одетого в куртку из полиэстера, сесть на пластиковый стул в передней части аудитории (пластик, как вы помните, отличный изолятор). Затем, стоя на стеклянной пластине, чтобы изолировать себя от пола, я начинаю бить студента мягкой кошачьей шкуркой. «Избиение» продолжается примерно полминуты на фоне громкого смеха его сокурсников. По закону сохранения заряда мы с парнем становимся противоположно заряженными, и разность электрических потенциалов между нами нарастает. Затем я беру за один конец неоновую лампу-вспышку и показываю ее классу. Потом выключаю свет в аудитории и в полной темноте прикасаюсь к студенту другим концом лампы – и вспыхивает свет (при этом мы оба чувствуем небольшой удар током)! Разность потенциалов между студентом и мной должна быть не менее 30 тысяч вольт. Ток, протекающий через неоновую лампу-вспышку и через нас, разряжает нас обоих. Это одна из моих самых веселых и наглядных демонстраций.

Для более глубокого исследования тайн электрического потенциала я использую замечательное устройство, известное как генератор Ван де Граафа, которое, по сути, представляет собой простой металлический шар, установленный на цилиндрической ножке-опоре. На самом деле это поистине гениальное устройство для получения огромных электрических потенциалов. Тот, который я использую в аудитории, обычно выдает примерно 300 тысяч вольт, хотя способен и на гораздо большее. Посмотрите в интернете первые шесть моих лекций из курса «Электричество и магнетизм» (8.02), и увидите некоторые очень забавные демонстрации, где я использую генератор Ван де Граафа. Вы, например, увидите, как я создаю пробой электрического поля – огромные искры между большим куполом генератора и заземленным (то есть соединенным с Землей) шариком меньшего размера; оцените мощь невидимого электрического поля, зажигающего флуоресцентную лампу, а если повернуть ее перпендикулярно полю, она выключается. Вы даже увидите, как я в полной темноте (на секунду) прикасаюсь к одному концу лампы, замыкая схему на землю, и свет становится еще ярче. Я даже вскрикиваю, потому что удар на самом деле довольно ощутимый, хоть и ни в коей мере не опасный. А если хотите настоящего сюрприза (мои студенты воспринимают это именно так), посмотрите, что происходит в конце лекции 6, где я демонстрирую поистине шокирующий метод испытания болотного газа.

На наше счастье, само по себе высокое напряжение не может никого убить и даже ранить. Тут важен ток, проходящий через ваше тело. Ток – это размер заряда на единицу времени, измеряемый в амперах. Он действительно может нанести ущерб здоровью или убить, особенно если ток постоянный. Почему же он опасен? Объясню как можно доходчивее – потому что заряды, проходя через ваше тело, заставляют мышцы сокращаться. При очень низких уровнях электрический ток сокращает, или «активизирует», наши мышцы, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности человека. Но при высоких уровнях ток заставляет мышцы сокращаться так сильно, что они дергаются бесконтрольно и весьма болезненно. А при еще более высоких уровнях он попросту останавливает сердце человека.

Именно по этой причине одна из самых темных сторон истории электричества – его использование для пыток (потому что оно причиняет человеку невыносимую боль) и, конечно же, для смертельной казни на электрическом стуле. Если вы видели фильм «Миллионер из трущоб», то, возможно, помните ужасные сцены пыток в полицейском участке, когда звери-полицейские дотрагивались до тела молодого Джамала электродами и оно дико дергалось от боли.

Но на более низких уровнях ток, в сущности, может оказывать целительное действие. Если вы когда-либо проходили курс физиотерапии больной спины или, скажем, плеча, значит, имеете опыт того, что терапевты называют «электростимуляцией». Врач кладет проводящий коврик, подсоединенный к источнику электроэнергии, на больные мышцы и постепенно увеличивает ток. У пациента возникает довольно странное ощущение, будто мышцы сокращаются и расслабляются вообще без его участия.

Электричество используется в медицине и в более драматических ситуациях. Вы наверняка видели телесериалы, в которых специальные электрические штуки, известные как дефибрилляторы, применяются для восстановления сердцебиения пациента. В прошлом году, когда у меня остановилось сердце и мне делали кардиологическую операцию, хирурги использовали такие дефибрилляторы и сердце снова забилось! Получается, что, если бы не дефибрилляторы, эта книга никогда не увидела бы свет.

Специалисты расходятся во мнениях относительно точного количества смертельного тока, что вполне объяснимо: вряд ли кто-то проводил достаточно экспериментов с опасными уровнями электричества. И, кстати, немаловажно, через какую часть тела проходит ток – через одну из кистей рук или, например, через мозг или сердце. Кисть может просто обгореть. Но практически никто не станет спорить с тем, что ток более одной десятой ампера, воздействующий пусть даже меньше секунды на сердце, скорее всего, приведет к летальному исходу. В разных электрических стульях, например, использовались разные варианты – около 2 тысяч вольт и от 5 до 12 ампер.

Помните, как мама в детстве твердила, что нельзя засовывать вилку или нож в тостер, чтобы вытащить застрявший кусок тоста, потому что может ударить током? Это действительно так? Ну, я просто просмотрел технические характеристики бытовых приборов в своем доме: радио (0,5 ампера), тостера (7 ампер) и эспрессо-машины (7 ампер). Эти данные можно найти на этикетке большинства приборов. На некоторых сила тока не указана, но вы всегда можете вычислить ее, поделив потребляемую прибором мощность на напряжение, которое в США, как правило, составляет 120 вольт. Большинство автоматических выключателей в моем доме срабатывают при 15–20 амперах. Впрочем, на самом деле не очень важно, потребляют ли ваши 120-вольтовые приборы 1 или 10 ампер. Важно, что нужно всеми силами избегать случайного короткого замыкания и самое главное случайного прикосновения к металлическому объекту под напряжением 120 вольт; если вы сделаете это сразу после принятия душа, вас может убить. И о чем же говорит нам вся эта информация? Только об одном: когда мама наказывала вам не совать нож в тостер, включенный в сеть, она была совершенно права. Если вы хотите починить какой-нибудь бытовой электроприбор, прежде всего непременно убедитесь, что штепсель вынут из розетки. Ни на минуту не забывайте, что электрический ток может быть очень опасен.

Божественные искры

Конечно, один из самых опасных видов тока – молния, которая также относится и к числу самых замечательных электрических явлений, мощных, не вполне предсказуемых, не до конца понятных и таинственных – в общем, настоящий коктейль. В мифах разных народов – от древних греков до индейцев майя – разряды молнии описываются либо как символы божеств, либо как орудие их возмездия. И это неудивительно. В среднем на земле ежегодно проходит около 16 миллионов гроз (более 43 тысяч ежедневно и примерно 1800 ежечасно), которые ежесекундно производят около 100 вспышек молний, или более 8 миллионов молний в день. Это в масштабах всей планеты.

Молния – это следствие заряжения грозовых облаков. Обычно верхняя часть облака заряжается положительно, а нижняя – отрицательно. Почему именно так, ученые пока до конца не разобрались. Хотите верьте, хотите нет, но в физике атмосферы еще очень много вопросов, на которые предстоит ответить. А пока в целях простоты обсуждения давайте несколько упростим ситуацию, представив себе облако, отрицательно заряженное на той стороне, которая находится ближе к земле. Из-за индукции земля, ближе всего расположенная к облаку, заряжается положительно, и между нею и облаком возникнет электрическое поле.

С физической точки зрения разряд молнии довольно сложен, но, по существу, ее вспышка (электрический пробой) возникает, когда электрический потенциал между облаком и землей достигает десятков миллионов вольт. И хотя мы нередко думаем о разряде молнии как о «стрельбе» с облака в землю, на самом деле движение идет и с облака на землю, и с земли на облако. Сила электрического тока во время разряда молнии средней интенсивности составляет около 50 тысяч ампер (хотя может достигать и нескольких сотен тысяч ампер), а максимальная мощность достигает около триллиона (1012) ватт, но продолжается это всего несколько десятков микросекунд. Тем не менее полная энергия, выделяющаяся в момент удара молнии, редко превышает несколько сотен миллионов джоулей, что эквивалентно энергии, потребляемой за месяц стоваттной лампочкой. Так что идея сбора энергии молнии совершенно непрактична и нецелесообразна.

Большинству из нас известно, что определить, как далеко от нас ударила молния, можно по времени, которое проходит между моментами, когда мы видим разряд и слышим гром. Причина, которой это объясняется, позволяет нам также получить кое-какое представление о мощных силах, задействованных в данном процессе. И она, кстати, не имеет ничего общего с объяснением, однажды услышанным мной от своего студента: что молния создает нечто вроде области низкого давления, куда устремляется воздух и сталкивается там с воздухом, поступающим с другой стороны, в результате чего получается гром. На самом деле все происходит практически в точности до наоборот. Энергия разряда нагревает воздух примерно до 20 тысяч °С, то есть до температуры, более чем в три раза превышающей температуру поверхности Солнца. Затем этот суперразогретый воздух создает мощную волну давления, она сталкивается с холодным воздухом вокруг нее, создавая звуковые волны, которые распространяются в воздухе. Так как звуковые волны в воздухе перемещаются со скоростью около полутора километров за пять секунд, подсчитав секунды, вы можете довольно легко выяснить, насколько далеко от вас ударила молния.

