ФАРАДЕЙ.

Электромагнитная индукция.

Наука высокого напряжения

Введение

Планеты сформировались из элементов, варившихся в звездном котле. Некоторые из этих элементов были металлами и скрывались в недрах мира. Именно расплавленное металлическое ядро своим вращением превратило нашу планету в гигантский магнит. Все, что находится на Земле, окружено невидимым магнитным полем, образовавшимся вследствие движения незримых волн. Некоторые культуры, например китайская в классический период, смогли обнаружить это невидимое поле и даже использовали часть его свойств для навигации, но его природа оставалась загадкой в течение многих веков.

В XIX веке все известные знания об этом невидимом и неуловимом поле радикально изменились благодаря оригинальному и удивительному вкладу человека, родившегося в 1791 году, за 100 лет до введения понятия электрона. Мы говорим об английском гении экспериментальной физики Майкле Фарадее.

Так же как и магнитное поле, сила электричества, несмотря на свою беспрестанную работу в течение более чем 13 миллиардов лет, оставалась для человечества тайной, для разгадки которой требовалось проникнуть сквозь атомы, составляющие все сущее. Хотя электрические эффекты можно было наблюдать повсюду, но поскольку положительные и отрицательные электрические заряды стремятся к взаимному равновесию, главное оставалось скрытым. Фарадей не только выявил электрические эффекты, но и показал их неразрывную связь с магнетизмом.

Этому ученому мы обязаны открытием закона индукции, носящего его имя. Согласно закону, переменное магнитное поле создает электрическое поле. Фарадей первым доказал, что магнитное поле может порождать электрический ток. Он изобрел электродвигатель и динамо-машину, навсегда изменившие жизнь человечества, он доказал, что между электричеством и химическим взаимодействием существует связь, он изучал влияние магнетизма на свет. Все эти достижения были совершены человеком, не получившим академического образования и не имевшим особых математических знаний. Фарадей представил все свои открытия в виде описаний с рисунками и схемами, ни разу не прибегнув к уравнениям.

Этот ученый был не только великим экспериментатором, но и просветителем. Он занимался распространением своих идей и даже читал Рождественские лекции для юношества, поскольку полагал, что наука не должна скрываться от народа в элитарных учреждениях. Эти рождественские лекции проводятся по сей день, в них участвуют многие ученые и просветители, такие как Карл Саган или Дэвид Аттенборо. На первой рождественской лекции в 1826 году говорилось об одном из самых популярных утверждений: свеча иллюстрирует все известные физические процессы. Пользуясь этим образом, можно сказать, что Фарадей был свечой для всей Англии, и даже больше — ослепительной искрой, навсегда принесшей свет в наш мир.

Благодаря Фарадею стало популярным такое физическое понятие, как магнитное поле, а также многие другие, которые ученый ввел с помощью своего друга-филолога Уильяма Уэвелла для обозначения открытых явлений. Майклу Фарадею мы обязаны такими терминами, как ион (электрически заряженный атом), катион (положительно заряженный атом), анион (отрицательно заряженный атом), электролиз, катод, анод, диэлектрик (или диамагнетик). Термин электричество происходит от греческого слова электрон, означающего «янтарь», электрические свойства которого были открыты в Древней Греции. С тех пор до XVIII века понимание электрических явлений мало продвинулось вперед. Важных открытий в этой области не было сделано в течение такого долгого периода, потому что занятия наукой далеко не сразу превратились в реализацию систематических экспериментов. При всей малой изученности электричества были изобретены телефоны, телеграфы, лампочки и даже электродвигатели. Впрочем, до прихода великого экспериментатора Фарадея электричество относилось к области оригинальных развлечений. Ученые XVIII века разработали аппараты для получения небольшого электрического заряда и устройства для аккумулирования заряда. Великосветские салоны развлекались тем, что проводили опыты по электростатике, во время которых летели искры, бились в судорогах или погибали от тока индюшки. Некоторые дамы прогуливались по Парижу в остроконечных шляпах, с которых свисал провод в качестве громоотвода.

Похожую судьбу имели и магнетические явления, первые сведения об изучении которых мы находим у Фалеса Милетского в VI веке до н.э. Слово магнетизм происходит от названия греческого города Магнисии, известного залежами магнетита — природного магнита. Существует и другая версия происхождения названия, связываемая с Плинием Старшим, римским мудрецом I века. Согласно ей, магнетизм был открыт пастухом Магнусом, посох которого имел металлический наконечник и был притянут скалой, когда пастух поднимался в горы со своим стадом. До XVI века знания о магнетизме росли так же медленно, как и знания об электричестве. Англичанин Уильям Гильберт заложил основы современного изучения магнетизма, в частности открыл, что Земля ведет себя как магнит планетарного масштаба.

Фарадей наблюдал электрические и магнитные явления как набор свойств, в котором его проницательный взгляд видел Божественное вмешательство. Эта проницательность, подкрепленная верой, позволила Фарадею бросить вызов непререкаемому авторитету Ньютона, что в то время было вдвойне оскорбительно, ведь вызов бросал человек, не слишком хорошо разбирающийся в математике. Однако эта интеллектуальная смелость, наверное, самого скромного ученого своей эпохи привела к удивительным последствиям: Фарадей изменил ход промышленной революции, жертвой которой чуть не пал сам из-за своего низкого происхождения, и повернул историю к Эре электричества. Это была новая эра, в которой работники не должны были трудиться, как рабы, ради жалования, а люди самого скромного происхождения наконец-то получили доступ в храм знаний согласно своим интеллектуальным способностям и независимо от своей фамилии.

Изучая работы Фарадея, мы понимаем, что их нельзя считать результатом везения или случайных совпадений, плодом высокого интеллекта, опирающегося на религиозную целостность личности. He все в них — результат поисков неутолимого свободного разума. В Фарадее мы, прежде всего, открываем жертвенность и упорство. Замечательны его достижения в других областях науки: в химии — сжижение газов, в оптике — установление взаимодействия света и магнетизма, описание диамагнетиков, изобретение клетки, которая сейчас носит его имя и широко используется в лифтах, микроволновых печах или самолетах. Долгие годы работы не истощили его разум, продолжавший безустанно трудиться до последних дней: Фарадей поддерживал переписку с десятками ученых и исследователей, сотрудничал с коллегами в разных проектах (в том числе при прокладке телеграфного кабеля, соединяющего Европейский континент с Америкой), вдохновлял своими бессчетными лекциями и статьями молодых ученых, многих из которых ждала блестящая карьера. Самым выдающимся среди них стал Джеймс Клерк Максвелл, который перевел все идеи Фарадея, касающиеся электромагнетизма, на язык математики. Впоследствии даже Эйнштейн признавал, что находится в долгу перед Максвеллом и Фарадеем.

Все эти интеллектуальные подвиги ученый совершал в весьма методичной и аккуратной манере. Он позволил себе всего лишь один небольшой перерыв в возрасте 49 лет, когда он испытал глубокое интеллектуальное и физическое переутомление — кстати, в том же возрасте похожий кризис пережил и Ньютон. Жизнь Фарадея была настолько упорядоченной, что даже его Дневник — блокнот, в котором он делал заметки в течение 30 лет, — представляет собой последовательность параграфов, пронумерованных от 1 до 16041. Иногда кажется, что Фарадей подпитывал свою неистощимую энергию от одной из динамо-машин, которые сам и разработал. Ученый пожертвовал даже своим медовым месяцем, чтобы не упустить часы занятий в лаборатории. Для него не существовало ничего, кроме науки, и все свои силы он направлял на исследования и распространение знаний.

Такая неустрашимость, преданность, страстное стремление передать научное знание, вывести его за стены учебных заведений для аристократов, которые занимались наукой как хобби, превратили Фарадея в героя академической и популярной науки. Его беседы и лекции были лишены натужного пафоса, сложных уравнений, понятных только специалистам. Ученый применял стратегии, которые сегодня используют шоумены или ведущие бизнес-тренингов; как говорил Джордж Оруэлл, «когда вы делаете глупое замечание, его глупость должна быть очевидна даже для вас». Фарадей был хорошим человеком, всегда доброжелательным и вежливым. Все, кто его знал, отзывались о нем как о гражданине с безукоризненными моральными принципами, он всегда заботился о том, чтобы поступать правильно, и мало ценил мишуру успеха.

Благодаря Фарадею наука стала профессией, а не просто увлечением любителей с неограниченными финансовыми возможностями. Грандиозный перечень устройств, возникших на основе его изобретений, позволял сократить время работы дома и на фабриках, так что благодаря ученому у людей появился досуг, который многие могли посвятить науке, при этом сам интерес людей к знаниям был вызван образовательной деятельностью все того же Фарадея. В конце концов, это стало одним большим импульсом для Британии, который позволил этой стране — небольшой и не такой густонаселенной, как Франция, Япония или Китай, — получить абсолютное мировое первенство.

Основным двигателем научной деятельности больше, чем когда-либо, стали талант и любознательность. В жизнь были воплощены слова из романа Сибил Бедфорд: «Законы Вселенной — вот с чем мог встретиться каждый, удобно расположившись в своей мастерской, устроенной за стойлом хлева». Эта фраза приобретает еще больший смысл, если мы перенесемся в Лондон того времени, в маленький дом рядом с конюшней, где Фарадей провел свое детство. Жилище его родителей больше напоминало старый сарай и было совсем не похоже на престижный Королевский институт Великобритании, расположенный в том же городе. Однако сейчас в Королевском институте, основанном в 1799 году для развития и распространения науки, которая долгое время находилась под запретом для низших слоев населения, располагается музей Фарадея с сохранившейся лабораторией и оригинальными аппаратами ученого — символ того, что наука не признает деления на классы. Ученый благодаря своему авторитету стал связующим звеном между двумя мирами, его уважали как любители из низших слоев, так и самые высокопоставленные коллеги.

Таким образом, Фарадей вызвал как научную, так и социальную революцию, хотя сам он возражал бы против такого признания заслуг: всю жизнь ученый отрицал важность своих работ и принимал бесчисленные знаки отличия буквально стиснув зубы.

Майкл Фарадей стал искрой, наэлектризовавшей науку и общество своей эпохи. Может быть, не вопреки, а именно благодаря своей набожности он, словно Прометей, вознесся на Олимп и украл у богов для людей огонь — технологическую искру, которая заставила гореть лампочки и осветила мир, погруженный во тьму.

* * *

1791 Майкл Фарадей родился 22 сентября в Ньиюнгтон-Баттсе близ Лондона.

1804 Начинает работать разносчиком газет, а в 1805 году — учеником переплетчика в книжном магазине, в подвале которого ставит свои первые научные эксперименты.

1812 Благодаря смелости и удаче получает возможность посещать лекции Гемфри Дэви, одного из самых популярных английских ученых.

1813 Добивается места личного помощника Дэви в его лаборатории в Королевском институте.

1814 Принимает приглашение Дэви сопровождать его в качестве личного помощника в длительной поездке во Францию и Италию. Там он знакомится с известными учеными, а по возвращении получает разрешение проводить собственные эксперименты.

1820 Получает постоянное место в Королевском институте.

1821 Женится на Саре Барнард. Чета селится на верхнем этаже Королевского института. Фарадей открывает возможность электромагнитного вращения (электродвигатель).

1823 Проводит серию экспериментов по сжижению газов и публикует первое фундаментальное исследование на эту тему.

1825 Назначен директором Королевского института. Организует Вечерние лекции по пятницам. Из отходов от китового масла выделяет бензол.

1829 Умирает учитель Фарадея Гемфри Дэви.

1831 Ученый открывает индукционное электричество (генератор), описывает все возможные формы электромагнитной индукции.

1832 Формулирует законы электролиза.

1837 Изучает диэлектрики и открывает удельную индуктивную способность.

1845 Открывает диамагнетизм и вращение плоскости поляризации света в магнитном поле.

1851 Отстаивает физическую реальность силовых магнитных линий, догадки о которых были высказаны им самим в научном докладе, опубликованном в 1831 году.

1857 Ученому предлагают стать президентом Королевского общества, но он вынужден отклонить предложение из-за слабого здоровья.

1882 Уходит в отставку. Королева Виктория предоставляет Фарадею дом в Хэмптон-Корте, где он проводит последние годы жизни.

1887 Умирает 25 августа.

ГЛАВА 1.

В поисках Божественной искры

В начале 1800-х годов ядовитый смог и недостаток света от уличного освещения превращали Лондон в неприветливый темный город. Тайна, окутывавшая природу электричества, не позволяла оценить его практические свойства.

К счастью, в одной скромной семье рос мальчик, который очень скоро почувствует страстный интерес к электрическим и магнитным явлениям.

При рождении Майкла Фарадея мир представлял собой довольно темное место. Во-первых, в то время было очень мало источников искусственного света, а во-вторых, планету накрыло облако пепла от извержения далекого вулкана.

Ньюингтон-Баттс близ Лондона, где родился Майкл, был одним из самых грязных городков. Его окутывал дым машин, порожденных промышленной революцией, в ходе которой сельскохозяйственные рабочие перебирались в города, где трудились по многу часов подряд и практически не имели шансов на социальное и интеллектуальное развитие. Однако Фарадею удалось разорвать эту цепь и стать примером человека, сделавшего одну из самых блестящих научных карьер XIX века.

Часть его успеха можно связать с тем фактом, что Майклу посчастливилось найти работу переплетчика. В ту эпоху чтение книг было очень дорогим способом проведения досуга, однако Фарадей получил доступ ко всем книгам, которые переплетал, и он читал их с той же страстью, с какой ювелир рассматривает драгоценный камень.

Другая часть его успеха, наверное, опирается на религиозные убеждения ученого, который был сандеманианцем — членом протестантской общины, которая строго и буквально трактует Священное Писание.

СВЕТ СВЕЧИ

До прихода эры электричества в таком большом городе, как Лондон, средняя семья могла использовать одну свечу за ночь. Чтобы оценить такую освещенность, надо вспомнить, что свет одной свечи — это 1/100 света, испускаемого стоваттной лампочкой. Кроме того, свеча быстро сгорала.

Более обеспеченные классы использовали в качестве альтернативы газовые лампы, но они были очень дорогими, требовали постоянного ремонта, оставляли жирные пятна, загрязняющие одежду, и даже вызывали проблемы со здоровьем. Поэтому во многих книгах той и более поздней эпохи, например в издании The American Woman’s Ноте («Дом американской женщины», 1869) Кэтрин и Гарриет Бичер-Стоу, предлагали инструкции, как делать свечи.

В начале XVIII века люди боялись выходить ночью из дома, а если это было необходимым, пользовались услугами мальчиков, которые освещали дорогу толстыми факелами, пропитанными смолой или другими горючими веществами. Эта ситуация сохранялась довольно долгое время. Даже в 1850-е годы, когда для уличного освещения использовались газовые фонари, ночью было так же мрачно: такое освещение давало света меньше, чем современная лампочка на 2,5 Вт. К тому же самих фонарей было очень немного — соседние лампы разделяли не меньше 30 метров тьмы. Кроме освещения улиц, некоторые фонари в Лондоне выполняли и другую функцию: они служили своеобразными указателями, чтобы не заблудиться. Таким ненадежным образом практически половина города была освещена вплоть до 1930-х годов. Использование газовых ламп в помещениях негативно влияло на здоровье: работники в конторах с таким освещением жаловались на головную боль и тошноту.

Несмотря на все эти недостатки, молодой Майкл Фарадей в 19 лет, выходя из дома профессора Татума, не мог не остановиться, с удивлением глядя на только что установленные на Дорсетт-стрит газовые фонари. Благодаря им ходить по освещенным улицам стало немного безопаснее. Ho для полной победы над тьмой требовалось больше света. Фарадей ходил на занятия к профессору Татуму, потому что не мог позволить себе учебу в университете, но стремился узнать столько, сколько было возможно. Хотя Майкл этого и не мог еще знать, он учился для того, чтобы однажды на темных улицах засиял свет.

Тьма, царившая в Лондоне, сгустилась еще сильнее в 1815 году, когда начал извергаться вулкан Тамбора на далеком острове Сумбава. Это было крупнейшее извержение за последние 10 тысяч лет, эквивалентное взрыву 60 тысяч атомных бомб, таких как хиросимская. Около 150 миллионов тонн частиц пепла поднялись в небо и с помощью ветра несколько раз облетели Землю, окутав всю планету. Небо над далекими от вулкана Лондоном и Парижем померкло, температура в мире понизилась на несколько градусов, так что Темза замерзла. Все это напоминало Апокалипсис и повлияло на развитие романтизма. Байрон (1788–1824) в 1816 году написал стихотворение Darkness («Тьма», приводится в переводе И.С. Тургенева):

Я видел сон… не все в нем было сном.

Погасло солнце светлое — и звезды

Скиталися без цели, без лучей

В пространстве вечном; льдистая земля

Носилась слепо в воздухе безлунном.

Час утра наставал и проходил,

Ho дня не приводил он за собою…

Кстати, дочь Байрона, Ада Лавлейс (1815–1852), интересовалась идеями Майкла Фарадея.

Темное лето 1816 года вдохновило и писателей: например, Мэри Шелли (1797–1851) создала литературный образ монстра Франкенштейна. Художники, включая Уильяма Тернера (1775–1851), писали на своих полотнах закаты в сумеречных тонах, однако сейчас нам известно, что эти картины представляют реальное лондонское небо того периода. Естественно, недостаток света стал причиной не только темноты, но и холода, особенно если учесть, что в ту эпоху климат был холоднее, чем сейчас. Камины были не слишком эффективны для отопления больших помещений, и Томас Джефферсон рассказывал, что однажды был вынужден прекратить писать, так как чернила в его чернильнице замерзли. Рассказывая о морозных зимах на большей части территории Северной Америки в не таком уж далеком 1866 году, мемуарист Джордж Темплтон записал в своем дневнике, что, несмотря на две печки и камины, температура в его доме в Бостоне не превышала трех градусов.

* * *

Последствия извержения Тамборы

Из огромного количества вулканического материала, выброшенного Тамборой, из лавы, пепла и пемзы сформировались острова. Мельчайшие частицы поднялись выше 15 километров, некоторые попали даже в стратосферу, откуда начали свое медленное и неуклонное движение к самым отдаленным регионам планеты. По воле восточных ветров, господствующих на высоте, пепел Тамборы несколько раз облетел Землю. Насыщенность атмосферы вулканическими осадками была такой, что их обнаружили в снегах Гренландии и на заснеженном плоскогорье Антарктиды.

Невероятный факт

Всего за несколько месяцев частицы пепла достигли Англии и Испании, из-за чего померкло небо. Для людей, не подозревавших о существовании Тамборы, этот факт казался невероятным: мало кто мог предположить, что извержение далекого вулкана заставит померкнуть Солнце во всем мире. Например, в Испании понижение температуры, связанное с таким затенением, сильно повлияло на сельское хозяйство. Многие культуры не смогли вызреть, урожай был скудным и поздним.

Кипящий котел Тамборы

* * *

Тогда еще никто не думал об электричестве, никто и не предполагал, что оно может иметь практическое значение. Луиджи Гальвани (1737–1798), используя простые батарейки, доказал, что электричество заставляет напрягаться мускулы мертвой крысы, из чего сделал вывод: оно является источником жизни. Его племянник Джованни Альдини (1762–1834) устроил целый спектакль: он «оживлял» отрубленные головы только что казненных преступников. Электричество использовалось для лечения запоров и неподобающей эрекции у мальчиков, но никто не мог и предположить, что его можно использовать для того, чтобы осветить и согреть мир.

У молодого Фарадея чтение Гальвани вызывало особый интерес, особенно часть, касающаяся оживления мертвых, так как недавно у Майкла умер отец. Фарадей, как и Шелли в своем романе о Франкенштейне, написанном, когда тьма далекого вулкана закрыла небо, размышлял: правда ли, что Гальвани изобрел способ возродить жизнь? Правда ли, что он открыл искру жизни?

Гемфри Дэви, будущий наставник Фарадея, в начале XIX века описал дуговой разряд между двумя угольными стержнями. Ho только в 1846 году человек по имени Фредерик Хэйл Холмс (прим. 1811–1870) запатентовал дуговую лампу. О биографии Холмса известно немного, но считается, что он отправился в Англию, чтобы разделить свое открытие с Фарадеем, сразу же осознавшим важность этой технологии для улучшения света маяков.

Технологию впервые применили 8 декабря 1858 года для маяка Саут-Форленд близ Дувра. Позже этот же принцип был использован и на других маяках, но он оставался дорогостоящим и сложным. Для эксплуатации требовался постоянный технический контроль, были нужны электромагнитный двигатель и паровая машина. К сожалению, свет маяка был слишком сильным, а установка не подходила для бытового использования: требовалась еще нить накаливания, которая могла гореть в течение продолжительного времени.

ПЕРВЫЕ ГОДЫ МАЛЬЧИКА БЕЗ БУДУЩЕГО

В сентябре 1791 года в Ньюингтон-Баттсе, к югу от Лондона, родился Майкл Фарадей. Его родители, Джеймс и Маргарет Фарадеи, принадлежали к бедному классу. Джеймс был кузнецом, а Маргарет — дочерью фермера. Джеймс с детства работал в поле, но сельскохозяйственные угодья вокруг большого города в связи с промышленной революцией, начавшейся в 1733 году, постоянно сокращались. Первыми жертвами революции стали работники текстильной промышленности: паровые машины отнимали у них рабочие места. В связи с расширением текстильной отрасли производители хлопка стали поставлять больше сырья. В конце XVIII века Эли Уитни (1765–1825) изобрел хлопкоочистительную машину, работавшую в 200 раз быстрее человека. Люди, занятые в поле и на других этапах обработки, подвергались жестокой эксплуатации или были уволены хозяевами, предпочитавшими новейшие машины, которые позволяли быстрее разбогатеть.

Тенденция к постепенному уменьшению спроса на рабочие руки заставила семью Фарадеев в поисках работы переехать в Ньиюнгтон, расположенный близко от Лондона. Той же осенью в семье родился третий ребенок, Майкл, что очень тревожило его отца: чтобы прокормить еще один рот, ему необходимо было заработать больше денег.

Фарадеи получали от английского правительства пособие: семье выделялся хлеб на неделю, и располагая только этой помощью, в поисках постоянного заработка, они были вынуждены в 1796 году переехать в северный район Лондона, на Веймут-стрит. Юный Майкл практически не ходил в школу: во-первых, сама школа была плохой, а скудные средства родителей не позволяли рассчитывать на большее, а во-вторых, его родители не слишком верили в необходимость образования.

* * *

Новая эра пара

Изобретение паровой машины стало ключевым фактором, запустившим каток промышленной революции.

Первая машина на основе парового котла, похожего на те, что использовались для приготовления пищи, была изобретена французским физиком Дени Папеном (1647-1712) и сконструирована английским инженером Томасом Севери (1650-1715). Ее широкое использование началось в 1700-х годах. В 1712 году конструкция была усовершенствована Томасом Ньюкоменом (1663-1729), сотрудничавшим с Севери, и не менялась в течение 50 лет, до изобретения Джеймсом Уаттом более эффективной модели. В 1774 году Уатт при поддержке крупного капитала смог поставить на коммерческую основу производство новых машин, и к 1800 году в Англии их работало около 500.

Чертеж к паровой машине Джеймса Уатта. 1784 год.

* * *

Несмотря на все трудности, Фарадеи были счастливой семьей. Они принадлежали к общине сандеманианцев — течения, отделившегося от пресвитерианской церкви Шотландии и англиканской церкви. Сандеманианцы считали бедность достоинством человека, ведь сам Иисус, бывший бедным, говорил, что легче пройти верблюду сквозь игольное ушко, чем богатому войти в Царствие Небесное.

По этой причине, а также и потому, что Фарадею пришлось с юных лет работать — сначала разносчиком газет, а затем в книжном магазине, — его исследовательская деятельность началась довольно поздно, в том возрасте, когда большинство ученых уже обычно совершают свои великие открытия.

Фарадей с большим энтузиазмом относился к интеллектуальным занятиям. Например, ему очень нравилось придумывать разные игры в слова для своих друзей. Вот такой ответ он отправил Бенджамину Эбботту:

«Нет — нет — нет — нет — никто — справа — нет философия еще не мертва — нет — О, нет — он знает это — спасибо — это невозможно — Браво.

В этих строках, дорогой Эбботт, заключен полный и ясный ответ на первую страницу твоего письма от 28 сентября».

Подросток почти не ходил в школу и все время проводил на улице, играя с друзьями в камушки в соседнем переулке от своей лачуги. Позже Фарадей будет сожалеть об этом: «Мое образование было самым обычным и состояло из зачатков чтения, письма и арифметики в самой простой и ничем не примечательной школе».

В 13 лет Майкл Фарадей, бедняк, не получивший практически никакого образования, начал работать. Его отец предпочел бы, чтобы сын стал подмастерьем у кузнеца, но промышленная революция меняла общество. Хотел этого отец Фарадея или нет, но будущее было за паровыми машинами. Несмотря на то что у Джеймса была возможность устроить сына работать вместе с собой, Майкл временно поступил разносчиком книг к Джорджу Рибо, хозяину соседнего книжного магазина на Бландфорд-стрит, недалеко от Бейкер-стрит.

Работа была очень простой: нужно было бегать по окрестностям, что не составляло труда для мальчика, проводившего на улице с друзьями большую часть времени. Такая работа даже не требовала умения читать. Ho при этом Фарадей умел читать, как и многие в то время: все больше людей тянулись к чтению, уровень грамотности в промышленно развитой Европе сильно возрос, отчасти благодаря механизированным прессам, существенно удешевлявшим процесс книгопечатания. Этот всеобщий интерес к книгам давал работу молодому Фарадею, и сам мальчик не мог не поддаться ему. Результат можно угадать: Майкл посматривал на книги, которые разносил, с растущим любопытством. Это любопытство распространилось и на заднюю комнату лавки, где сшивались страницы книг.

Рибо в письме 1813 года так передает жажду Фарадея к изучению нового по книгам:

«После рабочего дня он занимался в основном перерисовкой и копированием сборника Artist’s Repository («Коллекция художников»). номера которого получал еженедельно. […] Еще он часто читал произведение доктора Уоттса «Совершенствование разума», носил его с собой в кармане, когда с утра отправлялся на прогулку, шел смотреть какое-либо произведение искусства или искал какую-то редкость растительного мира или минерал. […] Если у меня была какая-нибудь любопытная книга моих клиентов с картинками, которую нужно было переплести, он копировал их, если они казались ему необыкновенными или занятными».

ИСКРА ВДОХНОВЕНИЯ ПРОСТОГО САМОУЧКИ

В 1805 году Фарадей решил стать учеником переплетчика, работавшего в задней комнате книжной лавки Рибо. До этого Майкл не переступал порога библиотеки, но сейчас он оказался в помещении, где хранилось множество книг, хоть и не переплетенных, и сам участвовал в процессе их создания. В то время машины еще не были настолько точны, чтобы заменить ручной труд переплетчика, требующий большой осторожности. Страницы сшивались, обрезались гильотиной, закреплялись на кожаной обложке, которая также делалась вручную. Эта работа позволила Фарадею с головой погружаться в книги, которые он держал в руках.

Майклу было 14 лет, и книги все больше увлекали его. Ему удалось прочитать несколько научных статей — и он почувствовал жадный интерес к науке. Для молодого Фарадея чтение составляло часть работы, так как переплетчик должен проверить готовую книгу. Вначале это было для него утомительно, но упорство помогло преодолеть все затруднения, и за несколько месяцев он восполнил все годы, когда не посещал школу.

Сшивая последнее издание энциклопедии Британника, Фарадей на странице 127 прочел статью об электричестве. Эта статья явилась для него вдохновением и открытием: электричество до сих пор оставалось загадкой. Ho электричество было создано Творцом, и единственный способ понять Бога заключался в объяснении всех тайн природы, включая феномен электричества.

Перед юношей была огромная коллекция книг, предназначенных в основном для высшего английского общества, — это и стало первой искрой. В течение 15 лет чтения книг, не обладая обширными знаниями в области математики, не зная дифференциального исчисления, Фарадей начал ставить первые опыты. Нехватка знаний компенсировалась удивительной легкостью, с которой он чертил графики и придумывал эксперименты. Дело в том, что Фарадей был больше экспериментатором, чем теоретиком. Например, во время работы у него появилась идея, которую поддержал и Рибо, находивший мечты Фарадея о разгадке тайн природы прекрасными: часть книжной лавки была переоборудована в импровизированную лабораторию, занятиями в которой Майкл наслаждался после окончания трудового дня. Лаборатория была весьма примитивной, но после первых экспериментов, вдохновленный чтением книг, Фарадей чувствовал себя настоящим ученым. Он смог сконструировать электростатический генератор — механическое устройство, испускающее искры статического электричества.

Королевский институт располагался неподалеку от книжной лавки Рибо. Именно там читал публичные лекции знаменитый химик и директор института Гемфри Дэви, в скором времени ставший интеллектуальным авторитетом первой величины для молодого Фарадея. Однако Майкл был так беден, что не мог позволить себе купить билет на эти лекции. В ту эпоху стать ученым было практически равнозначно тому, чтобы стать, например, принцем: наукой интересовалось в основном высшее общество, и эти занятия не оплачивались, таким образом, были доступны только хорошо образованным и обеспеченным людям. Как мы знаем, Фарадей в их число не входил.

* * *

Страница, вдохновившая Фарадея

Прочитав в энциклопедии Британника статью «Электричество», написанную Джеймсом Тайлером, Фарадей почувствовал, что обязан прояснить содержавшееся в ней противоречие. Тайлер, продолжая давно существовавшие теории, утверждал, что все электрические явления — как оптические, так и тепловые — могут быть объяснены вибрациями некой жидкости, флюида. Бенджамин Франклин говорил, что тела в обычном состоянии имеют электрический флюид, а отрицательный или положительный заряд соответствует уменьшению или увеличению этого флюида. Роберт Симмер (1707–1763) заявлял, что существуют два вида электричества, или флюидов, — положительный и отрицательный — и каждое тело имеет определенное количество флюида. Для проверки этих явлений Фарадей, используя старые бутылки и дерево, построил в задней комнате лавке Рибо маленький электрогенератор. Эта машина, принцип действия которой основан на трении, хранится в Королевском обществе в Лондоне как предмет, созданный великим экспериментальным гением эпохи.

Книжная лавка Рибо, в которой Фарадой работал и начал ставить первые опыты с электричеством.

* * *

Единственное, что он мог себе позволить, это собрания дискуссионного кружка, состоявшего из молодых рабочих, желавших повысить свой социальный статус. Встречи проходили по средам в 8 вечера в доме преподавателя физики Джона Татума, за участие нужно было заплатить один шиллинг. Татум или члены кружка по очереди готовили небольшую лекцию, выбрав тему на свой вкус. Когда пришла очередь Фарадея, он рассказал об электричестве. Именно тогда начинающий ученый получил первые поздравления за свои научные занятия.

Фарадей с удовольствием вел бы прежний образ жизни, однако дела у него дома шли непросто. Отец был серьезно болен, и семья вынуждена была переехать в квартиру получше, ближе к центру города, однако через несколько месяцев, когда Майклу только исполнилось 19 лет, Джеймс умер.

Семья поселилась в скромном жилище на Веймут-стрит. Фарадей тосковал по отцу, и однажды ночью ему вспомнился давний случай, как отец спас ему жизнь, когда Майкл чуть не упал в дырку между досками старого амбара в Ньюингтоне. В этот момент Фарадей принял решение, что будет развивать свой ум насколько это возможно, чтобы стать великим натурфилософом. Он решил продолжать работу переплетчиком, чтобы содержать семью, но одновременно приложить все усилия для достижения великих интеллектуальных горизонтов, несмотря на свое скромное происхождение и надменность науки, признававшей только голубую кровь, в эпоху, когда впервые люди из низших слоев пытались улучшить свое социальное положение, выступая против сложившегося status quo. Искра жизни Гальвани, смерть отца, чтение в лавке Рибо книг, предназначенных для других, занятия с Татумом — все это подстегивало юношеские мечты Фарадея.

Ho он должен был финансово помогать семье, и юноше нередко казалось, что судьба против него: все словно сговорились, чтобы он оставался простым переплетчиком, был еще одним колесиком огромного лондонского механизма. Мечта быть ученым становилась все призрачнее. Как только у Фарадея появлялось свободное время, он чувствовал, что должен не читать, а трудиться, ведь мать и братья зависели от него.

Натурфилософы не могут работать в таких условиях. Значит, не стоило и мечтать о том, чтобы однажды стать одним из них.

* * *

Королевский институт, колыбель британской науки

Королевский институт Великобритании был частным учреждением для высшего класса, неким научным Олимпом, который вмещал только ученых из высших слоев общества. При этом основной целью Королевского института было просвещение и распространение науки и способов ее применения в повседневной жизни, проведение публичных лекций и экспериментов. Его основателем был Бенджамин Томпсон, более известный как граф Румфорд, родившийся в Массачусетсе (США) в 1753 году. Научные достижения позволили ему вступить в Лондонское королевское общество в 1799 году. В том же году он и ботаник Джозеф Бэнкс предложили Георгу IN проект создания института, первым президентом которого стал Джордж Финч. Параллельно в Королевском химическом колледже и Правительственной школе горного дела и прикладных наук разрабатывались технические новшества.

Томас Хосмер Шеферд (1793–1864). Фасад Королевского института Великобритании (акварель, 1838 год). Колонны коринфского ордера построены по предложению Фарадея в конце 1830-х.

* * *

Ho произошло одно из тех случайных совпадений, которые резко меняют обычный ход вещей. Однажды человек по имени Денс Джунр, член Королевского института, вошел в лавку Рибо. Джунр заинтересовался одной из книг, переплетенных Фарадеем: на страницах, заключенных во внушительный переплет, были пометки самого Фарадея, которые он делал на собраниях Татума. Джунр попросил книгу на некоторое время, и Рибо согласился. Через несколько недель книга вернулась в лавку, а среди ее страниц лежало четыре листка. Фарадей с большим удивлением обнаружил, что это были билеты на следующий цикл публичных лекций Гемфри Дэви. Это был подарок небес, который чудесным образом открывал Фарадею путь к его мечте. He зря считается, что жизнь Фарадея достойна литературного произведения, поэтому его биография занимает писателей гораздо больше, чем биография Ньютона, Эйнштейна или Мэрилин Монро.

Гемфри Дэви был для Фарадея одним из самых великих натурфилософов. Фарадей с трудом сдержал свои эмоции, когда впервые ступил на порог Королевского института, чтобы прослушать лекцию элегантного Дэви. Это произошло 29 февраля 1812 года, и, возможно, это был самый волнующий день в жизни Фарадея. Чтобы никогда не забывать о нем, Майкл перед началом лекции, сидя в аудитории, открыл тетрадь и очень подробно записал все, что его окружало: «Писатели и ученые, практики и теоретики, синие чулки и модно одетые дамы, старики и молодежь — все эти взволнованные люди переполняли лекционный зал». Синие чулки, о которых пишет Фарадей, — это члены Общества синих чулок (Blue Stocking Society), интеллектуального кружка, собиравшегося в доме Элизабет Монтэпо, известной дамы той эпохи. Наконец, на кафедру вышел Дэви и, как всегда блестяще, прочел лекцию. Аудитория слушала его в полной тишине, а Фарадей старался не упустить ни единого слова из уст своего кумира и сделал ряд записей и зарисовок на 96 страницах.

* * *

Гемфри Дэви, покровитель Фарадея

В жизни сэра Гемфри Дэви можно провести некоторые параллели с его помощником и протеже Майклом Фарадеем: ученый также происходил из бедной семьи. Дэви родился в Пензасе, в Корнуолле, 17 декабря 1778 года. Его отец был резчиком по дереву, а сам Дэви стал учеником аптекаря. Однако с 1797 года, вдохновившись книгой французского химика Антуана Лавуазье, Дэви принял решение стать химиком. Он был учеником у аптекаря, а по завершении обучения поступил помощником к врачу, который основал учреждение для исследования лечебных свойств газов. Уже в 20 лет Дэви стал заведующим учреждения и ставил эксперименты, опровергающие теорию о теплороде, предложенную самим Лавуазье, который вдохновил юношу к занятиям химией. Согласно данной теории, каждое тело обладает определенным количеством теплорода (вещества, отвечающего за тепловые процессы), и изменение температуры, происходящее при контакте двух тел с разной температурой, связано с передачей теплорода. Дэви показал, что при трении двух кусочков льда между собой они начинают таять, хотя не обладают достаточным для таяния количеством теплорода. После этого опыта он понял, что тепло каким-то образом связано с движением.

Член Королевского института

Уже став лектором Королевского института, в 1813 году Дэви опубликовал книгу, в которой впервые шла речь о применении химии в сельском хозяйстве. Однако самые заметные достижения сделаны Дэви в области электричества. Например, он создал самую мощную в мире батарейку, состоявшую из 250 металлических пластин. Это гигантское устройство использовалось для выделения калия, натрия, бария, стронция, кальция и магния. В 1811 году ученый серьезно пострадал из-за химического отравления, а через год сильно повредил себе глаза в результате взрыва трихлорида азота. Он был назначен президентом Королевского общества. Умер Дэви в Женеве 29 мая 1829 года, во время одного из путешествий по странам Европы, которые он совершал для обмена знаниями с коллегами-учеными.

* * *

С лекции он вернулся в восторженном настроении: наконец-то перед ним открылся путь, о котором он мечтал. Однако дорога домой пролегала по темным улицам, на которых так не хватало городского освещения, и Фарадей начинал понимать, что после завершения цикла лекций Дэви ему придется оставить эту жизнь, найти себе более оплачиваемую работу, чтобы содержать семью, и, в конце концов, отказаться от надежд и мечтаний. Конечно, можно попробовать каким-то образом привлечь внимание Дэви, который обладал достаточным авторитетом, чтобы открыть талантливому переплетчику дверь в науку. Ho как это сделать, было непонятно.

В течение следующих месяцев, за которые Фарадей посетил еще три лекции Дэви, ему пришла в голову идея. Майкл скопировал свой конспект лекций, переплел его в книгу с изысканной обложкой и вручил Дэви как подарок. Фарадей хотел произвести на ученого такое же впечатление, какое некоторое время назад он произвел на Денса Джунра, подарившего ему билеты на лекции Дэви. Вместе с прекрасно переплетенной книгой конспектов Майкл также вручил ученому письмо с просьбой о работе. Фарадей рассчитывал встретить то же восхищение, как и произведенное на Денса Джунра. Подаренная книга из 396 страниц в искусном переплете представляла собой начисто переписанный конспект с цветными иллюстрациями.

В это время Дэви сделал перерыв в чтении лекций: он был произведен королевой в рыцари, а также женился на богатой вдове и отправился в медовый месяц в Шотландию до конца года. Однако Фарадей терпеливо ждал реакции Дэви на свой подарок и просьбу. Для него это был последний шанс осуществить свою мечту. Ho ответа все не было, и Майкл был вынужден приступить к трудам в качестве переплетчика. Срок его ученичества у Рибо закончился, он получил работу у нового хозяина, Анри Деляроша, которая оплачивалась выше, но Делярош считал, что научные мечты Фарадея только мешают работе.

