Продолжаем тему экспериментов, навсегда вошедших в историю науки (и, конечно же, их авторов). В прошлые разы речь шла о медицинских экспериментах Уильяма Гарвея и химических опытах Антуана Лавуазье. Настала пора вспомнить и о физике.
Вплоть до прошлого века для того, чтобы заниматься наукой одних способностей было недостаточно: хорошее образование и лабораторное оборудование стоили немалых денег. Хорошо, если семья могла оплатить обучение в самой престижной медицинской школе Европы (как в случае с Гарвеем), или доходы от семейного бизнеса позволяли не только сосредоточиться на исследованиях, но и купить все необходимое для них оборудование (как было у Лавуазье). Но что делать, если родился в бедной семье в одном из пригородов Лондона и, кажется, все что приготовила тебе судьба – это тяжелая работа на одной из многочисленных лондонских фабрик. Однако талант вместе с упорством могут открыть даже самые неприступные двери – Майкл Фарадей доказал это на своем опыте, сделав одну из самых впечатляющих научных карьер XIX века. Он вообще много чего доказал, заслужив в научных кругах репутацию гения экспериментальной физики.
Сын кузнеца и ученик переплетчика убедил известного английского ученого Гэмфри Дэви взять его к себе на работу. Сначала – слугой, потом – секретарем и ассистентом. Путешествуя с шефом по Европе, Фарадей смог приобщиться к миру ученых – Дэви водил знакомство с Вольта, Ампером и другими уважаемыми физиками.
С помощью Дэви, Фарадей сумел поступить работать в лондонский Королевский институт, где не гнушался любой работы, связанной с наукой: занимался анализом глин для Веджвудского фарфорового завода, исследованием пороха для Вест-Индской компании и т.п. Биография Фарадея содержит немало унизительных эпизодов, когда, например, талантливейшему экспериментатору было запрещено сидеть за одним столом с важными персонами. К счастью, в Англии оценивали вклад в науку не по наличию дипломов и степеней, а по реальным результатам работы. И поскольку он был неутомимым трудягой-исследователем, то, благодаря своему таланту и не меньшему упорству, ему удалось войти в научное сообщество. Фирменным стилем Фарадея было записывать различные идеи, которые он намеревался рассмотреть позднее и вопросы, на которые у него не было ответа. Он любил цитировать Френсиса Бекона: «Истина скорее возникает из ошибки, чем из спутанности». И был из тех ученых, для которых отсутствие результата – тоже результат, а неудачный эксперимент становится источником информации для дальнейшей работы.
Первые шаги на пути к признанию Фарадей сделал в области химии: открыл два хлорида углерода, предложил пути для создания синтетического каучука, открыл бензол. А затем настала очередь физики - Дэви познакомил его с экспериментами датского ученого Ханса Кристиана Эрстеда, вызвавшими большой интерес в научном сообществе в 1820-х годах. Датчанин изготовил электрическую батарею, соединив кусочками меди и цинка двадцать сосудов с кислотой. Затем соединил один из полюсов с проволокой, которую натянул параллельно стрелке компаса. В момент, когда он подсоединял второй конец проволоки к батарее, стрелка компаса начинала вращаться. Дэви и Фарадей повторили опыты Эрстеда для подтверждения результатов, а Ампер в Париже в это же время показал, что два параллельных провода, по которым течет ток в одном направлении, притягиваются как магниты.
Это сегодня связь между электричеством и магнитным полем очевидна, а тогда она казалась ученым неожиданной, поскольку в ньютоновской механике ничто не предвещало подобного. Фарадею в числе первых смог взглянуть на природу электричества свежим взглядом. Как ни парадоксально, но ему помогло слабое знание математики. Для него практически ничего не значила математическая составляющая теории Ньютона, благодаря чему он по-новому осмыслил суть электромагнетизма, не замыкаясь на тех истинах, что принято связывать с классической механикой. Будучи уверенным, что все силы в природе взаимопревращаемы, он решил добиться обратного, то есть при помощи магнитного поля привести в движение электрический ток. С помощью нескольких элегантных экспериментов на несложной установке, состоящей из ртути и пробки, он заставил поочередно вращаться наэлектризованную проволоку вокруг магнита и наоборот. Так Майкл Фарадей изобрел электрический мотор – технологию, которая широко применятся по сей день. Хотя для того, чтобы эксперимент «вырос» в технологию предстояло пройти немалый путь (в том числе, его усилиями).
Как уже говорилось, Фарадей происходил из бедной семьи и ему часто приходилось идти к своей цели непрямыми путями. Так произошло и в этот раз. После первых экспериментов последовала десятилетняя пауза, когда ему пришлось сосредоточиться на текущей работе в Королевском институте (который он возглавил в 1825 году, через восемь лет после того как попал туда на должность ученика). Его работу по-прежнему курировал Дэви, который стал ревновать к успехам своего ученика и постарался загрузить его выполнением заказов различных компаний и корпораций, что не оставляло времени на научные исследования.
Лишь после смерти Дэви Фарадей смог, наконец, вернуться к изучению электромагнетизма. К тому времени его коллеги уже создавали первые электромагниты, способные удержать груз весом более тонны. Фарадей решил проверить, что произойдет, если рядом окажутся две обмотки на противоположных сторонах железного кольца, по сути, создав примитивный трансформатор. Обмотки не контактировали между собой, но когда по одной пропускали ток, то стрелка гальванометра, подсоединенная ко второй, начинала подергиваться. В результате этого эксперимента была обнаружена электромагнитная индукция и значение этого открытия для развития промышленности (и цивилизации в целом) трудно переоценить. Хотя сам этот эксперимент по силам воспроизвести на уроке физики в обычной школе. Еще одно подтверждение того, что все гениальное – просто. Точнее, кажется простым после того, как гений объяснит свои действия.