Тем фактом, что молния столь сильно нагревает воздух, объясняется и другое явление, с которым вы, возможно, сталкивались во время грозы. Вы когда-нибудь замечали, насколько свежий, особый запах стоит в воздухе после грозы, словно буря очистила его? Конечно, в большом городе это трудно почувствовать, потому что там воздух практически всегда пропитан выхлопными газами от автомобилей. Но даже если вам посчастливилось услышать этот замечательный аромат, вы вполне можете не знать, что это запах озона, молекулы кислорода, состоящей из трех атомов кислорода. Как известно, нормальные молекулы кислорода – без какого-либо запаха – состоят из двух атомов кислорода, и мы записываем их как O₂. Но потрясающий жар от молнии разбивает эти молекулы – не все, но достаточное количество, чтобы оказать определенный эффект. Получившиеся в результате отдельные атомы кислорода сами по себе нестабильны, поэтому прикрепляются к нормальным молекулам О₂, создавая вещество О₃ – озон.

Однако следует отметить, что озон приятно пахнет только в небольших количествах; в высоких концентрациях его запах не столь привлекателен. Его можно почувствовать, например, под высоковольтными проводами. Если вы слышите жужжащий звук, исходящий от проводов, это обычно означает, что там происходит искрение, называемое коронным разрядом, в результате которого и создаются молекулы озона. Когда нет сильного ветра, как правило, можно почувствовать довольно неприятный запах.

А теперь вернемся к идее, что человека от последствий удара молнии могут спасти надетые на него кроссовки на резиновой подошве. Разряд молнии в 50–100 тысяч ампер, способный разогреть воздух до температуры, более чем в три раза превышающей температуру поверхности Солнца, почти наверняка сожжет вас дотла, заставит биться в конвульсиях от сильнейшего поражения электрическим током или попросту взорвет вас, мгновенно превратив всю воду в вашем теле в сверхгорячий пар. Совершенно независимо от того, во что вы обуты. Именно это происходит с деревом, в которое ударила молния, – сок в нем взрывается и срывает с него всю кору. Сто миллионов джоулей энергии – эквивалент почти тридцати килограммов динамита, – это вам не фунт изюма.

А как насчет того, безопасно ли находиться внутри автомобиля, защищающего вас от удара молнии благодаря резиновым шинам? Автомобиль действительно может защитить вас в этой ситуации (однако никаких гарантий!), но по совершенно иной причине. Дело в том, что электрический ток течет по поверхностным слоям проводника (это явление называется скин-эффектом), и, сидя в автомобиле, вы оказываетесь внутри металлической коробки, а металл, как мы уже знаем, хороший проводник. Вы даже можете прикоснуться к внутренней части панели воздуховода и не получить никакой травмы. Тем не менее я настоятельно призываю вас этого не делать, поскольку это крайне опасно, так как в большинстве современных автомобилей используются детали из стекловолокна, а в этом материале скин-эффект отсутствует. Иными словами, если молния ударяет в ваш автомобиль, вы – да и ваша машина – можете пережить не самые приятные секунды в жизни. Если интересно, посмотрите короткое видео, где показано, как молния поражает автомобиль на сайте www.weatherimagery.com/blog/rubber-tires-protect-lightning/. Думаю, вы сразу поймете, что с этим шутить не стоит!

На наше с вами счастье, с самолетами ситуация совершенно другая. Молния ударяет в них в среднем более одного раза в год, но благодаря все тому же скин-эффекту они благополучно переживают эти удары. Смотрите видео на сайте www.youtube.com/watch?v=036hpBvjoQwpobj.

Есть еще один знаменитый эксперимент, связанный с молниями, авторство которого приписывают Бенджамину Франклину, но я настоятельно не рекомендую вам его проводить. Речь идет о запуске во время грозы воздушного змея с привязанным к нему металлическим ключом. Предположительно Франклин так намеревался проверить гипотезу о том, что грозовые облака создают электрический огонь. Он рассуждал следующим образом: если молния действительно является источником электроэнергии, то как только бечевка змея намокнет от дождя, она станет хорошим проводником (хотя ученый не использовал этого слова) электричества и оно пройдет вниз, к ключу, привязанному к ее концу. Рассказывают также, что стоило Франклину поднести руку к ключу, как тут же появлялась яркая искра. Так вот, как и в случае с Ньютоном, который на закате своей жизни якобы утверждал, что на создание закона всемирного тяготения его вдохновило яблоко, упавшее на землю с дерева, никаких современных доказательств того, что Франклин когда-либо действительно проводил этот эксперимент, нет. Есть только отчет в письме, посланном им в Королевское научное общество в Англии, и еще один письменный документ, составленный пятнадцать лет спустя другом Франклина Джозефом Пристли (кстати, первооткрывателем кислорода).

Но проводил ли Франклин этот эксперимент или нет – что было бы фантастически опасно и с очень высокой вероятностью привело бы к гибели великого изобретателя, – описание другого эксперимента он опубликовал точно. В данном случае задача была – увести молнию в землю, для чего ученый установил на верхушке башни длинный железный стержень. Несколько лет спустя француз Томас-Франсуа Далибар, который встретился с Франклином и перевел его идеи на французский язык, провел этот эксперимент в несколько иной версии и стал свидетелем поистине невероятного явления. Далибар установил железный стержень длиной больше 10 метров и, направив его в небо, увидел у его не заземленного основания искры.

Впоследствии профессор Георг Вильгельм Рихман, выдающийся ученый, родившийся в Эстонии и живший в Санкт-Петербурге, член Санкт-Петербургской Академии наук, много лет изучавший электрические явления, очевидно, вдохновленный экспериментом Далибара, решил также попробовать его провести. Как рассказывает Майкл Брайан в интереснейшей книге Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment («Как обезвредить молнию: Бенджамин Франклин и электротехника в эпоху Просвещения»), Рихман приладил железный прут к крыше своего дома и медной цепью соединил его с прибором для измерения электричества в своей лаборатории, расположенной на первом этаже.

Как нарочно – а может, это был знак судьбы, – в августе 1753 года во время заседания Академии наук разразилась сильнейшая гроза. Рихман бросился домой, захватив с собой художника, который должен был иллюстрировать его новую книгу. Пока Рихман наблюдал за оборудованием, ударила молния, прошла вниз по стержню и цепи, выпрыгнула в полуметре от головы ученого, ударила его током и отбросила через всю комнату; художник тоже получил сильный удар током и потерял сознание. В интернете можно найти несколько иллюстраций этой ужасной сцены, хотя точно неизвестно, был ли их автором художник, принимавший в ней непосредственное участие.

Франклин изобрел подобную штуковину, но его детище было заземлено; сегодня оно известно под названием громоотвод. Устройство отлично заземляет удары молнии, однако не по той причине, которую предполагал Франклин. Он считал, что громоотвод будет вызывать между заряженным облаком и зданием непрерывный разряд, тем самым сохраняя разность потенциалов на низком уровне и, следовательно, снижая опасность удара молнии. Ученый был настолько уверен в своей правоте, что посоветовал королю Георгу II установить громоотводы на крыше королевского дворца и на складах с боеприпасами. Оппоненты Франклина утверждали, что громоотводы будут только притягивать молнии и что эффект разряда, снижая разность электрических потенциалов между зданием и грозовыми облаками, будет совсем незначительным. Но король, как гласит история, доверился Франклину и установил громоотводы.

Вскоре после этого молния ударила прямо в один из складов боеприпасов, но повреждения оказались минимальными. То есть стержень сработал, но по совершенно иным причинам. Критики Франклина были абсолютно правы: громоотводы действительно притягивают молнии и разрядка стержня действительно ничтожна по сравнению с огромным зарядом грозовой тучи. Но громоотвод все же дает желаемый эффект – потому что когда стержень достаточно толстый, чтобы справиться с 10–100 тысячами ампер, ток будет оставаться в стержне и заряд уйдет в землю. Получается, Франклин был не только блестящим ученым – ему еще и здорово везло!

Разве это не удивительно, что, поняв природу тихого потрескивания, раздающегося, когда мы снимаем полиэстеровый свитер зимой, мы можем также постичь суть жуткой грозы с молниями, освещающими ночное небо, и разобраться в происхождении одного из самых громких и устрашающих звуков в природе?

В некотором смысле мы все – современные версии Бенджамина Франклина, пытающиеся выяснить и постичь в этом грозном явлении то, что пока еще находится за пределами нашего понимания. В конце 1980-х годов ученые впервые сфотографировали разные формы молний, сверкающих высоко-высоко в облаках. Одна из разновидностей называется красными призраками и состоит из красновато-оранжевых электрических разрядов, происходящих в 50–90 километрах над землей. А есть еще синие струи – они гораздо больше, иногда длиной до 70 километров, и возникают в верхних слоях атмосферы. Но мы знаем о них всего лишь немногим более двадцати лет, и нам еще очень мало известно о причинах этого потрясающего природного явления. Даже несмотря на то, что люди изучили электричество уже весьма детально, грозы по-прежнему покрыты завесой тайны – а ведь они случаются на нашей планете около 45 тысяч раз в день.