Наконец, 24 декабря элегантный лакей позвонил в дверь на Веймут-стрит и вручил Фарадею записку от самого ректора Королевского института Гемфри Дэви:

«Я очень далек от того, чтобы с неблагодарностью принять этот образец доверия, который Вы мне вручили и который является свидетельством рвения, внимания и способностей. Я вынужден отсутствовать в городе и не вернусь раньше конца января. Буду рад встретиться с Вами после возвращения, когда Вы пожелаете. Мне будет приятно помочь Вам в том, что будет в моих силах».

Фарадею был 21 год. Он встретился с Дэви, чтобы стать его учеником, однако ученый вынужден был отказать юноше, так как вакантных мест в институте не было. Майкл находился на грани отчаяния. Он видел перед собой только работу переплетчика, которая теперь казалась ему настоящим наказанием. Ho по воле судьбы помощник Дэви был уволен за драку, и ученый взял Фарадея под свое покровительство. Возможно, он решился принять на работу молодого человека без опыта, потому что и сам имел похожую судьбу: Дэви также в 22 года был принят лектором в Королевский институт его основателем Рум- фордом, несмотря на то что был молодым провинциальным ученым, и сам Румфорд сомневался в его талантах.

Дэви предложил Фарадею пост помощника в лаборатории — это была самая нижняя ступень в иерархии должностей Королевского института. Однако Фарадей принял предложение. Для него это была возможность попасть в круг образованных людей, оказаться в настоящей лаборатории, учиться у Дэви, а затем и самому подняться по социальной лестнице.

ПЕРВЫЕ ИСКРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Впервые у Фарадея появилась возможность изучить, что такое электричество. Такая же цель была и у физика, жившего в Дании, Ханса Кристиана Эрстеда (1777–1851).

В 1820 году Эрстед открыл, что под действием электрического тока стрелка компаса немного двигается, как будто бы сам ток ведет себя как магнит. Это открытие не смутило Фарадея, а напротив, подтвердило его убеждение в глубинной связи магнетизма и электричества. Все указывало на то, что обе силы взаимозаменяемы, но пока не было понятно, что в них общего. Если электричество может действовать как магнит, нужно было доказать, что магнетизм действует как электричество. Возможно ли получить электричество с помощью магнита?

Фарадей в те годы был очень живым и веселым юношей, и это подтверждает одна из историй, случившихся с ним в институте. Однажды вечером 1813 года он вместе со своим другом Эбботтом пробрался в лабораторию к запасам директора, чтобы подышать окисью азота — газом, вызывающим смех (или веселящим газом). При всем этом на работе Фарадей был очень серьезен и быстро показал себя как любознательный экспериментатор, трудолюбивый и аккуратный сотрудник, способный пойти ради дела на личные жертвы, что, вероятно, было следствием его религиозных взглядов. Однажды друг Фарадея Ричард Филлипс попросил его написать историческую справку об открытиях в области электричества для журнала Annals of Philosophy. Любой другой ограничился бы изучением нескольких библиографических источников, но Фарадей с невиданным энтузиазмом проштудировал все статьи, опубликованные по теме, а затем воспроизвел все описанные эксперименты. He ставя никаких далекоидущих целей, а лишь в ходе подготовки статьи Фарадей получил исчерпывающую информацию об электричестве, начал осознавать теоретические и экспериментальные границы знаний в этой области и задумался о новых исследованиях.

В ту эпоху было известно, что одинаковые электрические заряды отталкиваются. Также было известно, что электрический ток может создать магнитное поле: проходя по проводнику, он производит магнетическое действие, которое можно отследить с помощью компаса. Ho физики еще ничего не знали о природе электричества. Фарадей со своей незамутненной, как у ребенка, любознательностью предположил, что ближайшие исследования должны выявить связь между магнетизмом и электричеством. Это любопытство, а также сами поставленные цели могли бы возмутить ортодоксального ученого, но Фарадей, в отличие от современников-ученых, не был отягощен ни грузом академического образования, ни излишней привязанностью к математике, в развитие которой внес значительный вклад Исаак Ньютон в конце XVII века. Ньютонова вселенная работала как часы, в ней не было пустого пространства между твердыми телами, не было невидимой паутины связей между предметами.

Кроме того что разум Фарадея не был подвержен влиянию существовавшей научной парадигмы, у него было и другое преимущество перед современниками: Майкл был сандеманианцем, обладавшим безграничной любознательностью и искавшим Бога в законах природы. Он полагал, что законы должны быть понятны, и это стало для него еще одной искрой вдохновения.

«Меняла — полотно Рембрандта, позволяющее оценить, насколько плохо освещались помещения в XVIII веке.

Портрет Майкла Фарадея, появившийся в книге «Британское научное наследие» (Britain’s Herttage of Science), 1917 год.

Схема опыта Луиджи Гальвани, использовавшего электричество для оживления трупов лягушек.

В природе творения Бога никогда не могут находиться в противоречии с высшими предметами, относящимися к нашей будущей жизни.

Майкл Фарадей

Читая французского ученого Андре-Мари Ампера (1775–1836), Фарадей обнаружил, что тот уже установил связь магнетизма и электричества. Однако Майкл с трудом мог разобраться в работах Ампера из-за использовавшихся в них сложных математических выкладок. Он не понял гипотезы французского ученого о том, что электричество — это поток некоего флюида в проволоке и что поведение этого флюида можно смоделировать математически и раскрыть таким образом происхождение магнетизма. Так что для разгадки поставленной задачи Фарадей отталкивался от другого текста, который, к удивлению его современников, по большому счету не являлся научным, — сан- деманианской Библии.

ХРИСТИАНСКАЯ СЕКТА

Многие ученые, прежде чем сделать открытие, чувствуют себя частью некоего большого механизма, звеном в длинной цепи. Также научные находки часто оказываются не только плодом интеллектуальных усилий, но и случайностью. Например, Алан Ллойд Ходжкин (1914–1998), получивший Нобелевскую премию в области физиологии, ощущал легкое чувство вины за славу, пришедшую к нему после открытий, большая часть которых была сделана случайно. Математик Поль Дирак (1902–1984) считал, что его идеи пролились на него дождем с неба, и он сам не мог сказать, как они пришли ему в голову.