Затем, с помощью ряда экспериментов, он показал, что электричество и магнетизм связаны еще и с химией. В частности, показал, как использовать электромагниты для покрытия металлов медью или серебром.
Фарадей был, прежде всего, ученым, а не изобретателем и потому, на основе своих экспериментов, предложил радикальную для того времени концепцию, объясняющую их результаты. На его взгляд, электромагнетизм должен предполагать существование особой среды. Вопрос только в том, что это была за среда? По мнению ученого, она не могла состоять из обычного вещества. В 1845 году он ввел новый термин, который мы сегодня к ней применяем – «поле».
Но этому предшествовала еще одна пауза, растянувшаяся на несколько лет, когда ученый почти не занимался исследованиями в этом направлении. Причин было несколько. С одной стороны, его здоровье пошатнулось из-за постоянной работы в лаборатории с токсичными химикатами. С другой – Фарадей рассорился со многими людьми из своего окружения по религиозным мотивам – он по-прежнему считал себя христианином, но его трактовка многих библейских мотивов шла вразрез с постулатами англиканской церкви, что вызвало обвинения в сектантстве. Ко всем этим неприятностям добавилось многолетнее переутомление. Как результат, ученый на несколько лет замкнулся в четырех стенах, отказывался от поездок и публичных выступлений.
Пауза завершилась как раз в 1845 году, когда Фарадей вернулся к активной работе. Поводом стал заказ на совершенствование масляной лампы Арганда, которая использовалась на всех маяках Англии и Уэльса. В конце августа 1845 года он зажег один такой «маяк» в своей лаборатории и приготовился к одному из самых красивых инструментов в своей карьере.
Известно, что свет при распространении колеблется в двух перпендикулярных направлениях под прямыми углами к вектору движения. Фарадей задался вопросом: может ли электрический ток повернуть световой пучок, заставив вращаться его плоскость колебаний.
Заполнив длинную ванну слабопроводящим раствором, он положил в ее противоположные концы платиновые электроды, подсоединенные к гальванической батарее. С помощью схожих установок он уже покрывал ложки медью и разлагал воду на кислород и водород (став пионером электролиза). В этот раз Фарадей включил лампу Арганда и поставил на пути светового пучка плоскую стеклянную поверхность, чтобы получить отраженный поляризированный пучок. Пропустив пучок через ванну, ученый проверил его поляризацию – эффект оказался нулевым, поляризация не изменилась. Фарадей менял ток с переменного на постоянный, изменял раствор, увеличивал мощность батарей – но никакого эффекта не было.
Для кого-то другого этой серии экспериментов стало бы достаточно, но Фарадей оказался более упорным. Он решил обратиться к магнетизму – и это сработало: магнитное поле заставило пучок света повернуться. Для Фарадея этот эксперимент стал знаковым. «Сейчас у меня нет ни минуты ни на что, кроме работы, - писал он одному из своих коллег. – Мне удалось обнаружить прямую связь между магнетизмом и светом, а значит, между электричеством и светом, и это открывает столь широкое и многообещающее поле деятельности, что мне хочется первому на него взглянуть…»
Фарадею удалось понять, что направление магнитного поля имеет огромное значение. Когда он помещал стекло между его северным и южным полюсами, ничего не происходило. Равно как, если одинаковые полюса оказывались с одной стороны стекла. Но когда противоположные полюса магнита помещались вместе, по одну сторону, они воздействовали на поляризированный луч, доказывая связь между светом и магнетизмом. Через двадцать лет Максвелл своими уравнениями математически доказал электромагнитную природу света, установленную Фарадеем экспериментально.
Говоря о влиянии работы Фарадея на развитие нашей цивилизации, надо иметь в виду сразу несколько аспектов. Во-первых, его экспериментальные установки стали прообразом технологических решений, без которых немыслимо представить современную индустрию.
Электромоторы, электролиз, покрытие металлов медью и серебром – это и многое другое сначала появилось в лаборатории английского физика. Именно открытие электромагнитных явлений (огромной силе, в них содержащейся) позволило поднять вопрос технологического переоборудования производств, созданных в ходе промышленной революции.
Не менее важен вклад Фарадея как ученого-теоретика. Ведь именно он стал «родителем» концепции поля – особой среды, состоящей не из частиц, а силовых линий. Поле - это то, что нас окружает, что постоянно на нас действует, но мы никогда не видим его непосредственно. В то же время в нем нет ничего сверхъестественного. В отличие от ньютоновской гравитации, поле не преодолевает пространство чудесным образом, чтобы вызвать притяжение металлических предметов. Воздействие распространяется через поле подобно плесканию волн на воде. Именно эта логика волн была применена к электрическим силам. Конечно, основоположником классической электродинамики и автором самого понятия «электромагнитное поле» принято считать Максвелла. Но все же не стоит забывать и о его предшественнике, чьи интуитивные озарения, совмещенные с экспериментами, послужили стимулом для целого поколения исследователей.
И, наконец, третий аспект влияния Фарадея, не столь значимый и очевидный как первые два, но, безусловно, достойный внимания. Сын скромного кузнеца, своей биографией показал, что наука перестает быть занятием исключительно богатых людей, и становится профессией для талантливых умов из самых разных социальных слоев. Конечно, во времена Фарадея это было еще не очевидно, по сути, он стал одним из «пионеров» этой социальной революции, в корне изменившей облик и структуру того, что мы теперь называем «мировым научным сообществом».
Артем Груздев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии