Рассказы об электричестве

— Болонья, синьоры, Болонья!!! — Проводник изо всех сил стучит в стеклянную дверь купе. — О мамма мия! Сколько можно спать?! Ведь вы приехали в Болонью!.. Болонья, синьоры, Болонья!!!

Он явно преувеличивает, упрекая нас в сонливости. В итальянских поездах уснуть не так-то просто. Особенно в вагонах второго класса… Но нам действительно пора собираться. Под колесами множатся рельсы, а за окном бегут устрашающие в своей неэстетичности корпуса. Может быть, это заводы сельскохозяйственных машин или мотоциклов. А может быть, предприятия, на которых изготавливается электротехническое и автомобильное оборудование. Болонья, город в Северной Италии, расположенный на пересечении древних торговых путей с речкой Рено, правым притоком реки По. Прекрасное местоположение. До сей поры болонцы утверждают, что если бы правительство больше заботилось о процветании страны, то столицей Италии была бы, конечно, Болонья…

Сегодня Болонья — полумиллионный город. Важный экономический центр, узел железных дорог и муниципальных противоречий. Здесь после второй мировой войны преобладающим влиянием пользуются левые партии. Сегодня… Впрочем, стоп! Побывать в современной Болонье — дело, конечно, интересное, но наш путь в Болонью вчерашнюю и даже в позавчерашнюю — в 1780 год!..

Давайте оглядимся — 1780 год! Исчезли из поля зрения высотные дома, вокзалы и заводские корпуса. Очистился воздух от автомобильных выхлопов, от мотоциклетной трескотни. Кирпичная стена, окружающая город, с двенадцатью воротами-выходами приобрела монументальность.

Мы идем по узким и кривым улочкам вдоль бесчисленных и, увы, уже обветшавших палаццо XIII и XIV веков — времени расцвета города. Многочисленные портики и аркады, зубчатые стены и башенки, выкрашенные в серый и розоватый цвета, придают окружающему определенный колорит. Улицы ведут к центральной площади, но наша цель — знаменитый Болонский университет. За время своего существования, с XI века, он не раз менял свое местонахождение, так что лучше спросить, как пройти. Благо в студентах на улицах недостатка нет… Итак: «Где находится помещение медицинского факультета?» Как же это будет по-итальянски?..

Вот он! Давайте поднимемся на второй этаж, где в лаборатории практической анатомии синьор профессор Гальвани готовит материал к завтрашним занятиям.

О, да здесь не только препараторская! На столе, на котором Гальвани препарирует лягушек, стоит электрическая машина и ряд лейденских банок. Трещат искры. Диковатого вида студент крутит ручку, а под ножом препаратора в сумасшедшем танце дергаются отрезанные лапки болотных квакух… Но дадим слово самому синьору профессору. В первой части трактата о силах электричества при мышечном движении он пишет:

«Я разрезал и препарировал лягушку и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на столе, на котором находилась электрическая машина при полном разобщении от кондуктора последней и довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедерных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей стали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой помощник заметил, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра. Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями».

Обнаруженное явление было настолько впечатляющим, что Гальвани решил во что бы то ни стало исследовать его и «пролить свет на то, что было под этим скрыто». Он был убежден, что все дело здесь в электрических искрах. Но если слабая искра электрической машины заставляет лягушачью лапку дергаться, то что должно произойти во время грозы, при блеске молнии?..

Послушные ассистенты синьора профессора тут же отправились к соседнему пруду, откуда черпался материал для экспериментов. Правда, злые языки утверждали, что после демонстрации студентам мясистые лапки частенько шли в кастрюльку, обеспечивая не только духовную пищу достопочтенного синьора профессора и его болезненной супруги… Но чего не говорят люди…

Так или иначе, но к началу грозы на железной ограде балкона лаборатории висела впечатляющая гирлянда лягушачьих лапок, нанизанных на медные проволочки. Долгое, томительное ожидание. Наконец подул ветер. Забарабанил дождь, и блеснула первая молния. Отрезанные лапки исправно дергались, правда, не сильнее, чем в лаборатории, и вовсе не в такт с грозными разрядами небесного электричества. Тем не менее эксперимент удовлетворил Гальвани.

Лапка задергалась. Но ее сокращение никак не удавалось соотнести с «переменами в электрическом состоянии атмосферы». Гальвани перенес опыты в помещение. Он укладывал лягушачьи лапки на подставки из разных металлов. В одних случаях сокращения были сильнее, в других — слабее. Он пробовал экспериментировать с деревянной дощечкой в качестве подложки, со стеклом, смолой… Эффект не наблюдался.

Казалось бы, все подталкивало Гальвани к тому, чтобы изучить роль разнородных металлов в обнаруженном явлении. Но он по этому пути не пошел. Анатом и физиолог, он решил, что лягушачьи лапки сами являются не чем иным, как источником электричества, неким подобием лейденской банки, а металлы… Металлы в его понимании были просто проводниками открытого им нового «животного электричества». Гальвани записал: «Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного».

Опыты Гальвани повторяли буквально во всех странах. Лягушки гибли тысячами во славу новой науки. «В течение целых тысячелетий хладнокровное племя лягушек беззаботно совершало свой жизненный путь, как его наметила природа, зная только одного врага, господина аиста, да еще, пожалуй, терпя урон от гурманов, которые требовали для себя жертвы в виде пары лягушачьих лапок со всего несметного рода. Но в исходе позапрошлого столетия наступил злосчастный век для лягушек. Злой рок воцарился над ними, и вряд ли когда-либо лягушки от него освободятся. Затравлены, схвачены, замучены, скальпированы, убиты, обезглавлены — но и со смертью не пришел конец их бедствиям. Лягушка стала физическим прибором, отдала себя в распоряжение науки. Срежут ей голову, сдерут кожу, расправят мускулы и проткнут спину проволокой, а она все еще не смеет уйти к месту вечного упокоения; повинуясь приказаниям физиков или физиологов, нервы ее придут в раздражение и мускулы будут сокращаться, пока не высохнет последняя капля „живой воды“. И все это лежит на совести у Алоизо Луиджи Гальвани».

Со временем от лягушачьих лапок экспериментаторы перешли к конечностям кроликов и овец, пробовали действие электричества на ампутированной человеческой ноге. Английский врач из Глазго приложил электроды от батареи лейденских банок к трупу повешенного и воспроизвел у него дыхательное движение грудной клетки. А когда покойник под действием электрического разряда открыл глаза и лицо его стало подергиваться, многие из присутствующих лишились сознания от ужаса.

«Гальвани — воскреситель мертвых!» — кричали заголовки газет. Казалось, оставалось совсем немного до исполнения вековечной мечты человечества. Для этого надо было только тщательно изучить «животное электричество Гальвани», найти его источник в теле и научиться заряжать этот источник, когда он иссякает со смертью.

Сначала Гальвани вел только дневники своих опытов. Лишь через десять лет решился он объединить результаты исследований и выпустил «Комментарий о силах электричества в мускульном движении». Книга вызвала большой интерес среди физиков и врачей, наперебой повторявших описанные опыты. Уже давно было известно, что электрические разряды от машин и лейденских банок вызывают конвульсии у людей, подвергавшихся их ударам. И хотя природа таких явлений оставалась неисследованной, медики-практики широко пользовались «электрической жидкостью» для лечения своих пациентов от всевозможных болезней.

Гальвани сравнивал мышцу с лейденской банкой, предполагая, что ее внешняя и внутренняя части заряжаются противоположным электричеством. Именно потому, что нерв — кондуктор этой банки соединяли с поверхностью мышцы, соответствовавшей внешней обкладке, происходил разряд, результатом которого было сокращение мышцы, думал он.

«Волнение, вызванное появлением книги Гальвани среди физиков, физиологов и врачей, — писал историк науки Дюбуа-Реймонд, — можно сравнить лишь с бурей, появившейся в то же самое время на политическом горизонте Европы. Повсюду, где только имелись лягушки и где можно было раздобыть два куска разнородного металла, всякий хотел собственными глазами убедиться в чудесном воскрешении отрезанных членов».

И вдруг в самый разгар, можно сказать, триумфа гальванизма в итальянском «Физико-медицинском журнале» появляется статья профессора физики Павийского университета Алессандро Вольты, который утверждал, что для объяснения опытов Гальвани не нужно предполагать существование какого-то особенного «животного электричества». Дело совсем не в несчастной лягушке и не в отрезанной ноге. Просто Гальвани, сам того не подозревая, привел во взаимодействие два разных металла. Они и породили электрическую силу. А лягушка послужила только проводником. «Я давно убедился, — писал Вольта в письме к профессору Вассали, — что все действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или к самой воде. В силу такого соприкосновения электрический флюид гонится в это влажное тело или в воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра). При установлении непрерывного сообщения между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот. И вот, если в состав этого проводящего круга или в какую-нибудь его часть входят в качестве соединительного звена бедренные нервы лягушки, рассеченной таким образом, что только по одним этим нервам должен пройти весь или почти весь электрический ток, или, если таким звеном является какой-нибудь другой нерв, служивший для движения того или иного члена тела какого-либо другого животного, пока и поскольку такие нервы сохраняют остаток жизнеспособности, то тогда, управляемые такими нервами, мышцы и члены тела начинают сокращаться, как только замыкается цепь проводников и появляется электрический ток; и они сокращаются каждый раз, когда после некоторого перерыва эта цепь снова замыкается».

В этих строчках изложена фактическая идея самого Вольты о новом «металлическом электричестве» как источнике «постоянного кругооборота» электрического флюида, то есть электрического тока, и полностью отрицается гипотеза Гальвани о «животном электричестве».

Вольта был к этому времени довольно известен своими исследованиями газов, а также несколькими выдающимися экспериментальными работами по электричеству. Сначала он, как и все, был убежден в правильности взглядов Гальвани. Но постепенно пришел к выводу, что именно металлы «являются в настоящем смысле слова возбудителями электричества, между тем как нервы играют часто пассивную роль». В это же время он обнаружил, что при гальванических опытах вместо металла можно брать уголь, такой же хороший проводник.

Естественно, что Гальвани не мог оставить такой выпад без внимания. Он ответил тем, что в присутствии свидетелей поставил новые опыты: препарировал лягушек железным ножом, положив их на железную же подставку… Лапки сокращались! «Если это происходит и при одном металле, значит, источник электричества находится в животном!» — утверждали сторонники Гальвани.

«Отнюдь! — возражал Вольта. — Даже единый кусок проволоки нельзя считать абсолютно однородным. В нем могут быть примеси других металлов. Он может быть по-разному по длине закален…»

Вместе с племянником Альдини Гальвани препарировал лягушек стеклянными скальпелями, на стекле. Но лапки под ножом дергались. Разве это не достаточное доказательство?..

Тем временем Вольта показывает и измеряет электричество, которое рождается вообще без участия животных, из одних лишь разнородных металлов…

Весь мир физиков разделился на два лагеря. Одни поддерживали Гальвани, другие — Вольта. И трудно сказать сегодня, чем бы кончился этот спор, поскольку оба физика по-своему были правы. Сегодня мы знаем, что в мускулах животных действительно возникает электричество. Так же как в результате контакта заряжаются разнородные металлы. Однако Гальвани из поединка выбыл.

В 1796 году в Северную Италию под предлогом войны с Австрией вторглись французские войска под командованием генерала Наполеона Бонапарта. Французы предполагали разгромить австро-сардинские войска, двинуться на Австрию и захватить Вену. Италия была им нужна как источник продовольствия, денег и удобный путь на Балканы.

Захватывая территорию, французская администрация перекраивала страну. Солдаты грабили захваченные области, подавляли недовольство народа. Болонья вошла в состав новой Цезальпинской республики. Все профессора университета должны были принести присягу на верность новому правительству. Подавляющее большинство так и сделало. Те же, кто не сумел вовремя «проявить гибкость», были уволены. Остался без работы и Гальвани, который не смог заставить себя принести присягу на верность новому политическому строю. Потеряв за несколько лет до этого жену, брошенный учениками, он остался совсем одиноким и без всяких средств к существованию. Говорили даже, что он терпел нужду и на шестьдесят первом году жизни умер от истощения… От голода, синьоры, от голода — другими словами. И это тоже отнюдь не исключительный случай среди тех, кто весь свой талант, счастье и саму жизнь приносил на алтарь науки во имя общества, во имя людей.

Гальвани ошибался в своих взглядах на «животное электричество», его ошибки исправил Вольта. Означает ли это, что Луиджи Гальвани остался в истории науки примером курьезных заблуждений?.. Ни в коем случае! Итальянский ученый по праву считается одним из основоположников учения об электричестве. И его опыты с «животным электричеством» легли в фундамент нового научного направления — электрофизиологии, изучающей электрические явления в живом организме. Электрические процессы лежат в самой основе жизни. Тут и возбуждение нейронов, например в процессах зрения, и передача нервного импульса, электрические процессы в мозге — энцефалография, и так хорошо знакомое нашему веку электрическое исследование работы сердечной мышцы — электрокардиография… Нет, лягушки болонского профессора, как и павловские собаки, вполне заслужили памятник. А сам Луиджи Гальвани навсегда останется в памяти всего человечества.

Первое слово Алессандро Вольты

Недалеко от Милана, у городка Комо, лежит деревня Камнаго. Здесь находилось родовое имение семейства Вольта. В 1745 году на рассвете в господском доме увидел мир хилый младенец, нареченный отцом капелланом именем Алессандро.

У аристократической четы, состоящей из Филиппо Вольты и Маддалены де Конти Инзаи было семь детей. Алессандро считался самым «неудачным». Он был слаб здоровьем и сильно отставал от своих сверстников в развитии. Кроме того, он был упрям. Отданный на воспитание почтенной женщине — супруге мастера по физическим приборам, мальчик до четырех лет не произносил ни слова. И окружающие уже приготовились считать его немым. И вдруг маленький Алессандро заговорил…

Некоторые биографы уверяют, что первым словом, которое он выпалил, было отрицание — «НЕТ!». Ну что ж, «Se non е vero, е ben trovato» — как говорят сами итальянцы[3].

По-видимому, в доме своей ранней наставницы будущий физик познакомился впервые и с физической аппаратурой. И как это часто бывает, впечатления детства определили направление всей жизни. Ему еще не было и восемнадцати лет, когда, поставив ряд опытов по электричеству, он пришел к выводу, что многие из результатов можно объяснить законом Ньютона. Окрыленный этой идеей, он написал письмо «самому аббату Нолле» во Францию. Тот ответил, одобряя начинания молодого человека.

Это одобрение послужило немалым стимулом для Вольты. В двадцать четыре года он пишет диссертацию, основанием которой послужили опыты с лейденской банкой. А через десять лет становится профессором физики в университете города Павии.

Вольта увлекается экспериментированием. Недюжинный изобретательский талант позволяет ему совершенствовать свои и чужие «придумки», доводить их до такого изящества, которое вызывало восхищение бедного на физические приборы времени. Так, усовершенствуя смоляной прибор Эпинуса, предназначенный для изучения электрической индукции, Вольта изобрел электрофор, что означало в буквальном переводе «электроносец». Сегодня может показаться удивительным, насколько он прост. Смоляная лепешка и металлический диск со стеклянной ручкой. Да еще нужна была кошка или, на худой конец, ее шкура. Шкурой натиралась смоляная лепешка и заряжалась при этом отрицательно. В поднесенном медном диске, на стороне, обращенной к смоле, возникало в результате индукции положительное электричество. На стороне противоположной — отрицательное. Этот излишек отрицательного электричества можно было легко отвести в землю. И диск полностью оказывался заряженным положительно. Теперь этот заряд можно было переносить и переводить на другие тела или отправлять в лейденские банки. А сам диск, приблизив снова к натертой смоле, вновь зарядить…

Нехитрый прибор вызвал восторг среди экспериментаторов. Многие пытались произвести его усовершенствование и дальше. И в конце концов электрофор Вольты дал в руки исследователей электрофорную машину. Примерно ту самую, какие по сей день стоят в школьных физических кабинетах.

А Вольта тем временем изобретает очень чувствительный соломенный электроскоп и делает ряд выдающихся изобретений в области химии. Все обширней становится его переписка. Вольта много путешествует, знакомится с выдающимися учеными своего времени. Научные общества наперебой избирают его своим членом. Еще бы — богатый, знатный, хорошо образованный, еще в детстве без труда получивший все то, что выходцам из низов приходилось выбивать себе в зрелом возрасте, тратя на это и силы, и время.

Современники утверждают, что Вольта был высок ростом и хорош собой. Правильное античное лицо его освещалось спокойным взглядом красивых глаз. Говорил он просто и ясно. При необходимости легко переходил к красноречию, но оставался всегда скромным и делал это необыкновенно изящно. Его речь и манера говорить отличались искренностью и убеждали собеседников даже раньше, чем те вникали в содержание его слов. В Фернее он беседовал с Вольтером, в Англии виделся с Пристли, во Франции — с Лавуазье и Лапласом…

Трактат Гальвани поразил Алессандро. И первое время, проверяя все описанные соотечественником опыты, Вольта был вполне на стороне болонского профессора. Однако большой собственный опыт экспериментирования мешал ему полностью признать позиции Гальвани. А тут еще как-то попалась ему книжка швейцарского врача Жан-Жака Зульцера, который писал: «Если два куска металла, один оловянный, другой серебряный, соединить таким образом, чтобы оба края их были на одной плоскости, и если приложить их к языку, то в последнем будет ощущаться некоторый вкус, довольно похожий на вкус железного купороса, в то же время каждый кусок металла в отдельности не дает и следа этого вкуса…»

Но ведь такой же вкус производит и действие электричества. Это Вольта знал хорошо.

И вот он ставит «решающий эксперимент»: четырех своих помощников он водружает на смолу, чтобы изолировать от земли. Первому из стоящих он велит взять в мокрую правую руку цинковую пластинку, а левой коснуться языка своего соседа. Тот, в свою очередь, должен был мокрым пальцем коснуться глазного яблока следующего. Третий и четвертый держали в руках свежепрепарированную лягушку. И кроме того, у четвертого в свободной мокрой руке была зажата серебряная пластинка… Когда серебро касалось цинка, язык второго ощущал кислый вкус, в глазу у третьего вспыхивало световое пятно, лапки лягушки между третьим и четвертым начинали дергаться…

Прекрасный результат! Разве не доказывает он, что никакого «животного электричества» не существует? Все дело в контакте разнородных металлов…

Старая истина гласит, что если своего идейного противника нельзя убедить, то надо постараться его пережить. Вольта так и сделал. После смерти Гальвани количество сторонников «животного электричества» резко пошло на убыль. Но главный удар по гальванизму был впереди.

Предоставим слово современнику той поры — известному французскому ученому Араго, написавшему биографию Вольты: «В начале 1800 года вследствие теоретических соображений знаменитый профессор придумал составить длинный столб из кружков: медцого цинкового и мокрого суконного. Чего ожидать заранее от такого столба? Это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнородных металлов, разделенных небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины». Эти слова не были преувеличением. Я уже рассказывал, какое впечатление на ученых произвело изобретение лейденских банок. «Но банка действует только один раз, — продолжает Араго, — после каждого удара ее надобно снова заряжать; столб же, напротив, действует беспрерывно. Итак, столб есть лейденская банка, сама собою заряжающаяся… Я осмелился бы сказать, что вольтов столб есть чудеснейший снаряд из всех человеческих изобретений». Так заканчивает Араго свое описание.

20 марта 1800 года профессор естественной философии Алессандро Вольта отправил письмо президенту Лондонского королевского общества сэру Джозефу Бэнксу, баронету… Путь от Павии до Лондона неблизкий, а почтовые кареты по дорогам Европы катились неспешно. Поэтому точно сказать, когда послание прибыло в столицу Британского королевства, трудно. Но в конце концов сэр Джозеф получил запечатанный пакет, вскрыл его и прочитал. Письмо было озаглавлено: «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ», а главным его содержанием являлось описание «…прибора, сходного по эффектам, т. е. по сотрясению, вызываемому в руках и т. д., с лейденскими банками или с такими электрическими слабо заряженными, но беспрерывно действующими батареями, где бы заряд после каждого взрыва восстанавливался сам собой…».

Хотя президент общества являлся доктором юридических наук и членом королевского тайного совета, а главным событием в его жизни было кругосветное путешествие, совершенное с капитаном Куком, и главной заслугой считалось основание Африканского общества, он не был чужд и проблем естествознания, волновавших его современников.

Не очень разобравшись в излагаемых Вольтой проблемах, сэр Джозеф показал письмо друзьям — лондонскому врачу сэру Антони Карлейлю и бывшему чиновнику Ост-Индской компании, инженеру и любителю естествознания Уильяму Никольсону…

Весна способствует осуществлению творческих планов. 30 апреля Никольсон и Карлейль соорудили по описаниям Вольты столб из семнадцати пластинок и сразу же принялись за опыты. Все получалось так, как и писал итальянский физик… И тут произошло событие…

Однажды, налив каплю воды в углубление цинковой пластинки для осуществления лучшего контакта с проволокой, экспериментаторы заметили, что, когда цепь замыкалась, в воде появлялись пузырьки. Никольсон понюхал и сказал, что похоже на запах водорода. Он взял стеклянную трубку, налил в нее свежей ключевой воды и заткнул пробками, сквозь которые пропустил латунные проволоки. Затем присоединил обе проволоки к противоположным полюсам вольтова столба. И тотчас от конца одной из проволок побежали в воде пузырьки газа, а вторая проволочка на глазах стала темнеть и покрываться налетом. Непонятно, но интересно. Джентльмены смешали полученный газ с равным количеством воздуха и подожгли. Раздался взрыв… Водород! Безусловно водород. Ведь это один из газов, входящих в состав воды.

26 июня того же года, несмотря на лето, сэр Джозеф Бэнкс на собрании членов общества огласил письмо Вольты. А Карлейль с Никольсоном продемонстрировали опыт по разложению воды. Их работа произвела сенсацию. Ученые и до того знали о возможности разложения воды электрической искрой. Но здесь процесс шел непрерывно!.. А сделать «снаряд» Вольты было так просто!..

С быстротой молнии разлетелась новость по научным кругам Европы. Все уважающие себя физики принялись за сооружение вольтовых столбов и за их испытание. Еще бы, такая новость — «снаряд» итальянского изобретателя непрерывно вырабатывал электричество, совсем не так, как это делали электрические машины. Там его нужно было накапливать, а здесь оно тихо текло и текло непрерывным потоком.

В сентябре того же года мюнхенский физик Иоганн Вильгельм Риттер сообщил, что выделил из воды оба газа по отдельности: кислород и водород. И что из медного купороса с помощью итальянского снаряда легко осаждается медь.

Вильям Крюйкшенк, соорудив батарею из шестидесяти пар пластин, сообщил о разложении многих растворов солей с выделением металлов на отрицательном полюсе…

20 октября 1800 года князь Дмитрий Алексеевич Голицын, чрезвычайный русский посланник в Гааге, написал на имя президента Санкт-Петербургской академии наук Генриха Людвига Николаи письмо. В нем он сообщал: «Гальванисты открыли весьма любопытное электрическое явление. Цинковые и серебряные пластинки, положенные попеременно друг на друга и отделенные друг от друга слегка смоченной фланелью, производят толчок и даже электрические искры». Сам Николаи был далек от физических интересов. Но письмо нашло своего адресата. Потому что ровно через год произошло в русской столице событие, о котором сохранилась запись в «Санкт-Петербургских ведомостях» за 1 октября 1801 года. В них сообщалось, что на заседании конференции Академии наук вице-президент Берг-коллегии и член Лондонского королевского общества граф Аполлос Аполлосович Мусин-Пушкин, известный своими трудами в области химии, минералогии и физики, показал немало «куриозных опытов с вольтовым столбцом, состоявшим из 150 элементов». По тем временам это была весьма внушительная батарея. Присутствовавшие немало дивились искусству экспериментатора…

Осенью 1800 года из Парижа прибыло приглашение профессору Алессандро Вольте прочесть курс лекций перед виднейшими физиками Франции. И Вольта, весьма сочувственно относившийся к политическим взглядам Бонапарта, немедленно решил ехать. Путь от Павии до Парижа не слишком длинен. Но эта поездка превратилась в сплошной триумф. Каждый город, в который он приезжал, стремился выразить ему свое внимание. Всех ученых волновал тогда вопрос: можно ли считать эффекты, производимые вольтовым столбом, собственно электрическими? Или, может быть, следует предположить существование еще одного нового вида «тихого электричества» от вольтова столба?

В Женеве в Обществе естествоиспытателей приезжий прочитал доклад о «тождестве гальванизма с обыкновенным электричеством». «Обыкновенным» в ту пору называли электричество, получаемое в процессе трения. А ведь были еще опыты с турмалином. Было «животное электричество» морских скатов и американских угрей, «атмосферное электричество». И теперь еще этот странный вольтов столб… Тут было от чего прийти в сомнение!

В Парижской академии наук создали специальную комиссию по изучению гальванизма. В нее вошли самые известные ученые. «Бессмертные» — так называли французы своих академиков — соорудили по описаниям вольтов столб и повторили все опыты итальянского исследователя перед его приездом. Погрузив один из концов «электродвигательного прибора» в воду и присоединив к другому его концу металлическую проволоку, академики совали руку в чашку с водой и одновременно прикладывали второй электрод к языку, к веку, к кончику носа или на лоб. В момент замыкания цепи следовал такой удар, что некоторые едва не лишались языка. Но… наука требует жертв. Ощущения были столь неожиданными! При наложении проволоки на веко создавалось впечатление вспышки. А когда два электрода от противоположных полюсов батареи вводили в уши, в голове раздавался шум… «Это было нечто вроде треска или лопанья, как если бы кипело какое-то масло или вязкое вещество», — писал сам Вольта. Он предполагал, что в дальнейшем его прибор сможет послужить медикам для излечения болезней. Другого применения гальваническому электричеству он не видел.

Четыре недели понадобилось триумфатору, чтобы добраться до Парижа. Встреча со знаменитостями превзошла все ожидания: было устроено торжественное заседание Академической комиссии, впрочем, правильнее ее называть специальной комиссией Национального института, поскольку после революции национальный конвент постановил упразднить все академии, «как учреждения аристократического характера, позорящие науки и ученых». И 25 октября 1795 года Директория учредила Национальный институт наук и искусств, объединивший под своей эгидой представителей всех отраслей знаний. Членом института состоял и первый консул Бонапарт, который весьма гордился этим званием…

Так вот, после заседания вышеупомянутой специальной комиссии, на котором Вольта также читал доклад о тождестве «обыкновенного электричества» и гальванизма, присутствовал Бонапарт. Он увидел в библиотеке института лавровый венок с надписью: «Великому Вольтеру», снял его, стер окончание так, что получилась надпись: «Великому Вольте», и протянул венок ученому…

Не было, кажется, таких наград, которые не получил бы в Париже итальянский исследователь. Наполеон оказывал ему такое подчеркнутое внимание, что это вызвало немалую ревность со стороны французских коллег. И Вольта, умный и дальновидный Вольта, заспешил домой. Он упорно отказывался от всех лестных предложений, в том числе и от предложения стать членом Санкт-Петербургской императорской академии наук. И торопил отъезд…

В 1815 году он перешел в Падуанский университет, в котором принял пост директора философского факультета.

Последние десятилетия своей жизни Вольта прожил скромно. Ничего существенно нового для науки не сделал. В 1819 году вышел в отставку и удалился на покой в родной Комо. Там и протекли последние годы его жизни.

Вольта был не особенно силен в области теории. Тем не менее причины, вызывающие электрический ток в вольтовом столбе, он должен был объяснить. И он выдвинул так называемую контактную теорию, которая утверждала, что электрический ток возбуждается в результате контакта металлов. Достаточно одного лишь соприкосновения разнородных металлов, утверждал Вольта, чтобы родилась «электродвигательная сила», которая разделяет соединенные положительное и отрицательное электричества и гонит их в виде токов в противоположных направлениях…

Многие ученые видели недостатки этой слабой гипотезы. Многие пытались доказать, что электрический ток возбуждается в результате химических процессов в вольтовом столбе. Но должно было пройти более тридцати лет, понадобился приход в науку Фарадея, чтобы в этот вопрос была внесена ясность. Однако к тому времени итальянский исследователь Алессандро Вольта уже семь лет покоился в фамильном склепе на кладбище того же города, где и увидел свет.

«Огромная наипаче» батарея Василия Петрова

Профессор физики Петербургской медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров возвращался с заседания конференции домой затемно. Недалекий сегодня путь от Васильевского острова до Выборгской стороны был в те годы сложным и долгим путешествием… Впрочем, дальняя дорога тоже имела свои преимущества. Под ровный цокот копыт и потряхивание извозчичьих дрожек хорошо думалось. И к тому времени, когда под колесами экипажа застучали доски наплавного моста, ведущего на Выборгскую сторону, и заплескалась вода, Петров пришел к мысли о совершенной необходимости ходатайствовать перед своим начальством о постройке вольтова столба для нужд физического кабинета. Это было детище, созданное им самим из ничего и всей жизнью своею и славою обязанное ему, Василию Петрову…

«Никто не знает, как он выглядел. Его портретов не осталось» — так начинает свое эссе «Размышление перед портретом, которого нет» писатель Даниил Гранин. «Не сохранилось его писем, дневников, его личных вещей. Нет воспоминаний о нем. Есть только его труды. Есть его послужной список, всякие докладные записки, отчеты, отзывы — то, что положено хранить в архивах, тот прерывистый служебный след, какой остается от каждого служивого человека».

Это он, Василий Петров, создал небывалый до того физический кабинет для исследований при Медико-хирургической академии. Он написал замечательное сочинение, посвященное доказательству несостоятельности учения о флогистоне, — «Собрание физико-химических новых опытов и наблюдений». И, не имея систематического образования, к сорока годам прошел путь от провинциального учителя до столичного профессора. Его имя, по выражению «Северного вестника» — петербургского журнала, было известно просвещенной публике, «ибо… он беспрестанно возвышает физику своими открытиями…».

Да, батарея была Петрову необходима! Он даже знал, кому можно было заказать ее изготовление. Существовало в столице механическое заведение некоего Медхера, выдававшего себя за англичанина и поставлявшего физические приборы любителям и научным учреждениям Санкт-Петербурга. Оставалось добиться согласия начальства…

Вряд ли стоит фантазировать, представляя себе хлопоты Петрова и его войну с администрацией. Все это, скорее всего, немногим отличалось от хлопот, требуемых и в наши дни для аналогичных целей. Важно, что в конце концов на длинном лабораторном столе физического кабинета водворился ящик с «вольтовым столбцом», составленным из шестидесяти элементов… Правда, с первых же экспериментов Петрова охватывает чувство разочарования. Он мог только повторять уже известные опыты Вольты и других экспериментаторов. К этому времени «итальянские снаряды» появились в домах и частных лабораториях множества любителей науки. И каждый день приносил сообщения о новых открытиях.

С помощью своей батареи Петров повторил опыты по разложению воды, осадил медь из медного купороса. Попробовал произвести электролиз винного спирта. Ну а дальше? Может быть, если бы удалось построить более мощную батарею, электрическая сила ее расщепила бы и другие вещества? И тогда он, Василий Петров, узнает, из чего они состоят…

Так возникла у него мысль о другой батарее, значительно более мощной, чем у Медхера. И Василий Владимирович начинает претворять мысль в дело. По делам организации физического кабинета Медико-хирургической академии ему пришлось поехать в Москву. Там, в Лефортове, на берегу Яузы, в усадьбе Бутурлина, находилась музейная коллекция редких физических приборов, собранных ее владельцем во время поездок по Европе. Хозяина усадьбы уже не было в живых. Наследники же запросили 28 тысяч рублей. Сумма огромная — не по средствам академии. Но как хотелось-то… Петров предпринимает титанические усилия и добивается санкции самого императора Александра I на покупку.

А в это время в Санкт-Петербурге по записке Петрова перестраивается здание для физического кабинета. В нем должны быть несгораемый пол и плавильная печь, темная комната для оптических экспериментов и приспособления на потолке для подвешивания предметов на шелковых нитях. Он требовал устройства вентилятора в особом «театре для физики» и ледника, балкона для проведения опытов на открытом воздухе и комнаты с эллиптическим водоемом… Короче говоря, это должен был быть кабинет, предназначенный не для хранения научной аппаратуры, а для исследовательской работы. Такого новшества еще не знала отечественная наука.

Поездка в Москву оказалась полезной и для работы над вольтовым столбом. Здесь цинковые кружки стоили более чем вдвое дешевле, чем на берегах Невы. А поскольку платить приходилось из собственных средств… медные кружки Петров заказал уже дома. Обилие забот помогало сдерживать нетерпение. Но вот все, кажется, готово. Плотники сколотили и принесли четыре десятифутовых ящика, общей длиной в 12 метров. Петров сам покрыл их внутренние стенки сургучным лаком. Сюда он один за другим уложил 4200 металлических кружков, проложив между каждой цинково-медной парой бумагу, пропитанную нашатырем. 2100 элементов! Такой батареи не было еще ни у кого из исследователей во всем мире!

Сегодня может показаться: подумаешь изобретение — увеличить количество элементов гальванической батареи с шестидесяти до двух с лишним тысяч!.. Всего-то навсего увеличить количество… Не торопитесь с выводами. Вспомните, что Василий Петров был совсем один. У него не было помощников. Вспомните и о том, что по сегодняшним представлениям напряжение его батареи равнялось примерно 1700 вольтам. Она могла давать довольно большой ток и… быть опасной. Ведь в ту пору почти не было никаких измерительных приборов, кроме ненадежных электроскопов да собственных пальцев экспериментатора. Петров срезал с них кожу, чтобы усилить чувствительность. А тут — 1700 вольт!..

Знал ли он о грозной силе, дремлющей в длинных ящиках, поставленных на деревянный лабораторный стол? Может быть, и не знал. Но интуиция ученого-экспериментатора должна была подсказать ему о ней.

Все приходилось делать своими руками. Он «свивал серебряную книпель для получения снурка в одну лишь линию толщиной», подбирал проводники и покрывал их изобретенной тут же изоляцией из сургучного лака с воском.

Еще не было понятия о напряжении и токе, никто не говорил о сопротивлении. Ни Ом, ни Кирхгоф еще не вывели своих фундаментальных законов, а Петров опытным путем пришел к параллельному соединению сначала проводников, а потом и потребителей «электрической силы».

Он произвел электролиз серного и селитряного эфиров, мятного и гвоздичного масел и обнаружил в составе всех этих жидкостей кислород, потому что электроды батареи при проведении опытов окислялись. Под стеклянным колпаком воздушного насоса он наблюдал явление тлеющего разряда. А погрузив электроды в масло, следил за возникновением искр, которых никогда не бывало в воде. Не значит ли это, что масло хуже проводит электрическую жидкость?.. И Петров вводит термин «электрическое сопротивление».

Он задумывает целую серию опытов по исследованию проводимости различных веществ. Холодно в физическом кабинете. Зябнут пальцы, замерзает вода в стаканах. Прекрасно! Он исследует проводимость льда. И попутно обнаруживает, что в холодном помещении сила батареи иссякает быстрее. Но зато потом восстанавливается в тепле. Он испытывает угольные электроды.

Уголь — традиционный материал в физических исследованиях. Ничего удивительного. Но…

Весной 1802 года, поздним вечером, когда глаза уже устали от беспрерывного мерцания свечей и просятся на отдых, в темной лаборатории под руками ученого вспыхнуло солнце!

«Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством гальвани-вольтовской жидкости, и если потом металлическими изолированными направлениями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий, белого цвета свет или пламя, от котораго оныя угли скорее или медлительнее загораются и от котораго темный покой довольно ясно освещен быть может».

Одна — три линии — это 2,5–7,5 миллиметров. Расстояние пустячное, а ослепительное пламя, вспыхнув, раздулось солнечным лучом, зашипело и ударило в темные окна, вызвав страх у случайного прохожего. Что за свет? Откуда свет? Почему «гальвани-вольтовская жидкость» из батареи превращается в огонь?.. Все эти вопросы, несомненно, обступили первооткрывателя электрической дуги, потребовали своего объяснения. А что мог ответить на них ученый? Нам сегодня может показаться: подумаешь — открытие! Батарея под руками, нужно только сдвинуть угли… Жестокое заблуждение! Во-первых, «огромная наипаче» батарея была хоть и велика, но очень ненадежна. Во-вторых, угли — обыкновенные древесные угли — далеко не лучшие электроды для дуги. И в-третьих, наконец, сама дуга была очень капризным явлением. Чтобы заставить ее гореть от первой проскочившей искры, нужно было обладать величайшим мастерством экспериментатора.

Первым быть всегда и везде сложно. Но делать первый шаг вперед не в альпинистском походе, не на летних каникулах, а в науке, опережая все человечество, не в пример труднее. Не забудьте, пожалуйста, что происходило все то, о чем я сейчас пишу, в век свечи и лучины, когда электрические опыты рассматривались как «куриозные явления», не имевшие в большинстве своем никакого объяснения.

Открытие Петрова не привлекло большого внимания. А описание опыта, изложенное в «Известиях Академии» на русском языке, скорее всего, осталось неизвестным большинству европейских ученых… Совсем иная судьба у повторившегося открытия той же дуги в Англии. Восемь лет спустя очень удачливый и, безусловно, талантливый ученый Гемфри Деви, чьим учеником потом станет Майкл Фарадей, независимо от Василия Петрова обнаружил то же явление и продемонстрировал его коллегам по Лондонскому королевскому обществу. Вот тут недостатка во внимании и в восхищении не было…

В характере Василия Владимировича Петрова поражает не только бескорыстие, но и полнейшее отсутствие всякого тщеславия — черты весьма распространенной для его времени. А он, узнав о повторении своего открытия Деви, ни словом даже не обмолвился о приоритете. Может быть, он худо владел иностранными языками и не мог свободно изъясняться? Отнюдь. Современники утверждают, что Петров одинаково хорошо владел латынью, немецким, английским и французским языками — читал, писал и говорил. Правда, иноземцев, как и Ломоносов, Василий Владимирович не жаловал, больно много их было вокруг в столице, да все с привилегиями, да все хотели, чтобы их считали умнее… Может быть, поэтому все свои статьи писал он только на русском языке. И его труд «Известия о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров, посредством огромной наипаче батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской медико-хирургической академии» явился едва ли не первой научной работой по электричеству, написанной на русском языке.

Петров был ученым-профессионалом, и вся его жизнь, все его интересы связывались с наукой и с научной деятельностью. Я думаю, что был он чужд мизантропии — свойству, в общем-то, чуждому русскому характеру. И наверное, втайне страдал, наблюдая безразличие окружающих к трудам своим. Не зря же в конце описания опытов поставил он скромную, но весьма знаменательную фразу: «Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики, по крайней мере некогда, согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает…»

Может быть, для того, чтобы лучше представить себе фигуру Василия Владимировича Петрова, замечательного русского ученого, о жизни которого сохранилось, к сожалению, немного сведений, было бы целесообразно проследить хронологию дат и послужного списка? Я постарался собрать все, что было можно. Взгляните…

19 июня 1761 года в городе Обояни (ныне Курской области) в семье приходского священника родился сын, нареченный Василием. Обученный грамоте и счету дома, был он отдан в церковную школу, где скоро обнаружил удивительные способности и большую любознательность. По совету друзей родители определили мальчика учиться дальше в духовной школе повышенного типа. То был так называемый Харьковский Коллегиум. Однако, почему-то не закончив учебы, в 1785 году переехал Василий в Санкт-Петербург, где вдруг оказался среди казеннокоштных слушателей учительской семинарии. Ему уже немало лет — двадцать пятый год, время зрелости человека, а он все учится. Правда, учится превосходно. Он был человеком, которому учеба доставляла удовольствие. Получать знания, видеть с каждым днем дальше и дальше — может ли быть наслаждение выше этого? Пожалуй, такое свойство характера — одно из непременнейших для будущего ученого.

В 1788 году комиссия по народному просвещению, отбирая среди неокончивших курс, но успевающих семинаристов кандидатов в учителя для горных училищ Урала и Алтая, предложила поехать в Барнаул и Василию Петрову. Он согласился и подписал договор на три года. Незаметно летело время в горной школе при Колыванско-Воскресенских заводах. Учитель Петров вел математику, русский и латинский языки и наставником оказался превосходным. Аттестация его была настолько блестящей, что по окончании договорного срока в 1791 году В. В. Петров получает назначение в Санкт-Петербург преподавателем математики и русского языка в инженерное училище Измайловского полка. По-видимому, несмотря на рутинную обстановку в самодержавной России, министерство народного просвещения держало учителей в поле своего зрения. И лучших переводило в столицу.

В Петербурге Петров не ударил лицом в грязь. Слава о нем как о прекрасном лекторе быстро распространяется в городе. А в 1793 году Санкт-Петербургская медицинская коллегия приглашает его преподавать физику и математику в медико-хирургическом училище при военно-сухопутном госпитале. Петров соглашается, и тут его дарования педагога и исследователя разворачиваются в полную силу. Он задумывает создать физический кабинет, подобного которому не существовало в России. Доброе начинание пришлось ко времени.

В 1795 году училище преобразуют в Медико-хирургическую академию. За заслуги свои в области преподавания, а также в качестве аванса за будущие успехи Василий Владимирович удостоен звания экстраординарного профессора вновь созданной академии. Пока строится здание физического кабинета, Петров ездит в Москву, собирает по домам любителей физические приборы, вывезенные из-за границы. В промежутках между хлопотами он ставит опыты, описывает их. В основном это пока опыты по химии. Энергия Петрова, его деловая хватка, радение об отечественной науке производили впечатление. Он становился заметной фигурой на научном фоне столицы, представленном в ту пору в основном иностранцами. Однако до завоевания окончательного и прочного положения в науке еще далеко.

В 1801 году выходит в свет первый научный труд В. В. Петрова: «Собрание физико-химических новых опытов и наблюдений». Василий Владимирович сразу и безоговорочно примкнул в химии к прогрессивной теории горения Лавуазье, выступив против флогистона. Особенное внимание в это время он уделяет явлению люминесценции. Холодное свечение тел и веществ представлялось непонятным. И тайна холодного света заинтересовала ученого.

Его книга привлекла внимание научной общественности. Он получил звание ординарного профессора и был избран членом-корреспондентом Медико-хирургической академии.

Экспериментальная физика и химия имеют ту особенность, что человек, увлекшийся опытами, уже, как правило, не в состоянии их бросить. Петрову постоянно не хватало средств. Увы, эксперименты стоили дорого, а доходы профессора Медико-хирургической академии оставляли желать большего.

В 1802 году В. В. Петров начинает преподавать во Втором кадетском корпусе. По-видимому, именно в это время он знакомится с опытами Гальвани и Вольты, читает их описания и задумывает повторить.

В 1803 году из печати выходит книга В. В. Петрова «Известия о гальвани-вольтовских опытах…».

В 1804 году выходит в свет третий труд В. В. Петрова — «Новые электрические опыты».

В 1807 году, едва ли не вопреки старейшему академику Л. Ю. Крафту, занимавшему единственную штатную должность на кафедре физики, Петров избирается адъюнктом Академии наук с обязанностью вести записи метеорологических наблюдений и издавать их, а также заниматься реорганизацией физического кабинета.

В 1809 году Петров избран экстраординарным академиком Санкт-Петербургской академии наук, а также академиком Медико-хирургической академии.

В 1810 году Эрлангенское физико-математическое общество в Германии избирает Петрова своим почетным членом.

В 1817 году он становится ординарным академиком С.-Петербургской императорской академии наук. К сожалению, именно в эти годы материальное положение академии значительно ухудшается. Немилость нового президента Уварова сводит все усилия Петрова улучшить состояние дел физического кабинета к нулю.

В 1826 году происходит резкое столкновение Василия Владимировича с вновь избранным академиком Е. И. Парротом, незаслуженно обвиняющим Петрова в запущенном состоянии физического кабинета… И Петров отходит от академических дел. В это же время он начинает слепнуть.

В 1832 году, после операции катаракты, он возвращается было к работе, но… «сверх всякого чаяния».

В 1833 году, в феврале месяце, уволен на пенсию с содержанием 5000 рублей в год. Петрову шел 72-й год…

22 июля 1834 года академик В. В. Петров скончался. Он похоронен на Смоленском православном кладбище. На надгробном камне надпись: «…вся жизнь прекрасная его прошла в трудах неутомимо…»

Таким был путь самородного таланта и выдающегося самоучки Василия Владимировича Петрова, работы которого намного опередили свое время. Фактически не имея систематического образования, он стал одним из самых выдающихся людей своего времени, проделав путь от провинциального учителя до академика.

Его жизнь началась при Екатерине II. Он жил в период Великой французской революции, в условиях нелегкого правления Павла I, вступления на престол Александра I и Отечественной войны 1812 года. В академии шла реорганизация, сменялись президенты. В его жизни, наверное, было немало споров и ссор с иностранцами, которых было слишком много в нашей Академии наук в ту пору, было немало несправедливостей. Но главным в ней всегда оставалась работа, с ее озарениями и наслаждением от научных удач. По отзывам современников, Петров был не только великолепным лектором, но и талантливым учителем, профессором-руководителем. Он оставил после себя учеников, ставших гордостью нашей науки. Сам же Василий Владимирович по праву считается первым русским электротехником и примером для тех, кто идет нелегким путем служения науке и своему народу.

«Электрические» работы в России

Работы Василия Владимировича Петрова побудили многих русских исследователей обратиться к опытам с электричеством. Одна за другой в печати появляются интересные работы. Тут и диссертация Александра Воинова о молнии и громе, и рассуждение Василия Телепнева «о способах возбуждения электричества в телах», и компиляционный труд Афанасия Стойковича «О соломенных и разных других отводах молнии и града». Были работы и других авторов. Не все они оказывались равноценными. Немало в них встречалось наивных утверждений и непрофессиональных выводов. Но уже само обилие работ говорит о том, что передовая русская научная мысль начала XIX века шла в ногу с изысканиями европейских ученых.

В 1803 году в Санкт-Петербурге из-под печатного пресса выходит и еще одна очень любопытная книга, озаглавленная «Краткия и на опыте основанный замечания об електрицизме и о способности електрических махин к помоганию от различных болезней», принадлежащая перу первого русского агронома и писателя Андрея Тимофеевича Болотова.

Эту работу можно еще вполне отнести к «догальваническому» и «до-вольтовскому» периоду. Болотову было в ту пору уже 65 лет. Познакомившись с действием лейденской банки, он увлекся идеей лечения различных болезней с помощью электрического «потрясения». Это был едва ли не последний отголосок всеобщего увлечения лечением электричеством, которое переживала Европа в середине XVIII столетия. Тогда врачи ожидали от новых методов лечения чуда.

Идея применения электричества против нервных болезней уходит в глубокую древность. Есть сведения, что и врачи римской эпохи не были чужды мнения о полезности применения ударов животного электричества. Они заставляли больных людей, особенно страдающих параличом, прикасаться к рыбам, которые производили удар, заставляющий сокращаться мышцы. При этом никто, скорее всего, не понимал причин получаемого эффекта. Впервые предположение об электрическом характере этого действия скатов на человека и на другие живые существа возникло примерно около середины XVII века. В то же время европейские путешественники познакомились еще с одним видом рыб — с электрическим угрем, обитавшим в американских реках. Но только через сто лет высказанные предположения были доказаны исследованиями Уолша, который описал электрический орган ската, помещавшийся между головой и грудным плавником.

Если в середине XVIII столетия многие видели в электричестве панацею от всех болезней, то по прошествии полувека мода на него прошла. И работа Болотова внимания на себя не обратила. С работами В. В. Петрова Болотов, скорее всего, знаком не был.

Можно отметить, что в своей работе Андрей Тимофеевич большое внимание уделяет построению «електрических махин вообще и устроению простейших особенно». Он дает конструкцию своей электрической машины, получающей электричество трением, подробно описывает ее, «чтобы в случае оказавшейся полезности можно было по примеру моему многим и у себя дома, без прибежища к махинистам, а при помощи простейших мастеровых, как, например, столяра и слесаря, их делать и без больших издержек снабжать себя оными».

В 1818 году основатель Харьковского университета Василий Назарович Каразин, человек беспокойного просветительского склада характера и выдающийся общественный деятель, написал мемуар «О возможности приложить электрическую силу верхних слоев атмосферы к потребностям человека».

Он предлагал поднимать на аэростатах «электроатмосферные снаряды», которые собирали бы там электричество и доставляли его на землю для практического использования.

В ту пору Каразин жил у себя в поместье Кручик в Харьковской губернии, где имел прекрасную библиотеку и занимался, со свойственной ему страстностью и энергией, научными занятиями и опытами. У него в имении были оборудованы химическая лаборатория и метеорологическая станция, на которой он в течение десятков лет вел наблюдения. Тут же рядом располагалось опытное поле, с делянками, засеянными различными сортами пшениц. Вообще надо сказать, это был удивительный, интереснейший человек, каких немало в русской истории. Жизнь его — настоящий роман…

Понимая, как нужны удобрения для повышения урожайности почв, Каразин задумался над способом извлечения азотистых соединений из воздуха электрическим путем. Он хорошо представлял себе ничтожность силы существующих источников — вольтовых столбов. И посему решил поставить на службу человеку молнию.

Составив свой проект, Каразин подал его на высочайшее рассмотрение. Бумаги попали на отзыв в Академию наук. Там должным порядком они прошли рецензирование. Проект Каразина рассмотрели академики: Фус, Шуман, Шуберт и Петров. Ни один немец не нашел в поданных предложениях ничего достойного внимания. И лишь Петров написал положительный отзыв…

К сожалению, ни наука, ни тем более техника не готовы были к принятию подобных идей. И предложения Каразина остались без движения.

Все эти примеры говорят о том, что интерес к электричеству распространился на все страны и от соединенных усилий ученых в самое ближайшее время следовало ожидать в этой новой отрасли науки существенных изменений.

Каким простым кажется нам сегодня — взять цинковую и медную пластинки, погрузить их в соленую воду и соединить проволокой. И тут же, без всяких наших усилий, по проволоке потечет электрический ток, а вокруг проволоки образуется невидимое магнитное поле. Электрический ток нагреет проволоку — совершит работу. Магнитное поле нашей проволоки с током, взаимодействуя с другим — таким же, оттолкнет или притянет другую проволоку с другим током, приведет ее в движение и тоже совершит работу. Просто! В самом деле ведь очень просто! Но чтобы научиться обнаруживать магнитное поле, ощущение которого не дано человеку, чтобы выяснить взаимодействие электрических зарядов, научиться получать электрический ток и понять его взаимосвязь с магнитным полем, человечество должно было пройти длинный путь.

Рождение электротехники начинается с изготовления первых гальванических элементов — химических источников электрического тока. Связывают его с именем Алессандро Вольты. Однако рассказывают, что, раскапывая египетские древности, археологи обратили внимание на странные сосуды из обожженной глины с изъеденными металлическими пластинами в них. Что это?.. Многое в окаменевших остатках ушедших, канувших в Лету цивилизаций до сих пор не понято людьми. Нелегко восстановить образ минувшего, тем более что часто он оказывается вовсе не таким уж примитивным, как думалось. «А уж не банки ли это химических элементов?» — пришла кому-то в голову «сумасшедшая» мысль. Впрочем, так ли она безумна? Ведь получение постоянного электрического тока химическим путем действительно очень просто. Соленой воды на Земле хоть отбавляй, как и необходимых металлов — цинка и меди. Вместо меди можно было применять серебро и золото… Но оставим эти догадки фантастам…

Первые элементы имели один общий недостаток. Они давали ток лишь первые несколько минут, затем «требовали отдыха». Почему это происходило, никто сначала не понимал. Но с такими «быстроутомляющимися» элементами нечего было и думать затевать какую-то промышленность. И потому усилия исследователей сконцентрировались на проблеме «утомляемости».

Оказалось, что цинк, соединяясь с кислотой, вытесняет из нее водород. Пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняют прохождение тока. Физики назвали это явление поляризацией элементов и объявили ему войну.

Примерно в начале 30-х годов прошлого столетия англичане Кемп и Стерджен (изобретатель электромагнита, о котором речь еще впереди) выяснили, что цинковая пластинка, покрытая амальгамой — раствором цинка в ртути, — действует не хуже чистого цинка, но при этом не растворяется в кислоте, когда элемент не работает, то есть когда он не дает тока. Это стало существенным достижением. Следом за ними французский физик, основатель ученой династии Беккерель высказал мысль, что хорошо бы попробовать опускать пластинки в разные сосуды так, чтобы выделяющийся водород тут же химически соединялся с кислородом, образуя воду. Идея понравилась. Но как ее реализовать? Изобретатели всех стран принялись за опыты. И надо прямо сказать, что если в XVIII веке едва ли не каждый образованный человек строил электрические машины, чтобы добывать таинственную силу электричества трением, то теперь всякий исследователь считал своим долгом подарить миру и человечеству новый химический элемент.

На первом этапе наибольший успех выпал на долю профессора химии Лондонского королевского колледжа Даниэля. В стеклянную банку с медным купоросом он поместил согнутый в цилиндр металлический лист. Внутрь вставил глиняный сосуд с пористыми стенками, заполненный разбавленной серной кислотой. В кислоту был помещен цинк. Водород проходил через поры глиняного сосуда, вытеснял медь из купороса. Несколько синих кристалликов, брошенных на дно банки, пополняли убыль меди…

Поляризация была побеждена! Однако у элемента Даниэля нашлись другие недостатки. Так, он имел пониженную электродвижущую силу. Часть электрической энергии тратилась внутри самого элемента на разложение медного купороса.

Соотечественник Даниэля Вильям Грове решил заменить медный купорос азотной кислотой. А чтобы она не разъедала медный электрод, заменил медь платиной… Все получилось в соответствии с ожиданиями: электродвижущая сила возросла. К сожалению, возросла и стоимость такого источника тока: платина — металл дорогой. Правда, Грове и его последователи делали электроды из тончайших листков, согнутых для прочности буквой S. Несмотря на высокую стоимость, элементы Грове нашли довольно широкое распространение в лабораториях многих стран.

Может показаться странным, что никто не додумался заменить платину углем. Принципиальная возможность такой замены была уже известна. Но тут мы не учитываем уровня технологии времени. Никто тогда не умел делать плотных углей. А обычный древесный уголь был слишком пористым. Прошло несколько лет, прежде чем немецкий химик Роберт Бунзен описал способ изготовления угольных стержней из прессованного молотого графита, который выделялся при сгорании светильного газа на раскаленных стенках реторт. Стержни стали прекрасным заменителем платины.

Элемент Бунзена приняли «на ура» не только лаборатории физики, но и первые электротехнические предприятия по гальванопластике, речь о которых впереди. И это несмотря на то, что при работе элемент выделял немало удушливых паров азотной кислоты. Правда, Иоганн Поггендорф заменил азотную кислоту хромовой, не выделявшей вредных испарений. Но производство хромовой кислоты было довольно дорогим делом.

Изобретатели старались вовсю. На страницах научных журналов одно за другим появлялись описания все новых и новых элементов. Ими занимались специалисты, ими занимались любители, ими занимались… В качестве курьеза можно упомянуть, что последний французский император Наполеон Третий, прежде чем навсегда подарить свою корону Республике, «осчастливил» мир тоже конструкцией двух элементов, обладавших некоторой оригинальностью.

Впрочем, во второй половине XIX столетия химические источники тока стали изготавливать в специальных мастерских. Главный их потребитель — телеграф — требовал простоты устройства, дешевизны, устойчивости и надежности в работе. За все это телеграфисты соглашались на самые «слабые» токи.

Можно рассказать еще о многих более или менее удачных попытках изобретательства. Наибольший успех выпал на долю парижского химика Жоржа Лекланше. Он наполнил глиняную банку смесью перекиси марганца с кусочками угля из газовых реторт и поместил туда же прямоугольную угольную призму, которая должна была служить положительным электродом. Эта система заливалась сверху варом или смолой и вставлялась в стеклянную четырехугольную банку, заполненную раствором нашатыря, с цинковым электродом. При этом хлор из нашатыря (хлористого аммония), соединяясь с цинком, давал хлористый цинк. Аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород. Вот тут-то и была ахиллесова пята этого превосходного элемента. Перекись марганца окисляла водород медленно и небольшими порциями. А выделение этого газа зависело от силы тока, который отбирается от элемента. Больше ток — больше выделяется и водорода. Водород же поляризует элемент, и последний быстро «устает». Правда, после некоторого «отдыха» он исправно работает снова. Однако лучше всего им было пользоваться при «малых токах» в телеграфии или в системе сигнализации, где между моментами работы существуют значительные перерывы.

Большое неудобство при использовании элементов Лекланше создавали стеклянные банки с жидкостью. Особенно сетовали на этот недостаток компании пассажирских перевозок. Океанские корабли снабжались сложной и разветвленной системой сигнализации, стараясь не уступать в этом отношении большим отелям. Но корабли подвергались качке… Сначала, чтобы не расплескать жидкость из элементов, их банки наполняли опилками, заливая сверху тем же варом. Но под такой «крышкой» образовывались газы, и элементы стали взрываться… Не скоро научились люди изготавливать «сухие элементы», ставшие в наше время такими обычными. Да, бесчисленные батарейки, работающие сегодня в самых разных электрических и электронных устройствах, не что иное, как многократно усовершенствованный и упрощенный «элемент Лекланше». Впрочем, наряду с ним работают и другие системы — миниатюрные и не очень, они обслуживают цепи, в которых используются «слабые токи».

Великим достижением прошлого века, связанным с исследованием работы тех же элементов, явилось открытие возможности последовательного и параллельного их соединения, когда в первом случае удавалось получить от них суммарное напряжение, а во втором — суммарный ток…

Сегодня эти «чудеса» изучают ребята в седьмом классе в курсе физики, и они, как правило, никого не удивляют.

Вторичные элементы

Давайте еще раз ненадолго вернемся к 1800 году, ко времени, когда Алессандро Вольта построил свою первую батарею. Год спустя исследователи заметили, что если два одинаковых металла погрузить в подкисленную воду и соединить их с вольтовым столбом, то через некоторое время эта система заряжается и становится на короткое время источником тока. При этом положительным оказывается тот ее электрод, который был соединен с положительным полюсом вольтова столба.

Это открытие привлекло внимание. А необходимость бороться с поляризацией — бичом первых гальванических элементов — добавила исследователям усердия.

Грове в 1839 году изобретает «газовый элемент», который получил название «вторичного элемента», поскольку давал ток лишь после зарядки его от какого-нибудь постороннего источника. Однако из-за неудобства пользования «газовый элемент» Грове распространения не получил.

Примерно в 1859–1860 годах в лаборатории Александра Беккереля — второго представителя славной династии французских физиков — работал в качестве ассистента некто по имени Гастон Плантэ. Молодой человек решил заняться совершенствованием вторичных элементов, чтобы сделать их надежными источниками тока для телеграфии. Сначала он заменил платиновые электроды «газового элемента» Грове свинцовыми. А после многочисленных опытов и поисков вообще перешел к двум одинаковым свинцовым листам. Он их проложил суконкой и навил этот «сэндвич» на деревянную палочку, чтобы он влезал в круглую стеклянную банку с электролитом. Затем подключил обе пластины к батарее. Через некоторое время «вторичный элемент» зарядился и сам оказался способен давать достаточно ощутимый ток постоянной силы. При этом, если его не разряжали сразу, заряд электричества сохранялся в нем длительное время.

Собственно, это и было рождением аккумулятора — накопителя электрической энергии. Первые аккумуляторы Гастона Плантэ имели очень незначительную электрическую емкость — они запасали совсем немного электричества. Но изобретатель заметил, что если заряженный первоначально прибор разрядить, затем пропустить через него ток в обратном направлении и повторить этот процесс не один раз, то емкость аккумулятора увеличится. При этом возрастал слой окисла на электродах. Этот процесс получил название формовки пластин и занимал сначала ни много ни мало около трех месяцев…

Как и у всех гальванических элементов, ток аккумулятора тем сильнее, чем больше поверхность соприкосновения электрода с раствором электролита. Эту истину хорошо усвоил Камилл Фор. Он был самоучкой — без специального образования, — с юных лет безраздельно увлеченным техникой. Вынужденный зарабатывать деньги на жизнь. Фор сменил множество специальностей. Был рабочим, чертежником, техником, химиком на английском пороховом заводе, работал и у Плантэ. Разносторонние практические знания сослужили ему добрую службу. После Парижской выставки 1878 года в голову Камилла Фора запала идея нового способа формовки пластин. Он попробовал заранее покрывать их свинцовым суриком. При зарядке сурик на одной из пластин превращался в перекись, а на другой соответственно раскалялся. При этом слой окисла приобретал очень пористое строение, а значит, площадь его поверхности значительно увеличивалась. Процесс формовки протекал значительно быстрее. Аккумуляторы Фора при том же весе запасали значительно больше электрической энергии, чем аккумуляторы Плантэ. Другими словами, их энергоемкость была больше. Это обстоятельство особенно привлекало к ним симпатии электротехников. Но главная причина их возросшей популярности заключалась в другом…

В конце столетия во многих странах на улицах и в домах появилось электрическое освещение. Лампы накаливания питались энергией пока еще маломощных машин постоянного тока. Ранним утром и поздним вечером, когда энергии требовалось больше, на помощь машинам приходили аккумуляторы. Это было значительно дешевле, чем устанавливать дополнительные генераторы. Тем более что в спокойные дневные и ночные часы аккумуляторы могли заряжаться, поглощая излишки вырабатываемой машинами энергии.

Дальнейшее совершенствование свинцово-кислотных аккумуляторов шло по пути улучшения их конструкции и изменения технологии изготовления пластин.

Совсем недавно появилось сообщение, что на Западе разработан гигантский свинцово-кислотный аккумулятор весом 2250 тонн. Он займет площадь около 0,2 гектара и будет предназначен для подключения к электросети в часы пиковой нагрузки. Зарядка его будет производиться в ночное время, когда потребление энергии падает. Применение такого супераккумулятора позволит выровнять работу тепловых электростанций, особенно страдающих от неравномерности нагрузки, и даст значительную экономию нефтяного топлива. Проектная мощность аккумулятора — порядка 45 мегаватт.

Вообще же, несмотря на широкое распространение, свинцовый аккумулятор — довольно капризное детище электротехники. Он требует чистого электролита, без каких-либо посторонних примесей. Аккуратные мотоциклисты и автолюбители это хорошо знают и потому доливают «банки» всегда дистиллированной водой. Аккумулятор не терпит перегрузок. Если ток разряда чересчур сильный, пластины его разрушаются. Не любит он и перегрева, переохлаждения, глубокого разряда, перезаряда… Корпуса свинцово-кислотных аккумуляторов, изготовленные из стекла или пластмассы, хрупки… Все эти недостатки еще на заре развития аккумуляторов заставляли изобретателей искать замену свинцу. Попыток было много. Большинство безуспешных. Удача выпала на долю Эдисона. После многих опытов американский изобретатель построил железо-никелевый щелочной аккумулятор. В наши дни он используется не менее широко, чем его старший брат.

В нем отрицательный электрод выполнен из пористого железа или кадмия с большой рабочей поверхностью. Положительный электрод — никелевый, окруженный окисью трехвалентного никеля. В качестве электролита используется 21-процентный раствор едкого кали или едкого натра. Корпус чаще всего изготавливается из стали.

Правда, ЭДС щелочного аккумулятора ниже, чем у свинцового (всего 1,4–1,3 В на банку). Коэффициент полезного действия тоже поменьше (всего около 50 %). Да и стоит щелочной аккумулятор дороже. Но… Он хорошо переносит перегрузки. Нечувствителен к избыточному заряду и сильному разряду. Прочен. Легко переносит перегрев и не нуждается в ремонте. А поскольку из щелочных аккумуляторов не выделяются газы, их можно делать герметически закрытыми. Согласитесь, что преимущества весьма впечатляющие. Немудрено, что в наши дни именно эти приборы, с кнопку величиной, широко применяются в фотоаппаратах и транзисторах.

Электричество в «консервах»

В последнее время внимание научно-исследовательских коллективов во всех промышленно развитых странах направлено на разработку новых типов аккумуляторов и супераккумуляторов. Главная задача — повысить энергоемкость: увеличить количество запасаемой энергии на единицу веса аккумулятора.

Сейчас уже известны и широко используются серебряно-цинковые аккумуляторы. В них отрицательный электрод, как и полагается, сделан из цинка, а положительный из окиси или перекиси серебра. А электролитом служит едкое кали. Их энергоемкость раз в шесть больше, чем у свинцовых. Кроме того, они могут работать при достаточно низких (до — 60 °C) температурах, давать сильные токи и не боятся долгое время находиться в разряженном состоянии. Но серебро дорого. И потому серебряно-цинковые аккумуляторы применяются лишь в исключительных случаях.

Проблема создания энергоемких аккумуляторов приобретает особое значение в связи с бурным развитием транспорта. Автомобили пожирают запасы дорогостоящего горючего и загрязняют атмосферу. Между тем еще в 1898 году француз Ж. Шасслу-Лоба достиг на электромобиле скорости 63 ^км/_ч. А через год гонщик К. Иенатци установил мировой рекорд скорости на суше в 105,9 км/ч на машине, снабженной аккумуляторной батареей массой около двух тонн.

Первый пригодный для эксплуатации русский электромобиль был построен инженером И. В. Романовым в 1902 году в Петербурге. А в Чикаго в начале века количество электромобилей примерно вдвое превосходило количество машин с бензиновыми двигателями. В чем же дело? Почему до сих пор автомобилестроители не перешли на экологически безвредную электроэнергию?

Увы, главная проблема как раз и заключается в накопителях, во «вторичных элементах», как называли когда-то аккумуляторы. Ведь современный свинцово-кислотный аккумулятор весом 5,5 килограмма, который стоит на автомобиле, способен накопить и удержать в себе столько энергии, сколько ее заключено… в рюмке бензина!

40 литров бензина — емкость бака обычной легковой машины — эквивалентны по заключенной в них энергии 4,5 тоннам аккумуляторных батарей. А время заряда-заправки? 40 литров бензина вы зальете за пять, ну, за десять минут. Перезарядка же аккумуляторов длится часами.

Современные электромобили не вписываются в общий темп существующего дорожного движения. Они медленно разгоняются и трудно берут подъемы. Дальность пробега между перезарядками 50–60 километров. А максимальная скорость не больше 80 ^км/_ч. Пока электромобили не конкурентоспособны. Что же делается для того, чтобы вывести их на должный технический уровень?

Те из вас, кто следит за новинками техники, наверняка уже не раз слышали или читали о серно-натриевых или серно-литиевых супераккумуляторах, которые разрабатывались некоторыми фирмами. Натрий — металл, обладающий высокими энергетическими свойствами. В рабочем состоянии и натрий и сера нуждаются в подогреве, чтобы перейти в расплавленное состояние. Их разделяет сосуд из пористой керамики, изготовленной на основе алюминия. Главное свойство сосуда — его способность пропускать только ионы натрия. Для ионов серы и для атомов обоих химических элементов керамическая мембрана — непреодолимый барьер. Таким образом она играет роль как бы твердого электролита. Но хотя натрий и сера плавятся при температуре 97-119 °C, для успешного протекания электрохимической реакции нужен подогрев до 300 °C, не меньше. Правда, серно-натриевый аккумулятор требует постороннего источника тепла только для начала работы. Потом необходимая температура поддерживается за счет тепла, выделяющегося в ходе химической реакции.

Удельная емкость такого супераккумулятора раз в десять, а то и в двенадцать превосходит ту же характеристику свинцово-кислотного. Сернонатриевый элемент дешев. Применяемые в нем материалы не дефицитны. Во время работы из него не выделяются газы, значит, его можно герметизировать. А если добавить к этому еще и простоту заряда, то может показаться, что решение проблемы у нас в кармане. Но попробуем перечислить и недостатки. Сера и натрий огнеопасны. А перед работой аккумулятор необходимо подогревать. Едкие вещества легко разъедают — коррозируют — герметическую оболочку. А ведь натрий так жадно соединяется с водой, что реакция подобна взрыву. Да и расплавленная сера при контакте с воздухом образует ядовитый сернистый газ. Так что, несмотря на герметичность, такой аккумулятор требует большой осторожности при эксплуатации.

Очень похож на только что описанный элемент и хлорно-литиевый аккумулятор, удельная энергоемкость которого еще выше. Но у него серьезным недостатком является ядовитость хлора. А ну как прорвется он где-нибудь! Конечно, бензин тоже не такое уж безобидное вещество, особенно если поблизости есть открытый огонь. Но к свойствам бензина все привыкли. А вот к характеру натрия и лития, хлора и серы относимся пока настороженно.

Специалисты считают, что пока супераккумуляторы еще не могут найти реального применения в обычной технике. Но они разрабатываются, постоянно совершенствуются и считаются весьма перспективными.

В научных журналах нередко появляются сообщения о создании опытных образцов и разработок очень любопытных аккумуляторных батарей. Вот, например, одна из них — литиево-никельгалоидная. В ней работает уже знакомый нам металл литий и неядовитое неорганическое фтористое соединение никеля. Отсутствие газовыделения позволяет и этот аккумулятор сделать полностью герметичным. Он не требует подогрева. Энергоемкость его — на уровне супераккумуляторов, а процесс зарядки длится всего несколько минут. Прекрасно, не правда ли? Но пока этот элемент еще не вышел из стен научно-исследовательских лабораторий. И конкретно говорить о его возможностях рановато.

Разрабатываются воздушно-цинковые аккумуляторы, использующие кислород атмосферы, окисляющий цинковый анод. В них запас энергии будет определяться вообще количеством цинка, способного вступить в реакцию. Пока их еще трудно хранить и у них чересчур малый срок службы. Идея использовать воздух в качестве одной из составляющих системы накопителя энергии, конечно, очень заманчива. Но реализовать ее нелегко.

Интересным и перспективным направлением работ является разработка топливных элементов. Правда, некоторые исследователи считают, что эти системы, занимающие промежуточное положение между гальваническими элементами и аккумуляторами, относятся скорее к электрическим машинам. Они их так и называют: электрохимические генераторы — ЭХГ. В топливных элементах свободная энергия электрохимической реакции переходит непосредственно в электрическую энергию. Вот, например, схема водороднокислородного топливного элемента: газ водород поступает из баллона-термоса, где хранится в сжиженном состоянии, к отрицательному электроду-катализатору. Здесь он ионизуется. Точно так же к положительному электроду поступает кислород. Ионы водорода проходят через ионообменную мембрану, соединяются с ионами кислорода. Образовавшаяся в результате реакции вода — единственный «выхлоп» такого элемента-генератора. Заманчивая перспектива, не так ли?

В качестве топлива может применяться не только сжиженный водород, но и другие вещества. Немало научно-исследовательских лабораторий сегодня работают над тем, чтобы довести водородно-кислородный топливный элемент до промышленного состояния. И есть мнение, что в ближайшее десятилетие нас ожидает здесь настоящая техническая революция.

Белое пятно на карте науки

Недавно в завязавшемся разговоре с приятелями физиками услышал я любопытное суждение: «Самым энергоемким аккумулятором относительно единицы массы была бы шаровая молния…»

Что же это такое? «Шаровая молния — редко встречающаяся форма молнии, представляющая собой светящееся шарообразное или грушевидное тело диаметром 10–20 сантиметров и больше, образующееся обычно вслед за ударом линейной молнии. Существует от 1 секунды до нескольких минут». (Советский энциклопедический словарь. Москва, 1980, с. 1517.)

Не знаю, как вам покажется, но для меня информации в этой статье «не густо». Может быть, попробовать прочитать в том же словаре статью «Молния»? Откроем страницу номер 832… «Молния, гигантский электрический искровой разряд между облаками или между облаками и земной поверхностью, длиной несколько километров, диаметром десятки сантиметров и длительностью десятые доли секунды. Молния сопровождается громом».

Не очень много в этих определениях общего. Да это и понятно. С тех пор как люди перестали видеть в явлениях природы «гнев божий», о шаровой молнии написано множество заметок, статей, книг, и все равно никто из ученых не знает, что это такое.

Вот характеристика этого удивительного явления, составленная по огромному количеству наблюдений:

1. Внутренняя емкость — от 0,1 до 4 кВт·ч.;

2. Время существования — от нескольких секунд до 4 минут;

3. Масса — от 0,5 до 50 г.;

4. Плотность — от 0,0013 до 0,015 г/см³.

Смотрите, какая точность! И все равно никто не знает, что такое шаровая молния. Просто досада какая-то!

Одним из первых ученых, вполне грамотно описавших шаровую молнию, был Доменик Франсуа Араго. Правда, и он больше спрашивал, чем объяснял: «Как и где образуются эти скопления весомой материи, сильно пропитанные веществом молний? Какова их природа?.. По этому поводу в науке существует пробел, который необходимо заполнить».

Эти слова он писал в середине прошлого века, выпуская интереснейшую книгу «Гром и молния». В 1885 году она была переведена и издана у нас в Петербурге.

Араго был уверен, что шаровая молния — это шар с гремучими газами — соединением азота с кислородом, — насквозь пропитанный «веществом молнии». Такой шар, по мнению ученого, возникал в грозовых облаках, заряжался наподобие конденсатора электричеством разных знаков и падал на землю. Изолятором в таком конденсаторе мог служить сухой, уплотненный электрическими силами слой воздуха между заряженными оболочками.

В случае «пробоя» изоляции искра поджигала гремучие газы — и шар взрывался. Если же «пробоя» не происходило, электрическая энергия могла тихо «стечь» с шара — и он так же тихо исчезал.

К сожалению, в гипотезе Араго слова не говорилось о «магниевой материи», игравшей не последнюю роль в жизни шаровой молнии.

Потом было еще много предположений о природе этого загадочного явления. Одни авторы считали, что шаровая молния несет в себе весь запас имеющейся энергии. Другие, напротив, предполагали, что источник ее находится вне шаровой молнии. Может возникнуть вопрос: если положение дел настолько неопределенно, то как могли составить ту конкретную характеристику, которую я привел? Ведь там даны и масса, и плотность, будто шаровую молнию взвесили и пощупали, есть даже энергоемкость… Как ее определили?

В 1936 году в редакцию английской газеты «Дейли мейл» пришло письмо одного читателя из графства Херфордшир. Вот что он писал:

Королевский астроном, которого попросили прокомментировать это письмо, сообщил: «По-видимому, то, что видел ваш корреспондент, представляет собой очень редкое явление, известное под названием… шаровой молнии…»

Это сообщение вызвало интерес среди ученых, и они подсчитали примерную энергию, затраченную на кипячение воды в кадушке. Получилось от одного до трех киловатт-часов. Это в свою очередь позволило оценить удельную энергоемкость шаровой молнии как минимум в 100 кВт·ч.

Интересно, что аналогичный «опыт» наблюдал у нас в Закарпатье близ города Перечина С. С. Мах. «В августе 1962 года, — пишет он в письме, — около 11–12 часов вечера в корыто с водой для скота упала шаровая молния размером с теннисный мяч; она светилась цветами радуги в течение около 10 секунд. Вода из корыта почти полностью выкипела, на дне лежали сварившиеся лягушки. Размер корыта 0,3×2,5 м. Глубина слоя воды — 15 см. В двух других корытах также были обнаружены сварившиеся лягушки».

В этом случае описываемая шаровая молния должна была иметь значительно большую удельную энергоемкость. Ведь масса выкипевшей воды — почти 100 килограмм.

Из чего же должна состоять шаровая молния, чтобы произвести такое действие? Это наверняка не «горючее вещество», потому что тогда оно должно обладать фантастической эффективностью.

Напомню, что даже такое «идеальное горючее», как газ ацетилен, имеет энергоемкость во много-много раз меньше. Ученые выдвигали множество гипотез о природе шаровой молнии. И каждую из них время и новые факты низводили с пьедестала.

Интересны представления о шаровой молнии, развитые советским физиком Я. И. Френкелем в 1940 году.

«Яков Ильич Френкель был человеком, которого просто оскорбляло существование непонятных физических явлений… — пишут И. Имянитов и Д. Тихий в книге „За гранью законов науки“, посвященной шаровой молнии. — Широко эрудированный физик, он обладал удивительной способностью сопоставлять весьма отдаленные области знания и в то же время легко отвлекаться от досадных мелочей, часто заслоняющих основные черты явления».

Он считал шаровую молнию вихрем из смеси твердых частиц дыма и пыли с химически активными газообразными продуктами, которые образуются в результате удара обычной молнии. Такой вихрь из раскаленных частиц ярко светится. А циркуляция ионов в нем приводит к возникновению сильного магнитного поля, которое стягивает весь клубок в шар и способствует сохранению его формы.

И действительно, многочисленные наблюдатели отмечают «любовь» шаровых молний к печным трубам и дымоходам. Есть даже свидетельства появления огненных шаров зимой, во время метелей и снегопадов. Не значит ли это, что для существования шаровой молнии необходимы твердые частицы дыма и сажи, пыли и снежинок?..

После взрыва — разряда шаровой молнии в воздухе остается дымок с острым запахом.

По расчетам Я. И. Френкеля, энергоемкость шаровой молнии как максимум — 0,03 кВт·ч.

Нет, похоже, что теория, основывающаяся на энергии горения газов, для объяснения природы шаровой молнии не годится. Придется вернуться к гипотезе чисто электрической природы этого явления. И такое предположение рассматривалось учеными. В 1960 году появилась статья Е. Хилла, в которой он сравнивал шаровую молнию с миниатюрным грозовым облаком, электрические заряды в котором разделены ударом обычной линейной молнии. В небольшом объеме собираются сгустки электрических зарядов различных знаков. Представим себе, шаровую молнию, состоящую, как матрешка, из вложенных друг в друга разноименно заряженных слоев. У нас получится сферический многослойный конденсатор, энергоемкость которого оказывается очень незначительной, в тысячу раз меньше рассчитанной Френкелем.

Между тем по причиненным разрушениям взрыв шаровой молнии приравнивается к взрыву «от сотен граммов до 20 кг тринитротолуола (тола)». Это весьма солидный заряд взрывчатки. Понятно, что такие свойства шаровой молнии не могли не привлечь к ней внимания тех, кто занят разработкой нового оружия. И в декабре 1960 года в американском журнале «Радио. Электроника» появилась сенсационная статья:

Дальше шло популярное объяснение оригинальной гипотезы выдающегося советского физика П. Л. Капицы, выдвинутой им в 1955 году. Он писал: «Если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».

Однако, поскольку здесь дело касается плазменного состояния вещества, будет, наверное, правильнее досказать историю искусственной шаровой молнии в третьей части книги, после того как читатель познакомится с плазмой поближе. Так я и поступлю. А те, кому не терпится, могут заглянуть сами в третью часть. Поскольку нашу книгу совсем не обязательно читать последовательно, страницу за страницей…

Жарким грозовым днем в июне 1731 года молния ударила в дом одного почтенного купца города Уэкфилда. Услышав грохот, испуганный негоциант вбежал в комнату и обнаружил, что небесный огонь разбил ящик, наполненный стальными ножами и вилками, и разбросал все столовые приборы по полу. Кинувшись подбирать имущество, купец обнаружил, что ножи и вилки оказались намагниченными…

Компасные мастера не раз замечали, что у кораблей, пришедших из дальних плаваний и побывавших в жестоких грозовых бурях, компасные стрелки оказывались перемагниченными. Северный конец указывал на юг, а южный — на север. Это случалось на тех судах, мачты которых принимали на себя удары молний.

Молния, молния… Но ведь молния — это не что иное, как огромная электрическая искра…

7 сентября 1753 года в здании Санкт-Петербургской императорской академии господин профессор Франц Ульрих Теодор Эпинус прочел на конференции трактат «О сходстве электрической силы с магнитною».

Дальше оставалось только доказать и подтвердить на опытах связь электричества с магнетизмом. Только… Но это-то «только» и не удавалось никому из физиков. Английский химик Гемфри Дэви, соорудив гигантский вольтов столб, состоящий из двух тысяч пар пластин, и получив электрическую дугу, обнаружил, что пламя дуги отклоняется магнитом. Но это было не совсем то… Пламя есть пламя.

Уже были найдены многие связи между электричеством и светом, между электричеством и звуком, даже между электричеством и теплом. А вот убедительно показать, что связь электричества с магнетизмом существует, никак не удавалось. Правда, мюнхенский физик Иоганн Вильгельм Риттер утверждал, что всякий вольтов столб есть магнит, поскольку ток от него, пропущенный через серебряную проволоку, делает ее магнитной. Но Риттер пользовался славой гениального, но сумасбродного человека, и к его словам не очень-то прислушивались.

В 1802 году Джан Доменико Романьози — адвокат, получивший кафедру публичного права в Падуе и одновременно увлекавшийся электрическими опытами, — обнаружил отклонение магнитной стрелки током, проходившим по серебряному проводнику. Романьози хотел было описать открытое явление в подробном мемуаре, но так и не собрался.

Похожие результаты наблюдал в своей лаборатории в Генуе профессор химии Джузеппе Моджиони в 1804 году.

А директор Политехнического института в Вене Иоганн Иозеф Прехтль, желая изучить магнитные свойства вольтова столба, подвешивал его на шелковых нитях. Он писал: «…в природе все явления имеют значение или притягательных, или химических действий электричества… так что в сущности магнетизм и химизм суть главные ветви общей науки, электрицизма».

Сегодня даже удивительно читать столь проницательные суждения, во многом соответствующие нашим воззрениям. Но в 1810 году это было лишь мнением, лишенным экспериментального подтверждения. Подобные догадки продолжались до 15 февраля 1820 года.

В тот день в Копенгагенском университете должен был читать лекцию о связи электричества с теплотой профессор Ханс Кристиан Эрстед. Сорокатрехлетний ученый был довольно известной фигурой в Дании. Родившись в семье аптекаря, он получил диплом фармацевта, а потом доктора философии. Его научные интересы были широкими и разносторонними. За интересные работы по получению хлористого и металлического алюминия Эрстед был принят в члены Датского королевского научного общества и стал его непременным секретарем. Он много ездил, совершая научные путешествия по европейским государствам и знакомясь с учеными разных стран.

Эрстед был хорошим лектором и умелым популяризатором науки. Немудрено, что на его лекции собиралось достаточно много студентов. В те годы свободного посещения лекций студенты попросту игнорировали тех профессоров, которые читали плохо или худо знали предмет.

Рассказывая о нагревании проволоки под действием протекающей в ней электрической жидкости, профессор Эрстед подошел к столу, чтобы показать опыт: подключить к полюсам вольтова столба платиновую проволочку и дать желающим потрогать, чтобы убедиться в том, что она стала горячей. Такой опыт в те времена вызывал настоящий восторг очевидцев.

Как случилось, что на столе рядом с нагреваемой проволокой оказался компас, сказать сегодня невозможно. Прибор не имел никакого отношения к теме лекции. И его присутствие здесь было чистой случайностью. Но это была «Великолепная Случайность».

Столь же прекрасным было и то, что один из студентов, которого, по-видимому, не слишком интересовали электрические чудеса с нагреванием, заметил, что при включении гальванической цепи магнитная стрелка почему-то дергается. И надо же было этому студенту задать вопрос о причине обнаруженного явления… Он был, по-видимому, все-таки любознательным молодым человеком. Как жаль, что мы никогда так и не узнаем его имени…

Эрстед даже растерялся от неожиданности вопроса.

— Я не понимаю, господин студент, о чем вы говорите.

— Но я говорю о том, что видел собственными глазами. В момент включения вами, господин профессор, цепи стрелка компаса отклонилась.

— Вы уверены, что это было так? — медленно переспросил Эрстед, оглядывая демонстрационный стол. Он сразу заметил, что один из проводов, идущий от батареи, образовал петлю и лежал на компасе почти параллельно стрелке.

— Но я могу поклясться, что все было именно так! — воскликнул возмущенный недоверием студент и стал продвигаться к столу сквозь группу товарищей.

— Не двигайтесь! — закричал Эрстед. — Я сейчас повторю опыт, ничего не изменяя. Господа, я прошу всех следить за стрелкой и сказать мне, что вы увидите.

Он снова замкнул цепь и едва не оглох от дружного вопля студентов: «Отклонилась!»

Сколько времени Эрстед ждал этого момента! На какие только ухищрения не шел, чтобы обнаружить связь электричества с магнетизмом. А все оказалось так просто…

— Отклонение магнитной стрелки, господа, может быть вызвано единственной причиной… — голос его дрожал от волнения и прерывался, — …электрическим конфликтом, то есть воздействием на магнитную стрелку перемещающейся в проводнике электрической жидкостью.

Пять месяцев спустя из печати вышел небольшой мемуар Эрстеда, озаглавленный «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». В нем было изложено правило, уже очень похожее на формулировку закона: «Гальваническое электричество, идущее с севера на юг над свободно подвешенной магнитной стрелкой, отклоняет ее северный конец к востоку, а проходя в том же направлении под стрелкой, отклоняет ее на запад».

Но почему все происходило именно так, а не иначе, Эрстед объяснить не мог.

Свой труд, изложенный в небольшом мемуаре, напечатанном на латинском языке, Эрстед разослал во все известные научные общества, в редакции физических журналов и физикам, занимающимся вопросами электричества.

Интересно отметить, что, по мнению Эрстеда, магнитные свойства проводник с током проявлял лишь в том случае, когда находился в нагретом состоянии. Что это — ошибка или ограниченность мышления, привычка просто следовать букве эксперимента и ни шагу в сторону?..

Следом за сообщением Эрстеда появился целый поток сообщений об исследовании нового явления. Опыт Эрстеда видоизменяли, исследовали со всех сторон. Нашли, что холодный проводник, по которому течет электрическая жидкость, также хорошо отклоняет стрелку, как и нагретый. В разных странах физики стали вспоминать, что о сродстве вольтова столба и магнита уже давно велись разговоры и открытие Эрстеда вовсе не так уж и ново. Нашлись и такие, что утверждали, будто бы проделывали аналогичный опыт и не раз получали сходный результат, но не обратили, дескать, на него внимания…

В том-то и заключалось и заключается величие таланта. Мало поставить удачный опыт и обнаружить неизвестный до того эффект. Нужно еще осознать важность своей находки!..

«Наш великий Ампер»

Доменик Франсуа Жан Араго был удивительным человеком. На его долю в жизни выпало столько приключений, что их хватило бы на толстый роман. И вместе с тем Араго был серьезным ученым.

Прежде всего он был, пожалуй, астрономом. С 1830 года он — непременный секретарь Парижской академии наук и директор знаменитой Парижской обсерватории. Но еще до того он увлекался оптикой — исследовал законы света вместе с Френелем.

В 1820 году в Женеве Араго увидел на собрании натуралистов повторение опытов Эрстеда. И конечно, тут же решил познакомить с ними своих соотечественников. Вернувшись домой, он собрал нехитрую установку с вольтовым столбом и продумал программу экспериментов.

Чтобы стрелка компаса легче вращалась, понадобилось подпилить железную опорную иглу. Работа несложная.

И вот цепь замкнута и магнитная стрелка отклоняется от серебряного проводничка, подключенного к вольтову столбу. Но что это? Какая-то грязь?.. Араго протирает серебряный проводник и снимает с него налипшие железные опилки. Однако стоит ему положить проводник на стол, как опилки вновь налипают на него…

Араго выключает ток, и опилки осыпаются с серебряной проволоки. Включает — и они снова облепляют ее, будто серебро стало магнитом. Серебро — магнитом! Чудо! Счастливое открытие! Араго сразу же осознал его важность. Немагнитный в принципе серебряный проводник, когда он подключен к вольтову столбу, становится магнитом! Интересно! Очень интересно!! Но почему?

Снаружи раздался стук. У порога стоял дурно одетый человек — обвисшие поля шляпы, мятый камзол. Это Ампер, академик Андре Мари Ампер — самый гениальный и самый рассеянный из его друзей. Пыль на его башмаках — доказательство того, что он уже давно вышел из своего дома на улице Фоссе де Сен-Виктор и бродил по Парижу или по его предместьям, не разбирая дороги, как всегда, погруженный в свои мысли.

— Входите, входите, мой друг! — В голосе Араго звучала неподдельная нежность. Он искренне любил этого нескладного и такого несчастного человека, вечного отшельника и глубокого мудреца. — Входите и давайте вашу шляпу. Я ее положу здесь отдельно от других, чтобы вы не спутали… — Араго вспомнил тот случай, когда после бурных споров по вопросам метафизики в одном из парижских домов Ампер схватил по рассеянности треуголку присутствовавшего священника и ушел в ней домой, оставив духовному отцу свою круглую шляпу.

Ампер улыбнулся.

— Вы жестоки. А я-то бежал к вам, чтобы рассказать, к каким замечательным выводам пришел, обдумывая опыты Эрстеда… Вы знаете, его открытие знаменует собой начало новой эпохи в электричестве — электричестве не статическом, неподвижном, а, наоборот, движущемся, выливающимся из гальванических батарей, подобно потокам…

Араго проводил друга наверх в лабораторию и усадил в кресло.

— Я вижу, что и вы не чужды гальваническим увлечениям? — лукаво спросил Ампер, кивая на приборы и вольтов столб, приготовленные на столе.

— Вы правы. Я воспроизвел опыт Эрстеда и, как мне кажется, обнаружил новое, никем доселе не замеченное явление. Может быть, оно заинтересует вас?..

Он замкнул цепь и приблизил проводники к опилкам. Тотчас же они облепили проводники и ощетинились, как иглы. Ампер протянул к цепи руку. Араго выключил ток, и опилки легким дождем ссыпались в ладонь Амперу…

— Прекрасно! — Ампер вскочил с места. — Это только лишний раз доказывает, что я прав. Покоящиеся заряды не взаимодействуют с магнитной стрелкой. Но стоит им прийти в движение, и они превращают серебряный проводник в магнит. Провод — в магнит! Превосходно! — Он на мгновение задумался. — А как вы думаете, станут взаимодействовать два провода с текущими в них потоками зарядов, как магниты?..

Он уже не ждал ответа. Мысль его заработала. Глубоко внутри началась та таинственная, никому не ведомая работа, результатом которой бывает озарение и новые идеи…

Ампер стремительно шагал по набережной Сены, находясь в том счастливом состоянии духа, когда то, о чем так много и упорно думалось, представляется вдруг если еще не совсем ясным, то проступающим и уже понятным в целом, будто наплывающее строение в клубах утреннего тумана, тающего под лучами солнца.

Мальчишки плыли по течению, весело перекликаясь друг с другом. И Амперу вдруг пришла в голову мысль о простом правиле, с помощью которого можно всегда определить направление отклонения магнитной стрелки протекающим током. Он решил его назвать «правилом пловца». Если пустить человека плыть по направлению тока лицом вниз, то северный конец стрелки всегда отклонится под действием этого тока вправо… Браво, Андре!.. А теперь токи… Он оглянулся. Как было бы хорошо начертить все это, поставить стрелки, определить направления… Вот и кусочек мела нашелся в кармане… Какое счастье, что рядом с ним его черная доска…

Парижане — сдержанная публика, когда дело касается чьих-то чудачеств. Но это уж… извините, мсье… Сначала один, потом двое, наконец, пятеро прохожих оглянулись в недоумении на пожилого, дурно одетого господина, который в самозабвении расчерчивал мелом… заднюю стенку чьей-то кареты.

18 сентября 1820 года на заседании Парижской академии наук академик Андре Мари Ампер начал свою знаменитую серию докладов по электромагнетизму.

— При самом начале явления, открытые Эрстедом, мсье, — говорил Ампер, стоя на возвышении, — по справедливости названы электромагнитными. Однако в явлениях, о которых хочу говорить я, магнит не участвует. И потому правильнее будет дать им общее название электродинамических…

Первый опыт, на который меня подтолкнули блестящие эксперименты нашего общего друга академика Араго, я проделал с двумя прямыми проволоками, по которым протекает электричество от вольтова столба. И мое открытие заключается в том, что две параллельные соединительные проволоки взаимно притягиваются, когда электричество движется по ним в одном направлении, и отталкиваются, когда направления токов противоположны…

По комнате, где происходило заседание, пролетел шепот. Открытие Ампера было так просто и, как все простое, гениально. Оно вызвало разные чувства у присутствующих. Араго гордился своим другом. Био слушал с неослабевающим интересом, изредка поглядывая на молодого Савара, с которым его связывала дружба. Семидесятилетний Лаплас дремал. Однако было здесь и немало тех, кого с первых же слов Ампера начала снедать зависть.

— Подумаешь, открытие! — говорили они. — Притяжение и отталкивание токов — это не более чем видоизмененное притяжение и отталкивание заряженных тел, известное еще со времен Дюфе…

Ампер живо реагировал на это возражение.

— Одинаково наэлектризованные тела взаимно отталкиваются, два же одинаковых тока притягиваются… и, соприкоснувшись, остаются соединенными, как магниты.

— Но позвольте, — говорили завистники, — в чем же новизна открытия коллеги Ампера? Эрстед доказал действие тока на магнитную стрелку. Но если два тела способны действовать на третье, то они должны действовать и друг на друга… Не означает ли это, что взаимное притяжение и отталкивание проводов суть следствие, вытекающее из опытов все того же Эрстеда?..

И они садились на место, внутренне торжествуя, внешне же притворно сожалея, что слава поспешного открытия их коллеги исчезает, как дым… И снова вскакивал Ампер. Он предлагал сомневающимся вывести из опытов Эрстеда a priori направление взаимодействия токов. А когда этого его противникам не удавалось, садился на место удовлетворенный. И так продолжалось не раз и не два…

Четыре понедельника подряд в октябре 1820 года выступал Ампер с трибуны академии, докладывая о результатах своих исследований. Потом он выступал еще и еще… Он свернул провод в спираль и, пропустив по нему ток, обнаружил, что получившийся соленоид ничем по своим свойствам не отличается от обыкновенного магнита.

— Каждый магнит, мсье, я в этом уверен, — с жаром говорил Ампер коллегам, — представляет из себя множество естественных соленоидов, по которым текут крошечные круговые токи. Именно гальванический ток, циркулирующий в каждой частице вещества, создает ее природный магнетизм. Электрический ток определяет магнитные свойства тела…

Пока оси этих круговых токов ориентированы беспорядочно внутри тела, магнитные свойства не могут себя проявить, ибо в среднем они компенсируют друг друга. Но стоит всем осям по какой-то причине стать параллельными, выстроившись по ранжиру, и тогда железо и сталь становятся магнитами…

Это была настоящая революция во взглядах на природу магнетизма. Фактически Ампер предлагал отбросить всякое представление о невесомых магнитных субстанциях и заменить их действием электрического тока. Резюмируя сказанное, Ампер писал:

«Я свел явления, наблюденные г. Эрстедом, к двум общим фактам.

Я показал, что ток, существующий в самом вольтовом столбе, действует на магнитную стрелку так же, как и ток соединительного провода.

Я описал опыты, при помощи которых я установил притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки под действием соединяющей проволоки.

Я описал приборы, которые предполагал соорудить, и, между прочим, гальванические винты и спирали.

Я указал, что последние будут производить во всех случаях те же действия, что и магниты.

Затем я коснулся некоторых подробностей относительно своего воззрения на магниты, согласно которому они обязаны своими свойствами единственно электрическим токам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных их оси.

Я коснулся также некоторых подробностей относительно подобных же токов, предполагаемых мною в земном шаре. Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям».

Ну, это уж он зря! Да еще так безапелляционно! В зале академии немало сторонников и убежденных приверженцев гипотезы «магнитной жидкости», легко объясняющей природу магнетизма. Первым со своего места поднялся Жан Батист Био. Он ожесточенно напал на высказанные Ампером предположения и предложил опытом, только опытом доказать истинность новой гипотезы. Био грудью встал на защиту «магнитной жидкости», такой привычной и удобной, а главное, наглядной…

Дело заключалось в том, что в то время, когда Ампер занимался изучением взаимодействия проводников с током, Био вместе с двадцатидевятилетним военным хирургом Феликсом Саваром, увлекшимся физикой, исследовал законы воздействия тока на магнитную стрелку. Результатом этих исследований явился важный закон электродинамики, сформулированный, естественно, в привычных терминах представлений о «магнитных жидкостях» или «магнитных субстанциях». Вот прочтите, каким он был в первой редакции: «Если неограниченной длины проводник с проходящим по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от середины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих от провода, и общее действие провода на любой — южный или северный — магнитный элемент обратно пропорциональны расстоянию последнего от провода». Трудная формулировка, согласен. Не вдруг и запомнишь. А уж применять ее и того труднее. Но она была первой! И Био защищал ее, как честь мундира.

Правда, очень скоро старый и мудрый Лаплас проанализировал этот обобщенный, интегральный закон и показал, что в случае не бесконечно длинного проводника, а конечного — так называемого элемента тока — сила этого воздействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Получился тот самый дифференциальный закон Био-Савара-Лапласа, который изучают ребята сегодня в школе.

Амперу трудно было возражать Био, поскольку во многих своих выводах ученый опирался на интуицию. Экспериментальных данных по-прежнему не хватало. И должно будет пройти сорок лет, прежде чем Максвелл сумеет подтвердить правоту Ампера теоретически, а потом уже в нашем веке американские физики Самуэль Джексон Барнетт, Альберт Эйнштейн и нидерландский физик Вандер Иоханес де Гааз найдут пути экспериментального подтверждения сформулированного Максвеллом вывода. В 1821 году Био торжествовал…

В 1821 году, устав от изнурительных опытов, которые он проводил в собственной квартирке на улице Фоссе-де-Сен-Виктор, за столиком, сделанным своими руками, и с неуклюжими приборами, изготовленными сельским слесарем, Ампер заявил, что переходит к составлению теории. В ней он хотел в ясной математической форме описать и привести к единству все многочисленные результаты опытов и электродинамические явления.

Пожалуй, именно с этого момента французы и стали называть этого близорукого и рассеянного чудака Ампера «наш великий Ампер».

К сожалению, период оживления и бурной работоспособности продолжался недолго. Медленно, но верно Ампер впадал в обычную апатию, и прежнее уныние овладевало им еще в большей степени, чем раньше. Все труднее бывало браться по утрам за перо. Все ненавистнее становился ему задуманный капитальный труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опытов». Ему не хотелось даже читать. Насколько в детстве и в юности любил он книги, настолько теперь чувствовал к ним отвращение. Ничто не могло пробудить его интереса, ничто не способно было увлечь. Ко всему прочему добавились еще и страдания от сильной стенокардии.

Еле-еле закончив книгу свою, он оказался неспособен даже разбить текст на главы и параграфы и дать оглавление. Последние годы своей жизни Ампер провел в ужасном состоянии.

Трудная жизнь гения

Он родился 22 января 1775 года в городе Лионе, в семье Жан-Жака Ампера и Жанны-Антуанетты Сарсей-де-Сютьер. Отец его был торговцем. Но вскоре после рождения сына Жан-Жак оставил свое дело и переселился в небольшое имение близ Лиона. И здесь у его маленького сына стали одна за другой раскрываться способности. Например, он считал, не зная цифр и не умея писать. При этом он пользовался камешками, бобами. А когда у него их отнимали — сухариками…

Многим может показаться удивительной игра ребенка в арифметические вычисления. Но Араго в биографии Ампера пишет: «Я знаю, правда, не школьника, но отличного ученого, который в наших академических заседаниях часто перемножает большие числа; однажды я удивился его занятиям, и мой товарищ сказал: „Вы забываете удовольствие, которое я испытываю, когда деление не открывает ошибки в моем умножении“».

В конце концов такое занятие ничем не отличается от разгадывания кроссвордов, пасьянса или рисования квадратиков на листе бумаги. Разве что требует чуть большего воображения.

Научившись читать, Ампер обнаружил в отцовской библиотеке двадцатитомную «Энциклопедию» и прочел ее всю от корки до корки, все статьи в алфавитном порядке. Детская память крепка, и много лет спустя, уже в зрелом возрасте, Ампер часто поражал друзей своей эрудицией и осведомленностью в самых разных областях знаний.

Прочитав в «Энциклопедии» легенду о Вавилонской башне, о том, как бог смешал языки, чтобы люди перестали понимать друг друга и никогда бы не достроили башню до неба, Ампер решил, по примеру Лейбница и Декарта, восстановить древний единый язык человечества. Это была нелегкая задача, но юноша отлично справился с ней. Он «изобрел» всеобщий язык, написал его грамматику и словарь и даже сочинил поэму на этом языке. Причем многие, слышавшие ее, утверждали, что новый язык Ампера отличался благозвучием и красотой.

В 1793 году Амперов постигло страшное несчастье. Глава семейства, занимавший должность мирового судьи в Лионе, был в ходе революционных событий казнен как аристократ и враг народа. Восемнадцатилетний сын его тяжко переживал смерть отца. Казалось, он потерял рассудок. Более года он был абсолютно безучастным ко всему происходящему вокруг него, оставаясь немым, «смотрел на окружающее без глаз и без мысли».

Но однажды в руки Ампера попалась книга Жан-Жака Руссо «Письма о ботанике» и несколько стихов Горация, он вдруг ожил. В юноше пробудилась задремавшая было любознательность.

Он с прежней страстью принялся за изучение латинского языка, античных поэтов и… ботаники.

Ампер был чрезвычайно близорук. Даже близкие предметы казались ему размытыми тенями без определенных очертаний. Он представления не имел о красоте окружающей природы. И вот как-то во время поездки в почтовой карете он взял в руки очки случайного попутчика и водрузил их на нос. Случайно они оказались ему впору. И перед молодым человеком раскрылся мир во всей своей величественной прелести. Трудно описать восторг, который охватил его…

Ампер снова вернулся к математике. В Лионе образовался дружеский кружок из любознательных молодых людей, собиравшихся для того, чтобы обсудить волновавшие умы научные проблемы.

Характер Ампера был крайне неуравновешенным и столь же широк диапазон интересов. Часто из одной крайности он кидался в другую. Так, уже став профессором математики в Бурге, он написал интересное рассуждение о будущем химии. Однако сложные политические обстоятельства 1801 года испугали его. Смелые предсказания стали казаться ему греховными. Он впал в мистицизм и начал обвинять себя в преждевременном открытии тайн. Счел это внушениями сатаны и бросил свое сочинение в огонь…

В Париже жизнь его текла беспорядочно. Не имея средств, Ампер вынужден был искать работу и получил должность университетского инспектора. Далекий от реальной жизни, он должен был ездить по департаментам, инспектировать и писать длинные отчеты о расходах на мебель, губки, мел и тому подобные мелочи. Ампер не был в состоянии довести даже собственную рукопись до вида, пригодного к набору. А между тем чиновники требовали от него точности и аккуратности в отчетах, в которых он не видел никакого смысла.

И вообще, если не считать занятий наукой, все существование Ампера в Париже было сплошным несчастьем. Умирает его жена, оставив мужу трехлетнего сына Жан-Жака. Чтобы дать сыну мать и освободить сестру от забот о малыше, Ампер женится во второй раз. И тут уж ему действительно не повезло. Знаменитый физик, человек глубоко интеллигентный, Луи де Бройль в 1940 году, несмотря на свою обычную сдержанность, охарактеризовал мадам Ампер так: «Вторая его жена оказалась мегерой, а ее родители не лучше».

Ампера буквально третировали в доме супруги, пока он не покинул ее кров, найдя убежище в здании министерства внутренних дел. Лишь купив дом на Фоссе-де-Сен-Виктор, он почувствовал себя в безопасности.

Не радовал ученого и сын. Ампер ввел двадцатилетнего Жан-Жака в модный салон сорокатрехлетней мадам Рекамье — супруги банкира. И молодой человек влюбился без памяти в стареющую красавицу. До самой смерти своей возлюбленной, в течение тридцати с лишним лет, поэт и лингвист Жан-Жак Ампер питал к ней нежные чувства и хранил верность. А старый Ампер мечтал о том, чтобы сын завел собственную семью и женился на дочери его друга по академии Жоржа Кювье…

В мае 1836 года больной и страдающий Ампер выехал из Парижа на юг, в Марсель, чтобы поправить свое здоровье. Однако надежды были тщетны. И 10 июля, после приступа жестокой лихорадки, Ампер скончался. Весть о его смерти была в тот же день передана по марсельскому телеграфу в Париж…

«Что» или «сколько»?

Нельзя сказать, чтобы теория Ампера, несмотря на ее математическую строгость, вызвала всеобщее воодушевление среди физиков и была сразу и повсеместно принята как руководство к дальнейшим исследованиям. Отнюдь!

Прежде всего путаные описания Ампера сильно уступали в строгости его математическим выводам. Но главной причиной было то, что Ампер отбрасывал такие привычные для всех понятия, как магнитные жидкости, заполняющие тела. Он сводил все явления взаимодействия магнитных тел только к «вольтаическим токам». Эти токи окружали, по его мнению, частицы металла чуть ли не наподобие декартовых вихрей…

В то время многие физики стремились выяснить природу таинственного электромагнетизма. Что является носителем электрических и магнитных сил? В учении о теплоте в архив были сданы взгляды о теплороде — материальной субстанции, переносящей тепло. В оптике исследователи сошлись на признании наитончайшего всепроникающего эфира — светоносного невесомого вещества, не оказывающего никакого сопротивления движениям планет. А в учении об электричестве все еще господствовали таинственные электрические и магнитные жидкости с их неясными свойствами и противоречивыми ролями…

Большинство ученых старались вообще не задумываться о природе наблюдаемых явлений, уверяя, что нужно заниматься вопросами только количественной оценки результатов, как это делал Ньютон, и не «выдумывать» причин.

Характерный пример, иллюстрирующий такой метод работы, — создание теории Вильгельмом Вебером. Он рассматривал лишь видимые проявления электромагнитных взаимодействий, не вдаваясь в природу самого взаимодействия. «Законы зависимости сил от заданных физических условий, — писал Вебер, — называются фундаментальными законами, а последние в соответствии с задачами самой физики предназначены не для того, чтобы дать объяснения силам на основе истинных их причин, а только лишь предложить отчетливо сформулированный и практически пригодный общий метод количественного определения сил в единицах измерения, принятых физиками для пространства и времени».

Однако прежде чем перейти к рассказу об открытии первых количественных законов электричества, позволивших перейти к промышленному применению «куриозных» аппаратов и породивших в будущем такую мощную отрасль производства, как электротехника, следует вспомнить еще о некоторых открытиях, совершенных в это же время.

В 1821 году жил в Берлине некто Томас Иоганн Зеебек — врач по образованию. Врачебной практикой он не занимался и, имея средства к существованию, довольно давно вел физические исследования. Имя его было настолько известно в научном мире, что в 1814 году Берлинская академия наук приняла его в состав своих членов.

Зеебек пытался обнаружить действие на магнитную стрелку замкнутого контура из разнородных металлов без включения в него вольтова столба. Он замыкал медную катушку гальванометра висмутовым диском, и каждый раз, когда его рука нажимала на один из контактов, магнитная стрелка чуть-чуть отклонялась. Почему?.. Может быть, влажные руки создавали условия для возникновения «вольтаического тока»?.. Он подложил под пальцы стекло и снова надавил на контакт. Стрелка осталась в неподвижности. Прекрасно!.. Но радоваться было рано. Через некоторое время стрелка все-таки отклонилась. Почему же не сразу, а через некоторое время? Что изменилось и что осталось тем же от того, что он положил под пальцы стекло? Устранен непосредственный контакт спая металлов с пальцами, но там же осталось тепло рук, которое теперь нагревает этот спай с некоторым запозданием из-за стеклянной прокладки… Не тепло ли — причина дополнительного магнетизма, вызывающего отклонение магнитной стрелки?

Через некоторое время Зеебек пишет статью, в которой заявляет, что «теплота, которая сильнее передается одному из мест контакта металлов, является причиной магнетизма». А посему он и дает название открытому им новому явлению «термомагнетизм»!

Зеебек всесторонне исследовал новое явление и обнаружил, что эффект, названный им «магнитной поляризацией», усиливается как с увеличением числа «термомагнитных» пар, так и с ростом разности температур. И в заключение сделал вывод, что даже магнетизм Земли имеет ту же природу, является термомагнетизмом, который рождается от нагревания вулканами сплошного пояса руд и металлов, опоясывающего Землю.

Как только физики узнали о новом открытии, сразу же во многих лабораториях опыты Зеебека были повторены. Эрстед и Фурье пришли к выводу, что это вовсе не термомагнетизм, а термоэлектричество и что Зеебек, исходя из ошибочных представлений, ошибся и в сути явления. Они составили батареи из большого числа металлических пар и наблюдали химическое действие электрического тока, получающегося от батареи. А затем вскоре удалось получить от такой батареи и электрическую искру. Теперь уже сомнений не оставалось: тепло, подведенное к спаю (или контакту) разнородных металлов_i рождало не магнетизм, а электричество. И несмотря на то что первооткрыватель еще долго и упорно сопротивлялся, стараясь доказать свою правоту, явление получило название термоэлектричества.

Через тринадцать лет после открытия Зеебека парижский часовщик, бросивший свое ремесло, Жан Шарль Атаназ Пельтье обнаружил, что в местах спаев двух разнородных металлов, в зависимости от направления тока, тепло либо выделяется, либо поглощается. Явление получило название «эффект Пельтье».

Так новые открытия все ближе и ближе подталкивали ученых к необходимости признания того, что силы природы могут превращаться одни в другие или переходить из одной формы в другую.

С тех пор прошло много лет, но и сегодня пока еще термоэлектрические генераторы используются лишь в качестве маломощных источников электроэнергии. Их устанавливают на навигационных буях, на маяках… Множество полупроводниковых термоэлементов, соединенных между собой, нагреваются солнечным теплом. Тепловая энергия непосредственно переходит в электрическую, но… коэффициент полезного действия таких установок слишком пока мал.

Зато обратный эффект, открытый парижским часовщиком, используется значительно шире. Наверное, наш читатель тоже не раз видел бесшумные холодильники «на полупроводниках». Бесшумные, без движущихся частей и агрегатов, экономичные, но пока… Опять это «пока». Увы, пока еще очень маломощные.

И все-таки у эффекта Зеебека и Пельтье есть будущее. Скорее всего, оно будет сильно отличаться от того, каким оно виделось первооткрывателям новых явлений, может быть, даже от того, каким видим его мы — люди конца восьмидесятых годов двадцатого столетия. Полупроводниковая, криогенная техника в сочетании с термоэлектрическими явлениями еще не сказала свое последнее слово.

Однако давайте не прерывать исторический ход повествования, ведь мы находимся еще только в первой четверти прошлого, девятнадцатого столетия. И новые явления, которые открывают любознательные физики, носят характер «качественного чуда», неожиданности. Люди еще не умеют даже как следует измерять и описывать новые силы. Но чем больше сведений об электричестве и магнетизме накапливалось у исследователей, тем настойчивее требовались для них количественные законы. На повестку дня властно вставал вопрос «СКОЛЬКО?»…

В широко известном сочинении конца прошлого века «Очерк истории физики» Фердинанда Розенбергера в одном из примечаний написано: «Георг Симон Ом (не смешивать с его братом Мартином Омом, знаменитым математиком)…» Прекрасный пример исторической несправедливости современника. Кто из нас знает сегодня «знаменитого математика» Мартина Ома, получившего известность в первой половине XIX века в связи с построением арифметики натуральных чисел? Пожалуй, только специалисты. Тогда как имя Георга Ома знакомо всем ученикам средней школы, начиная с седьмого класса.

Как-то во время поездки в ФРГ, в Кёльне, на одной из боковых улочек, отходящих от площади перед знаменитым собором, на глухой стене бывшей церковной школы, выкрашенной пронзительной охрой, увидел я металлическую плиту с барельефом и надписью, гласившей, что здесь учительствовал Г. С. Ом. Всего-навсего скромная черная доска на глухой стене… Между тем именно Ом дал в руки ученым первый количественный закон электричества. Что мы вообще называем законом природы? Это прежде всего устойчивое, повторяющееся и очень существенное отношение между наблюдаемыми явлениями. Закон, говорил Фридрих Энгельс, это «форма всеобщности».

Законы существуют независимо от нашего желания и даже вообще от сознания людей. Просто мы их еще далеко не все знаем. И вот открытие (точнее — познание) законов природы является главной задачей естествознания. Нужда в количественной оценке разнообразных действий гальванизма ощущалась давно, и многие пытались это сделать. Однако удача улыбнулась скромному учителю математики.

Георг Симон Ом родился 16 марта 1789 года в городе Эрлангене, в семье ремесленника-слесаря. Отец его был достаточно умным человеком, чтобы внушить своим сыновьям любовь к математике и физике с детства…

Окончив гимназию, Ом поступил в университет, но скоро бросил учебу и стал школьным учителем в небольшом швейцарском городке… Из школы в школу, из одного города в другой кочует учитель математики Ом, занимаясь в промежутках между уроками гальваническими опытами. В то время многие физики пытались выяснить, как зависит действие гальванической батареи от качества и от рода металла, из которого сделана проволока, замыкающая ее полюсы. Сделать это было нелегко, поскольку «электровозбудительная сила» любой гальванической батареи быстро падала. Восстанавливалась она лишь постепенно. Такая неустойчивость в работе очень мешала исследователям. И потому, как только Зеебек сконструировал термоэлемент, дававший ток постоянной силы, проблема была решена. Ому о термоэлементе рассказал немецкий физик Иоганн Поггендорф — издатель журнала «Аннален дер фюзик», бывший в курсе всех научных новостей своего времени.

В 1827 году в своей крохотной лаборатории в Кельне Ом соорудил элемент, состоящий из висмутового стержня, впаянного между двумя медными проволоками. Опустив один из спаев в кипящую воду, а другой в мелко наколотый лед, он приступил к опытам. Скоро Ом пришел к выводу, что электрический ток ведет себя точно так же, как водный поток в наклонном русле: чем больше перепад уровней и свободнее путь, тем поток сильнее. Так же и с током: чем больше электровозбудительная сила батареи и меньше сопротивление току на его пути, тем сила тока больше.

Местные физики очень благосклонно отнеслись к результатам работ Ома. Но ни в одной другой стране они известны не были. Профессор прикладной физики Парижской школы искусств и ремесел Клод Серве Пулье в октябре 1831 года сообщил Парижской академии, что открыл количественное соотношение между «электровозбудительной силой», током и сопротивлением. При этом он ни словом не упомянул имени Ома. Но затем вынужден был признать, что читал сочинение немецкого физика о гальванической цепи и что согласен с тем, что Георг Ом сформулировал этот закон первым. Эта довольно скандальная история принесла ту пользу, что вслед за Пулье о работах Ома узнали и другие французские физики. Узнали о его работах и в Англии.

Сам же первооткрыватель количественного закона продолжал оставаться скромным учителем. Лишь в 1833 году он получает место профессора физики в Политехнической школе города Нюрнберга. В 1841 году Лондонское королевское общество наградило Ома почетной медалью. А изобретатель широко распространенного и по сей день прибора — «мостика Уитстона» — Чарлз Уитстон приветствовал Ома, написав, что «наконец-то столь долго господствовавшие туманные представления количества и напряженности уступили место определенным понятиям сил и сопротивлений, установленным Омом». В 1849 году, когда Ому уже исполнилось шестьдесят два года, его пригласили наконец в Мюнхенский университет на должность экстраординарного профессора. И лишь за два года до смерти произвели в ординарные профессоры.

Ом был всю жизнь великим тружеником. К сожалению, его преследовали неудачи. У него был ряд прекрасных работ по акустике. Он установил важный закон о восприимчивости человеческим ухом лишь простых гармонических колебаний. Однако эти труды признания не получили. И лишь через восемь лет после смерти Ома Гельмгольц смог доказать справедливость его выводов.

В конце 40-х годов, задумав создать стройную теорию молекулярной физики, Ом успел написать и издать всего один том своего труда, когда внезапный удар лишил его возможности исследовать и жить.

Через двадцать семь лет после смерти Ома его именем назвали общепринятую единицу сопротивления. Тогда в Мюнхене «дорогому соотечественнику» воздвигли памятник.

Правило Ома оказалось настоящим законом. Все теоретические и опытные проверки показали его точность. И сегодня закон Ома, который гласит, что в замкнутой цепи сила тока прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, является одним из трех китов, на которых стоит электротехника.

Три кита электротехники

Когда преподаватели начинают читать студентам курс «Теоретических основ электротехники», то на самых первых лекциях главное внимание всегда уделяется четкому доказательству трех законов: закона Ома и двух законов Кирхгофа. Они просты, их сегодня нетрудно понять, но лишь к концу курса, который продолжается полтора года (три семестра), студенты постигают всю глубину этих несложных соотношений. Это действительно те три кита, на которых держатся все расчеты электрических цепей.

Студенту Густаву Роберту Кирхгофу только-только исполнился двадцать один год, когда он, получив доступ в лабораторию физики, приступил к самостоятельным исследованиям. Густава Роберта занимал вопрос о том, как течет ток по проводникам различной конфигурации, как распределяется электричество по участкам электрической цепи и какие правила позволят находить распределение токов в разветвляющихся проводниках?..

Нельзя сказать чтобы это были такие уж сложные исследования. Важно было правильно сформулировать и поставить задачу. А потом, обобщив результаты экспериментов, попытаться увидеть закономерности и вывести обобщенное правило — закон. Было бы неверным считать, что до Густава Роберта Кирхгофа эта задача никому не приходила в голову. Для некоторых частных случаев ее решали еще Ом, Ленц и Уитстон. Брались за нее и другие физики и по мере надобности делали требуемые выводы. Но в общем виде ее в 1845 году решил Кирхгоф. Он написал, что «если через систему проволок, связанных между собой произвольным образом, проходят гальванические токи, то:

1. В случае, если проволоки 1,2….,n сходятся в одной точке и токи, направленные к ней, считать положительными, то сумма всех токов будет равна нулю.

2. В случае же, если проволоки 1,2…,n образуют замкнутую фигуру, то сумма произведения тока в каждой из них на собственное сопротивление проволоки должна быть равна сумме всех электровозбудительных сил на всем пути 1, 2…,n».

Окончив Кенигсбергский университет, Кирхгоф примерно через год сформулировал окончательно эти закономерности, и оба его правила совместно с законом Ома легли в «математические основания динамического электричества».

С тех пор прошло больше полутораста лет, и сегодня на экзаменах на вопрос о законах Кирхгофа большинство студентов браво отвечают: «Первый закон: „Сумма токов, притекающих к узлу, равна сумме токов утекающих“. А второй: „В замкнутом контуре сумма падений напряжения равна сумме ЭДС“». Просто, правда? Но это — через сто пятьдесят лет…

Что же касается дальнейшей научной судьбы самого Густава Роберта, то она была вполне благоприятной. Следующий цикл его работ касался главным образом исследований в области теории деформаций, движения и равновесия упругих тел, а также течения жидкостей. Кирхгоф показал себя знающим механиком, защитил докторскую диссертацию и перешел в знаменитый Гейдельбергский университет ординарным профессором. Там он совместно с Робертом Бунзеном положил начало спектральному анализу. А в пятьдесят пять лет возглавил кафедру математической физики в Берлине и написал обширный четырехтомный труд «Лекции по математической физике». Эта книга сыграла большую роль в развитии науки.

Уильям Стёрджен — изобретатель электромагнита

23 мая 1825 года на заседании Британского общества искусств за длинным столом, заставленным различными электрическими приборами и внушительной батареей из вольтовых столбов, сидел высокий джентльмен с военной выправкой и благородным, хотя и несколько грубоватым лицом. Лет ему было за сорок. Скорее всего, его можно было принять за отставного военного.

Когда члены общества собрались, председатель коротко представил гостя: «Мистер Уильям Стёрджен — эсквайр», — и сказал, что мистер Стёрджен любезно согласился показать обществу ряд своих приборов для электромагнитных экспериментов и познакомить со своим изобретением…

После открытия Эрстеда опыты с электричеством и с магнитами вновь стали популярны среди образованной публики. Поэтому собравшиеся не без интереса следили за ловкими руками экспериментатора, демонстрировавшего по большей части знакомые всем и лишь слегка усовершенствованные приборы. Но вот Стёрджен сделал паузу и с некоторой торжественностью открыл большой футляр. Там лежал согнутый подковой черный лакированный стержень из мягкого железа, обмотанный блестящей медной проволокой.

Изобретатель положил прибор на весы. Английская система мер всегда отличалась замысловатостью, и я не стану перечислять фунты и унции, поставленные на другую чашку весов. Общий вес прибора составил что-то около двухсот граммов. Экспериментатор подвесил прибор на штатив и подключил к вольтовой батарее. Концы подковы, обретя магнитную силу, притянули к себе железную полосу. Стерджен стал нагружать полосу гирями: одна, другая, третья… — полоса держится: пятая, десятая… Лишь когда вес притянутого железа в 18 раз превзошел вес самого магнита, груз оторвался.

Это было неслыханно! Как удалось Стерджену так увеличить подъемную силу? Ведь ни один естественный магнит не в состоянии поднять и пятой доли такого груза… И вообще, кто такой этот джентльмен?

Люди становятся чрезвычайно предприимчивыми, если их любопытство задето. К сожалению, не всегда такой интерес направлен на должное.

Прошло всего несколько дней, и ученый Лондон узнал все подробности об изобретателе электромагнита. Оказалось, что Уильям Стерджен родился в семье сапожника. До девятнадцати лет он был практически малограмотен, находясь в обучении у коллеги родителя по цеховой принадлежности. По-видимому, предначертанная судьба не устраивала Уильяма. И в один прекрасный день, улучив момент, парень удрал от благодетеля в Вест-Морленд, где поступил в армию.

Рядовому Стерджену определенно повезло. Сержант, у которого он оказался в подчинении, был начитанным и добрым человеком. Видя тягу молодого солдата к знаниям, он принялся снабжать Стерджена книжками, которые тот читал в свободное время. По-видимому, последнего оказывалось достаточно, потому что Уильям Стерджен не только приохотился к чтению, но и научился ставить немудреные опыты по химии и физике. Более того, со временем он научился разбираться в различных механизмах и в дальнейшем всю жизнь обожал ремонтировать часы.

Очень скоро Стерджен понял, что знаний его слишком мало, чтобы разобраться хотя бы в описаниях экспериментов, помещенных в простых книгах.

И он стал учиться. Учиться с той же настойчивостью, с какой умел делать все.

Минуло почти пятнадцать лет со дня побега из отчего дома. Уильям Стерджен стал отличным механиком, умелым экспериментатором и образованным человеком, знакомым с латынью и естествознанием, с математикой и физикой. Купив на собранные за годы службы деньги токарный станок и инструменты, отставной солдат пробует свои силы в изготовлении приборов для любителей научных развлечений. И добивается определенного успеха. Успех приносит заказы. Заказы ведут к полезным знакомствам. Благодаря поддержке одного из влиятельных ученых Стерджен получает место лектора в военной Академии Ост-Индской кампании.

И вот его первое публичное выступление в Лондоне с изобретенным электромагнитом. Солдат-ученый! Даже для невозмутимого английского общества это не могло остаться незамеченным.

Но что, собственно говоря, открыл Стерджен, что изобрел?.. Об усилении магнитной силы в присутствии мягкого железа знали еще древние греки и римляне. А однорядная катушка, которая проявляла магнитные свойства, стоило пропустить по ней электрический ток, являлась не чем иным, как «соленоидом Ампера». Что же — объединил одно известное с другим известным и за это удостоился мировой славы?

Именно так! Мы не называем его ученым-первооткрывателем. Но в объединении частей известного для получения нового качества лежит суть изобретательства. И здесь Стерджен — подлинный изобретатель электромагнита. Это ему первому в голову пришла мысль согнуть железный прут подковой. Сколько с тех пор прошло времени, а подковообразные магниты применяются до сих пор.

Со временем его имя становится все более и более известным. О нем говорят ученые. О его магните пишут физики. В доме Стерджена появляются первые ученики. И среди них Джеймс Прескотт Джоуль, сын богатого манчестерского пивовара, — один из первооткрывателей в будущем закона сохранения энергии, который не питал склонности к профессии отца.

Стерджен пишет несколько статей и немало раздосадован, когда снобы из «Философикл трансэкшенс» отказываются их опубликовать Он заявляет себя издателем нового научного журнала «Анналы электричества Стерджена», где, к слову сказать, появились и первые статьи Джоуля. Джоуль был талантливым учеником, и его учитель был счастлив этим обстоятельством. Продолжая работы учителя, Джоуль, например, сконструировал многополюсное электромагнитное устройство, весом в 5,5 килограмма, которое удерживало более тонны груза. Это не могло не поражать окружающих.

В 1840 году, когда Стерджену было уже под шестьдесят, манчестерцы предложили ему пост директора своего музея. Место почетное, но не прибыльное. А изобретатель по-прежнему тратил большую часть дохода на электрические и магнитные опыты. Десять лет спустя он умер, так и не дождавшись ни признания, ни почестей. Многим из англичан сегодня даже имя его не знакомо. И только старая надпись на могильной плите напоминает: «Здесь лежит изобретатель электромагнита».

Еще при жизни Стерджена электромагниты захватили воображение людей и стали модой. Изобретатели всех стран и народов пытались чисто опытным путем увеличить их притягивающую силу. Правил для расчетов и конструирования не существовало. Врачи использовали электромагниты для лечения, шарлатаны — для предсказания судьбы, фокусники и любители научных развлечений — для показа чудес.

Одно из первых применений мощных электромагнитов на практике началось с конструированием подъемных кранов на сталелитейных заводах. Это нововведение вызвало сначала целую бурю, поскольку предприниматели тут же уволили рабочих, занятых раньше переноской железа. Правда, со временем кое-кого из уволенных удалось приспособить к делу. И тоже не без помощи электромагнита. В цехах и на проезжих дорогах появились люди с тяжелыми батареями за спиной и с электромагнитами в руках. «Магнитные Биллы», — называли их обыватели. В обязанность «магнитных Биллов» входила очистка улиц и помещений от железного мусора. Особенное значение это стало иметь, когда по дорогам, теряя болты и гайки, побежали первые автомобили.

Стали применять электромагниты и на мельницах для очистки зерна, на рудниках — для разделения полезной и пустой породы.

Во второй половине века свойства электромагнита привлекали внимание военных. В Соединенных Штатах Америки в военном ведомстве проходили опробование два электромагнитных проекта. Один из них заключался в создании сверхсильного магнита для защиты крепостных стен прибрежных фортов от артиллерийского обстрела… Суть проекта заключалась в том, что сверхмощный магнит должен был притягивать к себе вражеские снаряды, отклоняя своей силой траектории их полета. Сегодня такая идея кажется смешной. Но сто лет назад на одном из фортов ее пытались воплотить в жизнь. Под командой бравого офицера матросы соединили рельсами казенные части двух старых осадных орудий, получив внушительную раму в форме буквы «П». Стволы пушек имели не меньше полуметра в диаметре и около пяти метров в длину. На них намотали обмотки из многих миль торпедного кабеля и пропустили по кабелю ток…

Очевидцы рассказывали, что уже за десять миль в открытом море стрелки корабельных компасов теряли уверенность. Однако для притягивания снарядов противника сила магнита была явно недостаточной.

Второе предложение касалось создания магнитного корабля-ловушки. Для этой цели кабелем обмотали целый броненосец и пустили по кабелю ток. Получился плавающий электромагнит со стальным сердечником, который должен был сбивать с толку магнитные стрелки компасов на судах противника. Однако и эта затея потерпела фиаско. Магнитная защита компасов на кораблях легко компенсировала влияние поля корабля-ловушки. Много было всевозможных попыток приспособить магнитные силы для службы человеку. И многое получилось. Оглянитесь вокруг, сколько электромагнитов работает в самых обычных домашних приборах. Тут и телефон, и магнитофон, даже простой дверной звонок… Нет, Уильям Стерджен вполне достоин того, чтобы мы сохранили в своей памяти его славное имя.

Кстати, сегодня вновь вспыхнул интерес к электромагнитным устройствам, предназначенным для ускорения макроскопических тел. Это вполне понятно. Космическим ракетам при запуске приходится тащить с собой наверх огромную массу топлива. Полезный гру: i равен всего нескольким процентам от стартового веса. А нельзя ли придумать устройство, способное зашвыривать в космос снаряды без «накладных расходов»? Речь может идти о пушке.

Читатель наверняка помнит идею Жюля Верна: послать на Луну корабль с людьми, выстрелив его из огромной пушки. Идея неприемлемая в связи с гигантскими перегрузками, которые не вынесет человек. А если без людей?.. Расчеты показывают, что в принципе такая установка может быть создана, если заменить пороховую пушку — электромагнитной… И вот в Канберре лаборатория национального Австралийского университета, работая совместно с американскими лабораториями в Лос-Аламосе и Ливерморе (Калифорнийский университет), а также совместно с фирмой «Вестингауз» построила «рельсовую пушку». Это некое подобие простейшего электромагнитного ускорителя, состоящего из двух проводящих ток рельсов, вмонтированных в трубу, напоминающую артиллерийский ствол. В систему посылаются импульсы электрического тока. Между рельсами быстро движется плазменный разряд — электрическая дуга, подталкивающая вперед «снаряд» из непроводящего материала.

Последнее достижение — выталкивание «снаряда» (им являлся пластмассовый кубик весом в 3 грамма) со скоростью до 10 километров в секунду. Этого уже достаточно, чтобы вывести груз на орбиту. К сожалению, по выходу из канала ствола «снаряд» мгновенно разрушился под воздействием ускорения, которое в 5 миллионов раз превзошло ускорение силы тяжести. Изобретателям придется применить какие-то дополнительные меры, чтобы «сгладить» режим ускорения к концу пути разгона — к выходу «снаряда» из ствола пушки.

«Массовый ускоритель», основанный на явлении выталкивания сверхпроводящего замкнутого тока в «снаряде» под влиянием магнитно-дипольного взаимодействия этого тока с замкнутыми токами мощных катушек, расположенных вдоль ствола и включающихся синхронно, был предложен еще в 1974 году в качестве средства для доставки минералов, руд, богатых алюминием, с Луны. Однако теоретические расчеты показали, что подобные же «массовые ускорители» могут быть построены и на Земле и использоваться для запуска космических аппаратов. Длина таких «пушек» должна быть несколько километров.

Новые устройства могут найти себе применение и в термоядерной физике. Впрочем, у «массовых ускорителей» есть не только сторонники, но и противники. Будущее покажет их целесообразность и рентабельность в технике.

Для нас же важно то, что еще далеко не все возможности электромагнита использованы людьми.

На старом синхроциклотроне

Если выехать из Ленинграда по шоссе на юг, то минут через сорок мелькнет справа на обочине большая бетонная плита с надписью «Гатчина» и с контурным рисунком, на котором у старинной башни с высоким шпилем начертан символ атома. В древней Гатчине находится гордость ленинградцев — Ленинградский институт ядерной физики (ЛИЯФ) имени Б. П. Константинова Академии наук СССР, один из самых молодых исследовательских центров нашей страны. Здесь ведутся фундаментальные исследования по проблемам ядерной физики, по физике элементарных частиц, физике твердого тела, по молекулярной радиобиологии и по проблемам прикладных наук.

Однажды меня и еще двух ленинградских писателей пригласили в институт на «Праздник книги». Ученые, даже те, кто занимается сложными теоретическими вопросами мироздания, любят читать: кто приключения и фантастику, кто исторические книжки о прошлом науки, о политике, о дипломатии и войнах, а кто и «про любовь». Мы втроем и представляли все три вида перечисленной литературы. Прежде чем ехать, мы поставили условие — побывать на ускорителе.

Мне хотелось еще раз осмотреть его огромный электромагнит, поскольку я писал книжку рассказов об электричестве. Товарищи мои интересовались научными буднями физиков.

Вы ведь, наверное, знаете, что ускорители заряженных частиц делятся на линейные и циклические. В линейных ускорителях заряженные частицы летят по прямой, подгоняемые нарастающим электрическим полем. А в циклических ускорителях (в бетатронах и фазотронах, синхротронах и циклотронах, синхрофазотронах и синхроциклотронах) частицы много раз проходят через ускоряющее устройство, двигаясь по круговой орбите в поперечном магнитном поле сильного электромагнита.

Ускорители заряженных частиц находят очень широкое применение как в науке, так и в современной технике. Они используются в ядерной физике и физике высоких энергий, в дефектоскопии, для получения изотопов, для ускорения химических реакций и еще для множества промышленных применений, равно как в медицине и в биологии…

Циклотрон в принципе состоит из трех основных частей: большого и мощного электромагнита, генератора переменного напряжения высокой частоты и вакуумной камеры с небольшим количеством какого-нибудь газа в ней. Раскаленная вольфрамовая нить в центре камеры испускает электроны. Под воздействием не очень большого, порядка тысячи вольт, электрического напряжения они ускоряются и разбивают атомы газа на заряженные частицы — ионы, то есть ионизируют газ. Мощное магнитное поле заворачивает заряженные частицы, и они начинают кружиться в камере. Если теперь надеть на вакуумную камеру два электрода в виде половинок консервной банки и подвести к ним переменное напряжение, то ионы под действием этого напряжения станут разгоняться. Траектории их полета из окружности превратятся в спирали, и на последнем витке частицы можно вывести из циклотрона через какое-нибудь специальное окно и направить на требуемую мишень. Принцип циклического ускорения сегодня, пожалуй, самый распространенный.

Одна из первых таких машин была построена у нас в Советском Союзе, а еще точнее, в Ленинграде, под руководством Игоря Васильевича Курчатова в 1932 году. Это был, конечно, очень скромный прибор. Но, накопив опыт, группа Курчатова взялась за проектирование циклотрона для Ленинградского физико-технического института. Этот ускоритель должен был стать самым большим в Европе. Пуск машины намечался на первое января 1942 года. Но 22 июня 1941 года началась Великая Отечественная война…

По окончании второй мировой войны циклотрон перестал быть новинкой. Появились и другие модели циклических ускорителей.

В Гатчине, где располагался филиал Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе, в 1967 году пустили синхроциклотрон. Его проектированием и строительством руководил профессор Д. Г. Алхазов. Сразу круг исследований института значительно расширился. К работам по ядерной физике, физике твердого тела и физике элементарных частиц прибавились исследования по молекулярной биологии, радиобиологии и генетике. В июле 1971 года филиал института был преобразован в самостоятельный научно-исследовательский институт. И стал называться: Ленинградский институт ядерной физики (ЛИЯФ) АН СССР.

На его-то «старый добрый» синхрофазотрон нас и повели…

Круглое здание, в котором смонтирована атомная машина, с прилегающими к нему корпусами расположено среди зеленого массива. Сосны, трава. Мы прошли через проходную, надели белые халаты. Потом выгрузили из карманов ключи, сняли часы… В противном случае после визита к большому магниту они показывали бы точное время лишь два раза в сутки.

И вот вход в экспериментальный зал синхроциклотрона: предупреждающие световые табло, система кнопок. Невидимые механизмы открывают перед нами «дверь» — в сторону по направляющим рельсам отъезжает глыба тяжелого бетона. Впереди коридор и ярко освещенный зал, огромный, круглый, как цирк. В середине — громадина электромагнит, выкрашенный зеленой масляной краской. Вокруг — бесчисленные приборы. В разные стороны от синхроциклотрона отходят трубы, окруженные измерительной техникой. Это тракты пучков — пути, по которым из камеры выводятся разогнанные частицы. Вот эти голубые трубы — пи-мезонные тракты. А этот светло-серый — мю-мезонный тракт. Здесь летит пучок протонов для медицинских исследований. А вот это — тракт импульсного нейтронного пучка. Сгустки нейтронов проскакивают за 20 наносекунд.

Нано! По-гречески — «карлик», составная часть слов, служащих для обозначения миллиардной доли исходной единицы. Наносекунда — это 0,000 000 001 секунды. Пожалуй, такой промежуток времени так же трудно представить себе, как и энергию синхроциклотрона в один гигаэлектронвольт. Здесь «гига» — соответственно составная часть слова, служащая для наименования единиц, кратных миллиарду. Гигаэлектронвольт — миллиард электронвольт. А «гига», как вы, наверное, уже догадались, происходит от греческого слова «гигантский».

Мы обходим машину вокруг, слушаем пояснения и проникаемся почтением. Старое, но грозное оружие физики. Сейчас в институте строится новый ускоритель, более мощный, более совершенный. Но и этот еще не выходит в отставку, он еще послужит…

Чтобы разрядить сгустившуюся атмосферу пиетета, наш сопровождающий вытаскивает из кармана халата здоровенный гаечный ключ и ставит его торцом на ладонь. Ключ стоит. Более того, когда мы пытаемся его положить, он снова вскакивает, как ванька-встанька… Вот оно проявление мощного магнитного поля, из-за которого пришлось снять часы. Невидимое, неслышимое, неощутимое человеком и вместе с тем такое необходимое для поддержания жизни на планете. Мы так привыкли к проявлению магнетизма в окружающем мире, что порой на вопрос «что это?» отвечаем, пожав плечами: «Обыкновенный магнит». Обыкновенный… Кто из нас с вами думает при этом, что загадка «обыкновенного магнита» до сей поры так и не разгадана учеными.

То, что мы понимаем под магнетизмом сегодня, — это также совокупность явлений, обусловленных магнитным взаимодействием, которое передается и осуществляется с помощью магнитного поля. Сегодня мы знаем, что все вещества в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Это и понятно: электроны, протоны и нейтроны, из которых построены все атомы, обладают магнитными моментами. Но при этом одни вещества внешне магнитных свойств не проявляют или проявляют их слабо (это диа- и парамагнетики), а другие — ферромагнетики — взаимодействуют сильно и могут даже самопроизвольно намагничиваться.

Мы объясняем магнитные свойства вещества на основании законов квантовой механики. Знаем, что магнитные поля существуют у многих космических тел и играют очень важную роль в важнейших астрофизических и планетных явлениях. Магнитные свойства ряда веществ мы широко используем в электро- и радиотехнике, в автоматике и вычислительной технике, в телемеханике, в морской и космической навигации, в геофизических методах разведки полезных ископаемых, наконец, для контроля качества металлических изделий, но… Как и во времена Гильберта и Стёрджена, мы по-прежнему не знаем природы взаимодействия двух магнитов, не представляем механизма взаимодействия магнитных полей.

В 1931 году замечательный английский физик П. А. Дирак опубликовал статью, в которой наряду с фундаментальным квантом электричества — электроном он вводил и квант магнетизма — «уединенный» северный или южный магнитный полюс, который передвигается наподобие элементарной частицы. Это было очень неожиданно. Все ведь привыкли к тому, что любой магнит, начиная от крошечного электрона и до огромного сверхпроводящего соленоида, всегда имеет не менее двух полюсов. Как же может существовать одиночный магнитный полюс — магнитный монополь?..

Но ведь электрические заряды существуют в виде монополей? В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон открыл эту фундаментальную частицу — электрон, — и с тех пор все наблюдающиеся электрические заряды оказывались кратными ее заряду. То есть электрический заряд квантовался.

То же условие предположил Дирак и для магнитного заряда. Теоретически он даже вычислил его величину. Оставалось только найти его экспериментально… Может возникнуть вопрос: а для чего, собственно говоря, так уж необходим нам магнитный монополь? Вернемся на минутку к электрону: развитие его теории способствовало созданию теории относительности. А из нее выросла физика XX столетия — квантовая теория взаимодействий гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых сил. Без электронов не заговорило бы радио, не замерцали бы телевизионные экраны, не защелкали бы ЭВМ системы управления и регулирования, не засверкали бы лазеры…

Подтверждения существования магнитного монополя ждут теории, основанные на точной симметрии между электричеством и магнетизмом. Монополь Дирака подтвердил бы правильность новой физической теории «Великого объединения», которая позволяет три вида взаимодействий — слабое, электромагнитное и сильное — рассматривать с единых позиций. В науке о Вселенной — космологии подтверждение физического существования монополя дало бы основание считать, что наша Вселенная действительно родилась в результате «большого взрыва». Я уж не говорю о практических возможностях. О! Какие невиданные новые источники энергии мы бы построили! Создали бы микрогенераторы и микродвигатели невиданных мощностей. Осчастливили бы медиков и биологов… Да что там говорить. Разве мог кто-нибудь в 1897 году предсказать, к чему приведет открытие крошечного электрона?

Самый первый эксперимент по поискам магнитного монополя был проведен в год выхода дираковской статьи — и неудача! Затем, в начале сороковых годов, повторение попытки — и снова неудача. В 1951 году — тот же результат при поисках монополей в метеоритах, в потоках космического излучения. Позже — поиски в донных отложениях на огромных глубинах Тихого океана, на самых мощных ускорителях в мире… Нет! Нет и нет!..

В 1975 году группа американских физиков под руководством Прайса сообщила, что нашла!! Вроде бы нашла! Как будто нашла следы неизвестной частицы, которая могла бы быть магнитным монополем. Однако и они приняли желаемое за действительное.

В 1982 году в Стенфордском университете на установке СКВИД после двухсот дней наблюдения Бласу Кабрере удалось заметить резкое нарастание тока. Это могло быть лишь в том случае, если через сверхпроводящий ниобиевый контур пролетел монополь… Однако большинство ученых отнеслось к сообщению скептически. А повторить эксперимент не удалось. Значит, открытие по-прежнему не состоялось.

И вместе с тем они должны существовать. Правда, значение массы магнитного монополя определяется в 10¹⁶ миллиардов электронвольт! При такой его величине их не удастся получить даже на ускорителях со встречными пучками — не хватит просто энергии. И все-таки охота за монополями продолжается. И магнит, простой магнит, который нам хорошо знаком, оказывается, еще далеко не раскрыл своих тайн. И кто знает, когда это раскрытие состоится окончательно?

Сегодня вряд ли найдется человек, не слыхавший имени Фарадея. О его открытиях написано много книг. Известны и основные этапы его жизненного пути: от ученика переплетчика к лаборанту, а затем ассистенту профессора Гемфри Дэви и, наконец, к члену Лондонского королевского общества, профессору и директору лаборатории Британского королевского института. И все-таки о жизни самого ученого сказать можно немногое. Внешне она была не очень примечательна. «Великие события, — как писал когда-то Больцман по поводу „тихой“ биографии другого ученого, Густава Кирхгофа, — совершались исключительно в его гстпове». Вот, например, каким вспоминает Фарадея французский химик Дюма:

Я не стану пересказывать биографию Фарадея, что потребовало бы многих страниц и явилось известным повторением работы, уже проделанной ранее другими. Я приведу лишь несколько фактов из его детства и юности. Фактов, сыгравших, как мне кажется, важную роль в жизни этого ученого, поучительных и в наши дни для тех, кто питает склонность к науке.

«Мое образование, — рассказывал Майкл Фарадей, — было самым заурядным и включало в себя начальные навыки чтения, письма и арифметики, полученные в обычной дневной школе. Свободное время я проводил дома и на улице». Когда Майклу исполнилось двенадцать лет, его школьные годы кончились. Так было принято в той среде, к которой принадлежал Фарадей. Вопросы образования вряд ли беспокоили его родителей. Не могли помочь в этом деле советами и дяди Майкла. Хотя один из них «был кровельщиком, другой — сапожником, третий — фермером, четвертый — даже мелким торговцем, это были люди труда, скромные и честные».

«Не остается сомнений в том, что Фарадей вырос среди людей, принадлежащих к обширному классу, живущему тяжелейшим физическим трудом, в условиях, в которых он мог получить лишь немного духовной пищи», — писал биограф ученого, доктор Бен Джонс, в книге «Жизнь и письма Фарадея», выпущенной в 1870 году.

Неподалеку от дома Фарадеев на Бландфорд-стрит находилась небольшая книжная лавка и переплетная мастерская Жоржа Рибо. Сюда и поступил учеником переплетчика Майкл.

Трудно сегодня сказать, когда именно и по какой причине юный подмастерье переплетчика заинтересовался содержанием книг, над которыми работал ножницами и клеем. Впрочем, явление это не исключительное. Среди старых переплетчиков было немало книгочеев и знатоков книги. Но Фарадей, начав читать, вскоре оставил без внимания романы и описания путешествий — естественное «чтиво» для человека его возраста и образования. Больше всего его привлекали статьи из Британской энциклопедии с описаниями опытов и аппаратов для экспериментирования.

Однажды кто-то сдал в переплетную Рибо популярную книжку «Беседы по химии», написанную некой госпожой Марсе. Кажется, она была супругой врача. Книжка попала к Фарадею. Непритязательные опыты, описанные простым и доступным языком, возбудили воображение юноши. Самостоятельный характер и недоверчивость, свойственные возрасту, побудили проверить то, о чем говорилось в книге. Особенно важно это было сделать, когда результат описанного опыта выходил за рамки привычного ожидания. Здесь его мог убедить только факт. «Пожалуйста, не думайте, чтобы я был глубоким мыслителем или отличался ранним развитием, — писал он. — Верил столько же в „Тысячу и одну ночь“, сколько в „Энциклопедию“. Но факты были для меня важны, и это меня спасло. Факту я мог доверяться; но каждому утверждению я мог всегда противопоставить возражение. Так проверил я и книгу г-жи Марсе с теми небольшими опытами, на производство которых у меня были средства, после чего мне пришлось убедиться, что книга соответствует фактам, насколько я их понимал». Так оценивал сам Фарадей значение этой немудрящей книжки в своей жизни.

Как важно вовремя получить именно ту духовную поддержку, которой жаждет сердце. Перевести юношеский нигилизм в жажду познания, показать роль Его Величества Факта и научить добывать факты самостоятельно…

Проверить слова учителя на опыте почти равноценно собственному открытию. Это не значит, конечно, что каждый проделавший дюжину домашних экспериментов к тридцати пяти годам станет членом Королевского общества. Но то, что в будущем он более критично отнесется к чужому мнению, проявит независимость и самостоятельность убеждений, — на это, пожалуй, надеяться можно.

Майкл Фарадей не был исключительным ребенком. Живой и общительный, он отличался от других мальчиков его возраста, может быть, только несколько большей любознательностью, недоверчивостью к словам и упорством самостоятельного характера.

«Мой хозяин, — писал Фарадей, — позволял мне иногда посещать вечерние лекции физики, которые читал господин Татум в своем собственном доме. Я узнал об этих лекциях по объявлениям, вывешенным в окнах лавок, недалеко от его дома. Плата за вход была 1 шиллинг. Брат Роберт дарил мне деньги на лекции».

Фарадей побывал на лекциях блестящего исследователя и талантливого лектора, профессора химии Королевского института сэра Гемфри Дэви и остался в полном восторге от того, что увидел и услышал. К этому времени в его жизни наступила пора больших перемен. Срок ученичества в переплетной мастерской подошел к концу. Майкл перешел к другому хозяину, стал самостоятельным двадцатилетним рабочим парнем и должен был трудиться без всяких скидок и послаблений. Трудовой день не оставлял ему, как и всякому другому английскому рабочему, времени на посторонние дела. И Майкл с тоской смотрел, как химические приборы и электрическая машина, сделанная его руками, покрываются пылью. Он уже не представлял себе жизни без экспериментов. Надо было что-то решать.

В переплетную часто заходил некто по имени мистер Дэне — член Королевского института. Это он снабдил Фарадея билетами на лекции Дэви. Наблюдая за тем, как мается молодой человек, Дэне посоветовал обратиться с просьбой к профессору Дэви: не найдет ли тот для него работу в лаборатории? Майкл с радостью ухватился за эту идею. Для подкрепления своей просьбы и доказательства серьезности намерений Фарадей переписал начисто прослушанные им лекции Дэви, красиво переплел и приложил к письму… Потянулись дни ожидания. Может быть, важный сэр и не ответит на послание переплетчика, как не отвечали другие, раньше… Но вот однажды вечером Фарадея, который уже спал после работы, разбудил стук. Он вскочил с постели, отворил дверь и увидел на Веймонт-стрит прямо перед домом, в котором жил, карету. Лакей подал ему записку. Это было приглашение посетить сэра Гемфри на следующее утро.

Случай помог Фарадею. Во время одного из опытов в лаборатории взрывом обожгло глаза Дэви. И он пригласил Майкла временно поработать у него переписчиком. Можно себе представить, как трудно было молодому человеку потом возвращаться к опостылевшему ремеслу. Но наступил день, когда Дэви уволил своего ассистента, а его место предложил Фарадею.

В том же году осенью Дэви предложил Майклу поехать с ним в качестве секретаря в путешествие по Европе. Майкл с радостью согласился. Его, правда, несколько смущало то, что на первых порах ему пришлось бы выполнять еще и обязанности камердинера сэра Гемфри, поскольку старый слуга ехать отказался. Но в конце концов это были мелочи по сравнению с интересными встречами и множеством блестящих экспериментов, которые производил его патрон в лучших лабораториях Европы. Так прошел год и полтора. Путешествие, возможно, продолжилось бы и дальше, если бы не несносный характер леди Гемфри Дэви. Она умудрялась отравлять существование и мужу, и его ассистенту. И в конце концов вынудила их прервать свои ученые занятия и поездку и возвратиться в Англию.

Надо сказать, что, несмотря на мелкие неприятности, путешествие необыкновенно обогатило Майкла Фарадея. Расширился его кругозор, он познакомился со многими выдающимися представителями европейской науки и получил прекрасную выучку как экспериментатор. По возвращении в Лондон он некоторое время продолжал работать в лаборатории Дэви, а затем стал ассистентом профессора Бранда. И «так покойно, ловко и скромно исполнял на лекциях свою работу, что в то время говорили: „Лекции Бранда текут как по маслу“».

К этому времени относится одно весьма знаменательное событие в жизни Фарадея, сыгравшее большую роль в его дальнейшей деятельности.

Исследователи давно заметили, что пламя зажженного газа или даже обыкновенной свечи часто начинает мигать в такт со звуком. Более того, в определенных условиях пламя само начинает звучать в тон музыки, усиливая воспроизводимые звуки. Эта способность пламени приходить в колебания долгое время оставалась необъясненной, пока профессор Август Делярив не дал своей теории явления.

Проверяя выводы Делярива, Фарадей рядом простых, но очень эффектных и убедительных опытов доказал ошибочность этой теории. «Открытие ошибки в работе опытного исследователя, — пишет в своих воспоминаниях Джон Тиндаль — друг и сотрудник Фарадея, — составляет эпоху в жизни молодого ученого; и когда это обстоятельство, как в случае с Фарадеем, порождает уверенность в себе, оно неизбежно влечет за собою прекрасные последствия».

Фарадей поверил в себя. С этого момента его самостоятельные работы, анализы и исследования по оригинальности замысла и по виртуозности выполнения превосходят все, что делается в Королевском институте. Его авторитет начинает беспокоить даже самого сэра Гемфри Дэви. Стареющий ученый испытывает невольное чувство зависти к успехам своего бывшего ассистента. А Фарадей, почувствовав свою силу, буквально рвется вперед, торопится, подстегиваемый проснувшимся честолюбием, и порой… допускает ошибки…

Рождение электродвигателя

Однажды в лабораторию Дэви, бывшего в ту пору уже президентом Королевского общества, зашел вице-президент доктор Волластон. Его занимала мысль о способе превратить замеченное Эрстедом отклонение электрическим током магнитной стрелки в ее непрерывное вращение. Волластон полагал, что можно получить и обратное действие, то есть вращение проводника с током около магнита. Однако ни один из поставленных им опытов не привел пока к успеху.

Фарадей с интересом слушал беседу ученых. Мысль его заработала, и он тут же предложил идею приспособления иглы к магниту на чувствительном подвесе. Волластон высказал сомнение в успехе. А Дэви, как обычно, предложил: «Попробуйте…» И Фарадей стал пробовать.

Задача, поставленная Волластоном, оказалась труднее, чем думали сначала. Фарадею пришлось еще раз перечитать все, что было написано по этому поводу, и немало поломать голову, прежде чем у него родилась идея установки для эксперимента. Нужна была конструкция, в которой ток действовал бы только на один полюс магнита. Тогда силы взаимодействия заставят проволоку с током совершать вращательное движение.

Тем временем наступили рождественские каникулы. Джентльмены, обладающие достаточным состоянием, разъехались по традиции из Лондона. Фарадей остался едва ли не один в институте. Этим летом он женился на сестре своего приятеля и получил от администрации квартиру больше той, в которой жил раньше. Теперь у него был свой кабинет.

Утром первого рождественского дня после посещения церкви молодая чета вернулась домой. Сара направилась на кухню поколдовать над индейкой и пудингом, а Майкл остался в столовой протирать графины и накрывать на стол. Впрочем, он был чрезвычайно доволен, когда зашедший кузен жены сменил его за этим занятием. Кузен вытащил из кармана маленькую веточку вечнозеленой омелы, и Майкл, по обычаю, поцеловал под нею Сару. Потом он тут же улизнул к себе в кабинет. Там на столе стояла уже почти готовая установка, с помощью которой он надеялся получить желаемое взаимодействие магнита и электрического тока. На деревянной подставке с медным штативом стояла рюмка, унесенная из хозяйства супруги, наполненная ртутью. На дне рюмки лежал кусочек воска, в который был вставлен вертикально небольшой магнитный стержень. Один из его полюсов на полдюйма выдавался над поверхностью ртути. От шарнира в конце поперечины на штативе шел прямой медный проводник, достаточно длинный, чтобы погрузиться в ртуть тоже на полдюйма, и проткнутый сквозь пробку для придания ему плавучести. Рядом с установкой стоял вольтов столб. Фарадей подключил один полюс батареи к сосуду с ртутью, а другой — к медному проводнику. Тот дрогнул и стал медленно вращаться вокруг полюса магнита. Замысел Волластона наконец осуществился! Фарадей перевернул магнитный стержень и снова замкнул цепь. Проволока послушно стала крутиться в другую сторону…

— Сара! Роберт! Посмотрите, посмотрите! — закричал он.

Конечно, ни супруга Фарадея, ни ее кузен не знали физики. Но оба с затаенным дыханием смотрели, как по поверхности ртути, налитой в обычную рюмку, без всяких усилий со стороны Майкла бесшумно вращалась тоненькая проволочка.

Вряд ли и сам Фарадей в ту минуту полностью осознавал все значение содеянного. Ведь перед ним фактически был первый в мире электрический двигатель! Но он, безусловно, понимал, что первым из людей превратил электрическую энергию в механическую.

Не теряя ни минуты, рискуя съесть пережаренную индейку и пригоревший пудинг, он сел и написал статью о своем открытии, а потом отослал ее в редакцию. Через несколько недель статья в том виде и в той редакции, в какой написал ее Фарадей, появилась на страницах журнала.

А спустя еще несколько дней среди членов Королевского института пополз слух, что Фарадей ни много ни мало украл идею доктора Волластона и, не упомянув даже имени вице-президента в своей статье, пытается присвоить себе славу первооткрывателя магнитного вращения. Источником обвинения был как будто сам президент Дэви, который, конечно, несколько сгустил краски.

Фарадей понимал свою оплошность, казнил себя за поспешность и очень переживал. Он пытался объясниться, предпринял множество усилий, чтобы оправдаться и вернуть себе доброе имя. Он поехал к самому Волластону, чтобы принести извинения…

В общем, этот промах дорого обошелся Фарадею. Но зато он на всю жизнь запомнил правила бережного обращения с чужими идеями. И всегда неукоснительно их выполнял.

Он занимается то химией, то физикой, и везде ему сопутствует удача. В 1824 году наступил момент, когда Фарадей вплотную подошел к исполнению заветной мечты — вступлению в члены Лондонского королевского общества. Несмотря на славу искуснейшего экспериментатора, быть принятым в ряды этой почтенной организации оказалось не просто. Лишь после многих хлопот и волнений Фарадей был принят. Текст предложения о его приеме гласил: «М-р Майкл Фарадей, джентльмен, замечательно сведущий в химических науках и автор нескольких статей, опубликованных в „Трудах Королевского общества“, выражает желание стать членом общества; мы, нижеподписавшиеся, на основании личного знакомства рекомендуем его, как человека в высшей степени заслуживающего этой чести, человека, который, вероятно, станет полезным и ценным членом общества». Рекомендацию подписали более двадцати человек. И первыми стояли подписи Волластона и Дэви. Теперь Фарадей мог писать перед своим именем буквы «F.B.S.» — «член Королевского общества».

Познакомившись с работами Фарадея, конструированием электродвигателей занялись многие исследователи. Сначала это были модели, совершающие возвратно-поступательное движение, как в паровой машине. Появились двигатели с качающимися якорями. Но это были малоперспективные направления.

От нового двигателя желательно было получить чисто вращательное движение. И на это были направлены усилия изобретателей.

«Mobilis in mobile»

Помните ли вы, чьим девизом были слова, приведенные в заголовке? Означают они «подвижный в подвижном» и являлись девизом подводного корабля «Наутилус» из бессмертного романа «Двадцать тысяч лье под водой», написанного французским писателем Жюлем Верном в 1867 году. Запомните эту дату. А теперь переберем в памяти некоторые подробности конструкции фантастического «Наутилуса». Длина — 70 метров. Максимальная ширина — 8 метров. Водоизмещение — 1500 тонн…

По сегодняшним меркам — габариты довольно скромные. Но вспоминаем дальше: двойной корпус из стали повышенной прочности позволял подводной лодке погружаться на любую глубину. При этом мощный прожектор разгонял мрак мира безмолвия на полмили вперед. Не поднимаясь на поверхность, «Наутилус» мог пройти до 4000 километров!..

Откуда автор серии романов «Необыкновенные путешествия» черпал технические идеи для своих произведений?..

Однажды настойчивая английская журналистка Мэри Бэллок уговорила Жюля Верна показать ей свой рабочий кабинет, ввести ее в «тайное тайных». Ей пришлось подняться по узкой винтовой лестнице на верхний этаж, где она увидела скромную небольшую комнату со столом, рабочим креслом и кроватью.

— Как, и это все? — удивилась журналистка.

И тогда хозяин дома повел ее коридором, сплошь увешанным географическими картами, и отворил дверь в соседнюю комнату, заставленную книжными шкафами. Это была библиотека. Всевозможные труды по географии и записки путешественников, книги по геологии, физике, химии, по астрономии и технологии бесчисленных производств заполняли шкафы. Тут же находилась великолепная картотека, составленная самим Верном и содержащая интересные сведения по всем отраслям знаний.

Громадный стол посредине был завален газетами, журналами и бюллетенями научных обществ. Когда он успевал все это прочитывать и что мог он найти для фантазий, опережающих время, в научной литературе своей эпохи?.. Между прочим, не так мало… Мы остановились на подводной лодке. Давайте-ка посмотрим, что делалось в мире в этом направлении к 1867 году?..

1863 год. Во Франции спущена на воду подводная лодка, изобретенная капитаном Буржуа и инженером Брюном: 41,5 метра длины, 6 метров ширины и 3,5 метра высоты. Лодка вооружена шестовой миной и благодаря машине, работающей на сжатом воздухе, развивает скорость до 5 узлов. После удачных испытаний и лестных отзывов комиссии лодка сдана порту.

1866 год. В России на Кронштадтском заводе построена и спущена на воду подводная лодка конструкции петербургского фотографа Александровского: длина — 110 футов (33,5 метра), ширина — 13 футов (3,9 метра), высота — 12 футов (3,6 метра). Водоизмещение — 220 тонн. Движение силой сжатого воздуха, который хранился в двухстах газгольдерах. Испытание прошло удачно. Однако, когда в дальнейшем лодку опустили на глубину 14 саженей (примерно 30 метров), обшивка не выдержала и судно затонуло.

Строились в ту пору лодки в Англии, строились в Америке, так что сама идея подводного плавания, как говорится, витала в воздухе. Но что оживляло жюльверновский «Наутилус»? Давайте прислушаемся к диалогу, который ведут между собой капитан Немо и его пленник профессор Аронакс…

«— Тут, господин профессор, я должен буду дать вам некоторые разъяснения, — сказал капитан Немо, — не угодно ли выслушать их?

Помолчав немного, он сказал:

— В природе существует могущественная сила, послушная, простая в обращении. Она применима в самых различных случаях, и на моем корабле все подчинено ей. От нее исходит все! Она освещает, отапливает, приводит в движение машины. Эта сила — электрическая энергия!

— Электрическая энергия? — удивленно воскликнул я.

— Да, сударь.

— Однако ж, капитан, исключительная быстроходность вашего корабля плохо согласуется с возможностями электрической энергии. До сей поры динамическая сила электричества представлялась весьма ограниченной и возможности ее чрезвычайно ничтожны.

— Господин профессор, — отвечал капитан Немо, — способы использования электричества на корабле значительно отличаются от общепринятых…»

Вот, оказывается, в чем дело — электричество! Таинственные, сверхмощные гальванические элементы, использующие, по словам капитана Немо, извлеченный из морской воды хлористый натрий, то есть обычную поваренную соль, в соединении со ртутью. Они давали электрический ток и питали насосы и двигатели, освещали, отапливали и осуществляли вентиляцию подводной лодки наравне с десятками еще других работ.

Впрочем, поскольку капитан Немо был уверен, что его пленник, как и он сам, отныне навсегда связан с подводным кораблем, он не скрывал от профессора Аронакса ничего…

«— Вы видите, — сказал капитан Немо, — я пользуюсь элементами Бунзена, а не Румкорфа. Последние не дали бы мне такого высокого напряжения. Батарей Бунзена у меня не так много, но зато работают они на большой мощности. Электрическая энергия, выработанная батареями, передается в машинное отделение, приводит в действие электромоторы, которые через сложную систему трансмиссий сообщают вращательное движение гребному валу. И несмотря на то что винт в диаметре равен 6 метрам, скорость вращения его доходит до 120 оборотов в секунду.

— И вы развиваете скорость…

— Пятьдесят миль в час.

Тут крылась тайна, и я не настаивал на ее разъяснении. Как может электричество дать столь высокое напряжение? В чем источник этой сверхмощной энергии? В высоком ли качестве арматуры нового образца, в которой индуктируется ток? В системе ли трансмиссий неизвестной дотоле конструкции, способной довести силу напряжения до бесконечности? Я не мог этого понять…»

Электричество! Жюль Верн был убежден, что именно оно «в будущем заменит ветер, воду и паровые двигатели», преобразует технику, коренным образом изменит жизнь общества. Откуда у писателя была такая уверенность? Но попробуем продолжить наши розыски в истории техники прошлого столетия.

На службе второму отечеству

Летом 1839 года праздношатающиеся гуляки облепили набережную Невы, ибо узрели чудо. От Петропавловской крепости отвалила двенадцативесельная шлюпка с единственным пассажиром. Он сидел на корме — плотный невысокий господин в цивильном костюме. Тонкие губы крепко сжаты, брови насуплены. Несколько дружных гребков — и шлюпка на середине реки. По команде матросы осушили весла. Пассажир, сказав несколько слов с сильным немецким акцентом, нагнулся и стал колдовать над ящиком, уставленным стеклянными банками, от которых тянулись толстые провода к машине, соединенной с большими колесами, наподобие мельничных, спущенными с бортов в воду. Шлюпку уже изрядно снесло течением, когда под руками пассажира раздался негромкий треск и колеса завертелись. Повернувшись носом против течения, шлюпка пошла, разрезая свинцовую невскую волну. Пошла сама, против течения!

Так состоялось первое в мире практическое испытание электрического двигателя, который был сконструирован и построен в России и питался от батареи гальванических элементов Грове. Изобретателем двигателя и был тот самый господин на корме. Звали его Борисом Семеновичем Якоби.

Жюлю Верну было десять лет, когда по свинцовым волнам реки Невы поплыла против течения шлюпка, приводимая в движение электродвигателем Якоби. Я не знаю, был ли знаком французский романист с трудами российского изобретателя, но можно предположить, что был. Потому что основные работы Бориса Семеновича Якоби публиковались не только в «Известиях Санкт-Петербургской академии наук», кстати — на французском языке, но были напечатаны и в Германии — в физико-химическом журнале «Анналы», издаваемом Иоганном Поггендорфом, а также были изданы Парижской академией наук.

Исследователи обычно разбивают весь путь технической эволюции электродвигателя на несколько этапов. Самый первый, от опыта Фарадея в 1822 году, охватывает эпоху создания моделей, которые показывали возможность преобразования электрической энергии в механическую. Это, по сути дела, предыстория, заканчивающаяся описанием Якоби практического образца в «Известиях Парижской академии наук» в 1834 году. Начинается оно так: «Г. Якоби из Кенигсберга послал в академию заметку об изобретенной им магнитной машине, в которой магнетизм является движущей силой. Вот описание его машины…» И заканчивалась статья известием, что «сообщение г. Якоби передается на рассмотрение гг. Амперу и Беккерелю».

Мориц Герман Якоби родился в Потсдаме в 1801 году и учился в Геттингенском университете по специальности архитектора. В 1835 году Якоби переехал в Россию на должность профессора гражданской архитектуры в Юрьевском (ныне Тартуском) университете. Однако герра профессора более архитектуры привлекали изыскания в области «приложения электромагнетизма к движению машин». И потому он не колеблясь принял предложение Петербургской академии наук и был прикомандирован к комиссии для «исследования электромагнитных притяжений и законов намагничивания железа».

Это был крутой поворот в жизни «немецкого специалиста». Потому что в отличие от многих других Якоби сразу и навсегда связал свою судьбу с Россией. Он сменил подданство, принял более привычное для русского слуха имя Бориса Семеновича и женился на русской — Александре Григорьевне Кохановской. Тридцать девять лет оставшейся жизни отдал Якоби служению России, считая ее «вторым отечеством, будучи связанным с нею не только долгом подданства и тесными узами семьи, но и личными чувствами гражданина». Так писал он, отвечая на неизбежные вопросы со стороны властей к натурализовавшемуся иностранцу.

В России Якоби встретился с Ленцем. Это был счастливый случай в жизни обоих. Связанные дружбой, оба ученых бок о бок трудились в новой, развивающейся области науки об электричестве. Ленц, как мы назвали бы его сегодня, был теоретиком. Якоби — экспериментатором и очень изобретательным человеком.

Казалось бы, после такого блестящего начала, каким явилось испытание двигателя на Неве, от Якоби следовало ожидать дальнейшего совершенствования и усовершенствования своего двигателя. Тем более что слава о нем прокатилась по всей Европе. Однако, дав подробное описание конструкции и принципа работы двигателя, Якоби обстоятельно проанализировал его экономическую эффективность и… пришел к выводу о нецелесообразности его применения. Паровая машина пока что побеждала.

Нет, конечно, Борис Семенович был убежден, что гальваническая батарея со временем станет и более надежной, и более дешевой установкой. Он сам много сил приложил, исследуя разнообразные химические элементы. Но трудностей на пути к конкурентоспособному по сравнению с паровой машиной электрическому двигателю в своей статье не скрывал. Это обстоятельство изрядно поохладило пыл тех, кто питал необоснованные иллюзии о возможности беспредельного увеличения полезной работы электрического тока за счет совершенствования магнитоэлектрических машин. Но о том речь дальше…

Занимаясь поисками более надежных источников питания для своего двигателя, Якоби обратил внимание на то, что слой меди, оседающей на электроде, нарастает исключительно равномерно, повторяя в точности все неровности и все царапинки на поверхности электрода. При этом осажденный слой было довольно легко отодрать. Счастливая мысль поразила Бориса Семеновича. Он снял медную табличку с входной двери, на ней было выгравировано его имя, сунул на место медного электрода и скоро получил точное негативное изображение надписи. Он взял тяжелый медный пятак и получил оттиск с одной и другой стороны. Это было чудесное открытие. И очень своевременное. Дело в том, что в России готовилась реформа перехода на денежную систему ассигнаций взамен кредитных билетов. И дело затягивалось изготовлением точных клише, таких, какие не могли бы оказаться подделанными фальшивомонетчиками. Изобретение Якоби снимало проблему. Изобретатель получил возможность организовать мастерскую гальванотехники. В заказах недостатка не было. Статуи и барельефы для Исаакиевского собора, для Зимнего дворца, для Большого театра в Москве, для Петропавловского собора и других зданий. На электродах гальванопластических ванн оседала не только медь… Более 45 пудов золота пошло на золочение куполов соборов Санкт-Петербурга и храма Спасителя в Москве, все эти заказы выполнили мастерские гальванопластики. А Якоби, чтобы познакомить со своим изобретением европейских ученых, сделал гальванопластическую копию с металлической пластинки, на которой было выгравировано: «Фарадею от Якоби с приветствием». Копия поехала в Англию, в адрес «короля физиков», откуда скоро пришел ответ: «Меня так сильно заинтересовало Ваше письмо и те большие результаты, о которых Вы даете мне такой обстоятельный отчет, что я перевел его и передал почти целиком издателям „Философикал мэгэзин“ в надежде, что они признают эти новости важными для своих читателей…»

Фарадей не ошибся. Мастерские гальванопластики стали возникать во всех странах. А отчет Якоби, представленный на Всемирной выставке 1867 года в «Записках Академии наук», оказался едва ли не самым популярным экспонатом.

Заслуги Бориса Семеновича Якоби в области электротехники весьма значительны. Он создал целый ряд приборов, в которых к тому времени нуждалась наука и развивающаяся промышленность. Среди них телеграфный аппарат и линия связи между Зимним дворцом, Царскосельским дворцом и Главным штабом; изобрел способ гальванопластики, первый электродвигатель. Наконец, во время Крымской войны он разработал новый метод подрыва мин с помощью магнитоэлектрической машины. Большая жизнь всегда знаменуется большой работой, и «второе отечество» сделало все, чтобы имя Якоби не оказалось забытым…

Великое открытие

С момента открытия Эрстедом влияния электрического тока на магнитную стрелку исследователей стала преследовать мысль: а нельзя ли решить и обратную задачу: превратить магнетизм в электричество? Во Франции над этой задачей ломали себе голову Ампер и Араго. В Швейцарии — профессор механики Женевской академии Жан Даниэль Колладон. В Америке — молодой физик Джозеф Генри, известный как создатель одного из самых сильных электромагнитов в мире. В Англии над той же проблемой бился Фарадей.

Сегодня, когда мы читаем, что крупнейшие ученые бились над тем, что так легко получается в школе на уроках физики, в душу проникает сначала недоумение, а потом может родиться и пренебрежение к тем, кто за постановку простого школьного опыта был удостоен звания «Великий ученый». Здесь имеет смысл объяснить, что в те времена поставить дюжину опытов вовсе не означало двенадцать раз взять необходимые приборы, катушки с проводом и магниты, составить нужную электрическую цепь и записать значения отклонений стрелок на приборах. А потом на основании известных законов рассказать, что в этой цепи происходит.

Во времена Фарадея все обстояло не так. Мало того, что экспериментатор должен был придумать сам опыт. У него не было никаких приборов. Их тоже предстояло изобрести. В лабораториях мира не существовало даже изолированной проволоки. И никто ни малейшего представления не имел о тех законах, по которым должно развиваться электрическое воздействие и реакция электрической цепи. Все это предстояло еще открыть.

Первым Ампер предположил, а потом и доказал, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Так он объяснил причину эффекта, обнаруженного Эрстедом. Исследователи сразу подумали: если постоянный ток в проводнике наводит постоянное магнитное поле, то почему бы постоянному магнитному полю не навести в проводнике постоянного тока? Надо только найти правильное расположение того и другого и подобрать достаточно сильный магнит…

Сегодня, пожалуй, каждый знает, что, будь это именно так, мы получили бы вечный двигатель, работающий без потребления энергии. А это абсурдно. Из ничего — ничего и не бывает. Но это знаем мы с вами 150 лет спустя. А тогда даже закон сохранения энергии еще вовсе не казался столь уж безоговорочным.

Установить в наши дни, кто первым заметил эффект наведения тока в проводнике магнитным полем, довольно трудно. Рассказывают, что швейцарский профессор Колладон, намотав две обмотки на один каркас и включив во вторую гальванометр, заметил, что стрелка прибора дергается при включении в первичную обмотку электрической батареи. «Может быть, что-то трясет прибор?» — подумал Колладон и… отнес гальванометр в другую комнату. Теперь, замкнув рубильник, он вынужден был ходить из одного помещения в другое. И когда доходил до прибора, стрелка всегда мертво стояла на нуле.

Некоторые историки науки уверяют, что американец Джозеф Генри первым заметил, как при движении магнита возле проводника в проволоке появляется электрический ток. Он даже собирался написать об обнаруженном явлении статью. Да все откладывал, поскольку именно в это время вел переговоры с Принстонским колледжем, где собирался занять место профессора физики… И упустил время. В Америку пришел журнал со статьей Фарадея…

Майкл Фарадей поражал окружающих своей аккуратностью. Каждый из своих опытов он подробно записывал в дневник, рисовал схему и составлял выводы, которые удавалось сделать. Записав еще в 1822 году: «Превратить магнетизм в электричество», Майкл не раз возвращался к этой мысли, придумывал то один опыт, то другой. Очевидно, он знал, что этой проблемой интересуются и другие экспериментаторы, потому что в 1831 году принялся за нее вплотную и работал как одержимый. Каждое утро он в одно и то же время являлся в лабораторию. Его ассистент отставной сержант артиллерии Андерсон спрашивал: «Будем ли мы сегодня работать, мистер Фарадей?» — и, получив неизменно утвердительный ответ, отправлялся готовить инструменты и приборы.

Джон Тиндаль, многие годы друживший с Фарадеем, писал о качествах характера ученого: «Самым выдающимся из них была любовь к порядку. Самые запутанные и сложные вещи в его руках располагались гармонически. Кроме того, в прилежании к труду он выказывал немецкое упорство. Это была порывистая натура, но каждый импульс давал силу, не позволявшую ни шагу отступить назад. Если в минуты увлечения он решался на что-нибудь, то этому решению оставался верен и в минуты спокойствия». Наверное, потому, поставив однажды перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество», он девять лет спустя все-таки ее решил.

В то утро 29 августа 1831 года он, как и раньше, включил батарею в приготовленную Андерсоном катушку и зафиксировал толчок, который испытала стрелка гальванометра, включенного во вторичную обмотку. Толчок — и стрелка на нуле. При выключении то же самое, только стрелка отклонялась в другую сторону. В чем тут дело?

Вместе с Андерсоном он тщательно проверил установку. Но никаких причин для странного поведения стрелки не обнаружил. Тогда он решил изменить условия опыта. Заменил батарею заряженной лейденской банкой. А обмотки Андерсон намотал на кольцо из мягкого железа. При наличии железного сердечника толчки стрелки стали гораздо сильнее. Фарадей снова и снова изменяет условия экспериментов и постепенно приходит к определенному выводу. Причина наведения — индукции — тока во вторичной обмотке заключается в движении магнита. Именно в движении! Он бросается к дневнику: «Электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Это было решение! Решение задачи, поставленной без малого десять лет тому назад. Андерсон с неодобрением смотрит, как его сорокалетний шеф — вы подумайте, такой солидный человек! — пляшет в лаборатории нечто напоминающее зажигательную ирландскую джигу.

Железное кольцо с двумя обмотками явилось прообразом будущих трансформаторов, без которых электрификация нашей эпохи вряд ли была бы вообще возможна. Впрочем, мы еще встретимся с этой проблемой.

Рождение генератора

Фарадей прекрасно понимал значение сделанного им открытия. Он заключил, что когда постоянный ток проходит по первичной обмотке, сама она, как и вторичная обмотка, приходит в особое «электротоническое» состояние. По-видимому, думал он, это есть «состояние напряжения и может быть рассматриваемо как эквивалентное току электричества, по крайней мере равное тому току, который получается, когда это состояние индуцируется или прекращается…».

Не удивляйтесь туманности и некоторой неловкости формулировок, помните, что не только еще не было терминологии, но и сам эффект, наблюдаемый ученым, был вовсе не так ясен, как сейчас.

Идея электростатического увлечения зарядов в соседнем проводнике была во времена Фарадея чрезвычайно распространена среди физиков. Ведь и Ампер в 1822 году пришел к ошибочному выводу, что «ток электричества стремится возбудить в проводниках, около которых он проходит, ток электричества одного с ним направления».

Девять лет спустя Фарадей на опыте убедился, что возбужденные токи имеют противоположное направление первичным. И к тому же возникают в виде импульса, короткого броска… Ах, сколько мучений доставили Майклу Фарадею попытки сформулировать общее правило для направления индуцированных токов. Он публикует два правила: 1) гальванический ток вызывает в приближаемой к нему параллельной проволоке ток противоположного направления, а в удаляемой — ток того же направления; 2) магнит вызывает в перемещающемся возле него проводнике ток, зависящий от направления, в котором проводник в своем движении пересекает магнитные линии.

Год спустя молодой профессор Петербургского университета Э. X. Ленц заметил, что Фарадей дал два правила для одного и того же явления. «Сейчас же по прочтении статьи Фарадея, — писал он, — я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то этим самым будут определены и первые… Мое представление оправдалось на ряде опытов».

И дальше Ленц формулирует свое правило: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Сегодня это замечательное правило, сыгравшее огромную роль в истории электричества, формулируется проще: «Индукционный ток имеет такое направление, что его магнитное поле препятствует изменению того магнитного поля, которое вызвало появление индукционного тока».

Между тем Фарадей форсирует работу в лаборатории. Его эксперименты становятся удачнее и яснее. Он вспоминает загадочный опыт Араго, показанный в 1824 году, и глубоко задумывается… «Если вращать медный диск вблизи магнитной стрелки или магнита, подвешенного таким образом, что он может вращаться в плоскости, параллельной плоскости диска, то магнит стремится следовать движениям диска; при вращении магнита диск следует за его движением».

Записывая эти строчки в журнал своих «экспериментальных исследований», Фарадей уже прикидывал, какой практический выход может из него следовать. «Получив электричество из магнита вышеописанным образом, я полагал, — пишет он дальше, — что опыт г-на Араго может стать источником получения электричества, и надеялся, что путем использования электрической индукции земного магнетизма мне удастся сконструировать новую электрическую машину…»

Воодушевленный этим намерением, он вместе с Андерсоном устанавливает между полюсами большого магнита Королевского общества вращающийся медный диск. Соединяет два скользящих контакта с гальванометром и велит отставному сержанту крутить ручку, заставляющую диск вращаться. Гальванометр показывает наличие электрического тока. Фарадей счастлив. Так был создан прообраз первого в мире электрического генератора.

Описанное десятилетие с 1820 по 1831 год было весьма урожайным в физике. На ученых буквально обрушился поток самых разнообразных электромагнитных явлений, открытых экспериментаторами. Нужно было осмыслить их теоретически, привести в порядок и «разложить по полочкам». Первым, как я уже говорил, за это принялся Ампер. Но его теория появилась до открытия электромагнитной индукции. Затем в 1845 году немецкий физик Франц Нейман теоретически обобщил результаты опытных работ Фарадея и Ленца. А другой ученый, Густав Теодор Фехнер — физик, физиолог и философ, — попытался распространить на явление электромагнитной индукции теорию Ампера. Третью попытку построить теорию электричества и электромагнетизма в том же 1845 году предпринял профессор Лейпцигского университета Вильгельм Эдуард Вебер. Все они старались создать математический фундамент теории электромагнитных взаимодействий.

Фарадей же, который не знал математики, со своей стороны, старался построить качественную физическую картину всех наблюдаемых им явлений. «Примененный Фарадеем в его исследованиях метод состоял в постоянном обращении к эксперименту в качестве средства проверки правильности его идей и к постоянному развитию идей под прямым влиянием эксперимента» — так писал Максвелл в своем «Трактате об электричестве и магнетизме».

Фарадей всегда подчеркивал, что он высказывается только как экспериментатор. Его теоретические выводы сильно отличались от формализованных теорий Неймана и Фехнера, Вебера и других теоретиков, и многие ученые, как правило, игнорировали их. Научный мир с изумлением воспринимал его сообщения о новых экспериментальных открытиях, но относился скептически, чтобы не сказать саркастически к его теоретическим взглядам. Они считались как бы некоторым хобби виртуозного экспериментатора. А зря, потому что в дальнейшем именно качественные идеи Фарадея восторжествовали над всеми математическими теориями.

Правда, для этого они должны были также быть облечены в строгую математическую форму. И это сделал Джемс Клерк Максвелл в шестидесятых годах прошлого века сначала в статьях, а потом в капитальном труде под названием «Трактат об электричестве и магнетизме», вышедшем в свет в 1873 году.

Первая же статья Максвелла «О фарадеевских силовых линиях» была им написана еще студентом Кембриджского университета и доложена Кембриджскому философскому обществу в 1855 году. Автору шел тогда всего двадцать четвертый год… Но уже тогда он писал: «Современное состояние учения об электричестве представляется особенно неблагоприятным для теоретической разработки. Законы распределения электричества по поверхности проводников были выведены из опытов. В некоторых своих частях математическая теория магнетизма была установлена, между тем как в других — недостает опытных данных… Современная теория электричества и магнетизма, охватывающая все относящиеся сюда явления… должна строго удовлетворять законам, математическое выражение которых уже известно, и, кроме того, давать способы вычисления явлений в тех предельных условиях, когда известные формулы неприменимы».

Прошло несколько лет, и Максвелл создал такую теорию, создал классическую электродинамику со своими знаменитыми уравнениями, удовлетворяющими всем тем требованиям, которые были выдвинуты в его юношеской статье.

Майкл Фарадей — человек

Конечно, Фарадей занимался не только опытами. Он много работал, но умел со вкусом и отдыхать, время от времени отправляясь с женой по традиции в Бат или Брайтон на модные курорты.

«Он не любил светского общества, но театр привлекал его и приводил в лихорадочное опьянение, — пишет французский физик Дюма. — Закат солнца в деревне, буря на морском берегу, альпийские туманы возбуждали в нем живейшие ощущения; он понимал их, как художник, бывал взволнован, как поэт, или анализировал их, как ученый. Взгляд, слово, жест — все выдавало в таких случаях тесную связь его души с душой природы».

Фарадей был чужд зависти и самомнения, нередко встречавшихся в среде ученых. Не получив систематического образования, он всю жизнь стремился к самосовершенствованию. И «его совершенство, — как говорил тот же Дюма, — которое, как я думал, было у него врожденным, было плодом постоянного самонаблюдения и непреклонной душевной твердости». Когда его назначили директором лаборатории в Королевском институте и ему, как профессору, предстояло читать лекции, Фарадей целый год учился ораторскому искусству, учился четко и ясно излагать свои мысли. Он просил друзей указывать ему на неточности и ошибки, которые допускал на лекции. А его ассистент обязан был не только следить за ходом его изложения, но и время от времени класть на кафедру перед ним картонки с надписью «Помедленнее», если он начинал торопиться, или «Заканчивайте», когда он увлекался. «Зачем столько подготовки к тому, чего лучше вас не знает никто из слушателей?» — спрашивали его. «Мало самому знать, — кротко отвечал Фарадей, — нужно уметь передать свои знания другим».

Фарадей любил читать лекции. Для детей он вел рождественский цикл, рассказывал о химии, физике, об электричестве и о теплоте. Совсем недавно на прилавках книжных магазинов появилась (и уже в который раз!) его книжка «История свечи» — непревзойденный шедевр научно-популярной литературы. Именно при Фарадее рождественские лекции для детей в Королевском институте стали традицией.

Фарадей рассказывал на них о свече и лампе, о печной трубе и о золе. Может быть, в этом и заключался их успех? Ведь это так важно: определить, что именно должно быть интересно человеку в его возрасте сегодня и что будет ему в пору понять и усвоить завтра.

В последние годы жизни память Фарадея стала ослабевать, притуплялся острый ум. Он сам обнаружил у себя признаки подступившей старости и постепенно отказался от всех занимаемых должностей. Он отклонил предложение королевского двора о возведении его в рыцарское достоинство и дважды отказывался от высокой чести стать президентом Королевского общества.

В пятницу 20 июня 1862 года Фарадей на середине прервал свою лекцию в Королевском институте. Подойдя к краю эстрады, он внимательно вгляделся в зал и неожиданно поделился со слушателями мыслью о том, что, пожалуй, слишком долго находится здесь… Присутствовавшие поднялись и долго аплодировали старому ученому. Больше Фарадей не читал, не входил в лекционный зал и не поднимался на кафедру. Дома в дневнике он так объяснил причину своего ухода: «Здесь я провел счастливые годы, но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга. Причины:

1. Колебания и неопределенность в доказательствах, на которых лектор должен настаивать.

2. Неспособность извлечь из памяти ранее накопленные сокровища знаний.

3. Тускнеют и забываются прежние представления о своих правах, чувстве собственного достоинства и самоуважения.

4. Сильная потребность поступать справедливо по отношению к другим и неспособность сделать это. Удалиться».

Какую силу духа и стойкость надо было иметь для такого вывода и поступка! Фарадею было в то время 70 лет.

«Ученый должен быть человеком, который выслушивает любое предположение, но определяет его справедливость сам. Внешние признаки явлений не должны связывать суждений ученого, у него не должно быть излюбленной гипотезы, он обязан быть вне школ и не иметь авторитетов. Относиться почтительно он должен не к личностям, а к предметам. Истина должна быть главной целью его исследований. Если к этим качествам еще добавится трудолюбие, то он может надеяться приподнять завесу в храме природы», — писал Майкл Фарадей.

Эмилий Христианович Ленц

Имя Ленца уже не раз встречалось в нашем повествовании, и читатель имел возможность сделать вывод о том, что этот ученый сыграл весьма важную роль в развитии учения об электричестве. Время Фарадея-Ленца было сложным для науки. Экспериментаторы накопили множество разнообразных сведений об электрических явлениях, а объяснения не находили.

В ту пору довольно большой круг интересовавших физиков явлений объяснялся присутствием и поведением «невесомых жидкостей». Так, тепловые явления старались объяснить поведением «теплорода», способного переливаться из одного тела в другое. Проявления магнетизма — существованием «магнитной жидкости», действие электрических сил — наличием «электрической жидкости». Причем физиков немало смущало то обстоятельство, что, с одной стороны, электричество можно было «добывать» трением, с другой — при помощи гальванических элементов, то есть химическим путем. В 1821 году добавилось термоэлектричество Зеебека. Затем Фарадей показал, что можно получать электричество еще и индукционным путем…

Многочисленные дурно поставленные непрофессионалами опыты при этом давали разноречивые результаты, а следовательно, приводили и к неверным выводам. Так, одно время считалось, что к токам, полученным путем фарадеевской индукции, не применимы законы, выведенные для гальванических токов от химических элементов. В свою очередь, «гальванические явления» считались отличающимися от «истинно электрических», демонстрируемых электрической силой, получаемой от трения и накапливающейся в лейденских банках. Возникало впечатление, что явления разных электрических сил обусловливаются разными причинами. Одни от собственно электрического флюида и «гальванической жидкости», другие от «индукционной электрической жидкости». В условиях такой путаницы следовало прежде всего проникнуться идеей о единой природе и единых законах для любого электрического тока, подтвердив это экспериментами. Сделать это впервые удалось Э. X. Ленцу.

«Тотчас же по просматривании мемуара Фарадея, — писал он в своем знаменитом докладе Петербургской академии наук 29 ноября 1833 года, — мне показалось, что все без исключения опыты электродинамического распространения (индукционных токов. — А. Т.) могут быть очень простым способом сведены обратно к законам электродинамических движений, так что ежели эти законы известны, то и все явления электродинамических распределений (индукционных токов. — А. Т.) могут быть выведены из них».

После убедительных экспериментов Ленц дал обобщенный закон индукции, о котором речь уже шла. То есть, размышляя о физической сущности исследованного явления, он пришел к обобщению: «Ежели мы хорошо уясним себе приведенный выше закон, то мы сможем вывести заключение, что каждому явлению движения под действием электромагнитных сил должен соответствовать определенный случай электромагнитной индукции». Выражаясь современным языком, можно сказать i каждому электромагнитному явлению соответствует определенное магнитоэлектрическое явление.

Вместе с Якоби Ленц установил, что любая магнитоэлектрическая машина, которая служит для производства электрического тока, может быть использована в качестве электродвигателя, если через ее якорь или «арматуру», как тогда говорили, пропускать ток от постороннего источника.

Ленц родился в старинном прибалтийском городе Дерпте (ныне город Тарту в Эстонской ССР) в 1804 году и получил при крещении имя Генрих Фридрих Эмиль.

Шестнадцати лет поступил он в Дерптский университет, где очень скоро обратил на себя всеобщее внимание выдающимися способностями и серьезным отношением к учебе.

В 1823 году наш знаменитый мореплаватель Отто Евстафьевич Коцебу пригласил молодого человека принять участие в кругосветном путешествии на шлюпе «Предприятие» в качестве физика и натуралиста экспедиции. Ленц, естественно, согласился и блестяще справлялся со своими обязанностями в течение всего плавания. Свидетельством его успехов является то, что сразу по возвращении Ленц был принят адьюнктом Петербургской академии наук и четыре года спустя, едва достигнув 26 лет, стал ординарным академиком.

Деятельность свою в Академии наук Ленц начал с реорганизации лаборатории физики и постановки целой серии работ по электричеству и магнетизму. Именно там, независимо от Джоуля, вывел он закон, утверждающий, что количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока. Затем он повторил опыты Дэви, обнаружившего, что при нагревании электрическое сопротивление провода растет, и нашел закон, по которому должна меняться электропроводность металлов с изменением температуры.

В то же время он преподавал в Морском кадетском корпусе, возглавлял кафедру физики и физической географии в Петербургском университете. Был избран сначала деканом физико-математического факультета, а потом и ректором. Он преподавал в Михайловском артиллерийском училище, читал лекции в Главном педагогическом институте, и везде вокруг Ленца теснились молодые люди — ученики и помощники. Позже из этой школы вышли замечательные ученые, сыгравшие видную роль в развитии физической науки.

Многие достижения Ленца опережали время, и о них забывали. А через полвека — открывали вновь, называя краеугольными камнями нарождающейся электротехники.

Когда в 1831 году Фарадей открыл новое явление, которое мы сегодня называем электромагнитной индукцией, современники вполне оценили огромное значение открытия. Многие тут же включились в работу, черпая первые сведения из перепечатанных во многих журналах фарадеевских «Исследований по электричеству». Другие горестно сетовали по поводу того, что великий экспериментатор «на самую малость» опередил их собственные работы на ту же тему. Находились и такие, кто пытался представить себя соучастниками события… Между тем строгого понимания сути нового явления не было ни у кого. Даже сам Фарадей делил открытое им явление на два вида — на «магнитоэлектрическую» и «вольтаэлектрическую» индукцию. И для определения направления индуцируемого тока давал существенно разные правила в обоих случаях.

Я уже говорил, что многие ученые позволяли себе снисходительно относиться к теоретическим построениям своего английского коллеги. И потому до бесконечности переиначивали формулировки Фарадея и давали свои правила для токов, подчас совершенно неверные.

Ленц, которому едва исполнилось 29 лет, подошел к актуальному вопросу со свойственной ему строгостью и вывел свое знаменитое правило, которое вот уже полтора столетия наизусть заучивают школьники, а потом повторяют студенты электротехнических вузов.

Можно перечислить для наглядности те основные направления в электромагнетизме, которыми занимался Эмилий Христианович, кроме работ по электромагнитной индукции. Здесь труды по нагревательному действию электрического тока и не менее знаменитый закон Джоуля-Ленца. Причем в этой работе ему пришлось сделать строгое обоснование и разъяснение закона Ома, в котором все еще сомневались современники. Ленц первым высказал принцип эквивалентности, согласно которому, как мы сегодня знаем, всякая динамо-машина может быть электромотором. Он поставил убедительные опыты, подтверждающие загадочный эффект Пельтье, по замораживанию воды возле спая висмута и сурьмы, через который пропускался гальванический ток. Нельзя не вспомнить его замечательные работы совместно с Якоби, посвященные вопросу о действии электромагнитов. Они пришлись на то время, когда сооружение этих приборов почиталось за искусство. И все эти фундаментальнее открытия и труды находились на самых главных направлениях развития молодой науки об электричестве, на рубеже перехода от «гальванизма» к современной электротехнике.

Его трудолюбие и разносторонность невероятны. Кроме всего, Ленц был еще геофизиком и океанографом, университетским профессором и администратором, преподавал во множестве учебных заведений, являлся академиком и непрерывно вел научную работу. Он написал несколько учебников и руководств, которые пользовались большой популярностью и выдержали не одно издание. При этом его лекции и учебники, его научная работа отличались всегда замечательной ясностью и строгой систематичностью.

Фигура Эмилия Христиановича Ленца в истории физики, в истории науки занимает видное место как по своим научным результатам, так и по нравственному облику, являясь примером честного и беззаветного служения своей родине — России.