Это ощущение незаслуженности своего успеха было еще более сильным в случае с Фарадеем из-за его религиозного кредо. Подобное происходило с Николаем Коперником (1473–1543), говорившим о науке как о Храме Божием. Родители Фарадея были набожными людьми, членами небольшой протестантской общины сандеманиан, или гласитов. Эта община жила достаточно изолированно от остальных, буквально и строго воспринимала все христианские заповеди Нового Завета. Она была основана выходцем из Шотландии Джоном Гласом (1695–1773) и его зятем Робертом Сандеманом (1718–1771) с целью восстановить дух первых христиан. Основатели избегали интеллектуальных схоластических экзегез Библии, основываясь на детской вере, о которой Иисус просил своих учеников. Для сандеманианцев следование каким-либо другим учениям являлось ошибочным, кодекс поведения требовал не поддаваться никакому влиянию. Если гласит уличался в греховном поведении, его исключали из общины, как и рекомендовал Новый Завет. В число грехов входила и «недостаточная скромность». Фарадей всегда был горячим сторонником своей церкви, как и его будущая жена, и лучшие друзья. Это заставляло ученого вести очень суровый образ жизни и отказываться от почестей и должностей, которые предлагались ему в течение карьеры. В 1857 году Фарадей отказался стать президентом Королевского общества, хотя это один из высших постов, на который может претендовать ученый в Англии.

В качестве извинений Фарадей сказал, что эта должность требует слишком напряженной работы. В послании своему другу он писал: «Я должен оставаться просто Майклом Фарадеем до конца, и точка». Недаром сандеманианцы верили в небходимость телесных наказаний, ведь, согласно заповеди из Книги Притчей Соломоновых, 13:24, «кто жалеет розги своей, тот ненавидит сына; а кто любит, тот с детства наказывает его».

Религиозность Фарадея была, несомненно, весьма выразительным качеством в эпоху, когда многие верили в науку, технику и придерживались крайнего позитивизма. Эксперимент как средство познания мира, провозглашенный в «Новом органоне» (Novum organum, 1620) Фрэнсиса Бэкона (1561–1626), стал базой нового рационализма. Церковь теряла свои позиции в мире, где люди начали пользоваться беспрецедентными научными достижениями, например железной дорогой или Суэцким каналом. Некоторые ученые даже написали, что борьбе науки и веры пришел конец. Религия превратилась в более современную и утонченную систему верований: 31 марта 1848 года появился спиритизм, ставший демократичным способом общения с умершими близкими, что-то вроде мистического варианта телефона или телеграфа для связи с миром иным. Соответственно, полон иронии тот факт, что самый великий физик-экспериментатор XIX века был последователем самого традиционного варианта христианской веры. Более того, Фарадей подчеркивал свое отношение к спиритизму как к обману для несовершенных умов.

Вопреки всему, вера Фарадея не стала препятствием для научного познания, природа для него была написана «перстом Бога». Во время публичных лекций он объяснял свою позицию с помощью цитаты из Нового Завета, из Послания к Римлянам святого Павла (Рим, 1:20–21):

«Ибо невидимое Его, вечная сила Его и Божество, от создания мира через рассматривание творений видимы. He могут быть прощены те, кто познав Бога, не прославили Его, как Бога».

* * *

Ученые и вера в бога

Некоторые религиозные секты, такие как методисты или евангелисты, исповедующие дисциплину, упорство и строгость, породили немало талантливых исследователей. К ним относятся создатели паровых машин Ньюкомен (баптист) и Уатт (пресвитерианец), основатель атомной теории и квакер Джон Дальтон (1766–1844). В Великобритании развитие науки и техники происходило также в среде приходских священников, поскольку эти люди получали неплохое жалование за относительно небольшой объем деятельности и располагали большим количеством, свободного времени. Работа на этой церковной должности подразумевала в качестве sine qua non принадлежность к знати или обеспеченному слою населения. В 1851 году в Великобритании насчитывался 17 621 англиканский пастырь. Содержание им выплачивалось не церковью, а составлялось из ренты и десятины. Для того чтобы стать пастырем, необходимо было получить университетское образование.

Культурный и обеспеченный класс

Таким образом создавался высококультурный и обеспеченный класс. Его представителями были: глава прихода в Лестершире и изобретатель механического ткацкого станка Эдмунд Картрайт (1743–1823); преподобный Уильям Баклэнд (1784–1856) из Оксфорда, который впервые с научной точки зрения открыл динозавров и стал мировым экспертом по копролитам — окаменевшим каловым массам; преподобный Уильям Гринуэлл из Дарема, ставший отцом-основателем современной археологии; преподобный Джон Маккензи-Бэкон из Беркшира, пионер полетов на аэростате; настоятель прихода Кента Томас Байес (1702–1761), доказавший знаменитую теорему Байеса, которая используется для определения статистической вероятности на основании неполных данных.

Квакер Джон Дальтон

* * *

Такое отношение Фарадея к своим открытиям позволяет утверждать: для ученого не имело значения их практическое применение. Главной целью его работы было желание понять устройство природы, угадать след Бога, а не облегчить жизнь человека.

Именно поэтому, рассматривая очередную научную загадку, Фарадей использовал настолько своеобразный подход, что мог уловить некоторые аспекты, совершенно незаметные для ученых, получивших академическое образование. Как это ни странно, Фарадей буквально и беспрекословно воспринимал все, о чем читал в Библии, но проверял каждое утверждение, обнаруженное в других книгах, кем бы ни был их автор. Например, он был практически единственным, кто учитывал важность пустого пространства для законов притяжения и отталкивания электрических зарядов, находящихся на определенном расстоянии, или гравитационного притяжения между двумя материальными центрами массы.

Для изучения нового явления в науке определяющим критерием является тенденциозность. Исследователь может располагать большим количеством информации, но если фокус его исследований неверен, если его гипотезы несправедливы, он не сможет должным образом организовать имеющиеся данные. Поэтому у Фарадея было огромное преимущество по сравнению с другими учеными, которые из-за своей академической подготовки смотрели на вещи с определенных позиций: Фарадею не приходилось отбрасывать идеи из-за наличия каких-либо заранее установленных критериев, для него все критерии были изложены на страницах сандеманианской Библии. По странному стечению обстоятельств и учитывая, что религиозная литература не может быть надежным источником научного знания, Фарадей открыл магнитное поле, занимавшее пустое пространство вокруг магнита.

Его современники не могли себе представить, что что-то могло существовать в пустом пространстве, разделявшем два предмета. Им казалось, что должна существовать некая сила, перепрыгивающая с одного предмета на другой, — то, что Ньютон назвал дальнодействием. Однако религиозная доктрина о целостности и взаимосвязанности всех вещей позволила Фарадею представить поле, составленное из замкнутых петель, ведь округлая форма петель больше напоминала о Боге, чем просто линия, соединяющая две точки. Глубокая духовность Фарадея наряду с отсутствием математических знаний стала искрой вдохновения, которая помогла открыть электромагнитную индукцию — возникновение электрического тока в металлической проволоке при ее движении внутри магнитного поля. Благодаря этому духовному озарению в наших домах сегодня горит электрический свет.

Несмотря на все это, в нашем понимании личности Фарадея существуют некоторые пробелы. Большинство биографов той эпохи сознательно скрыли некоторые психологические последствия, которые имело для него сочетание религиозности и стремления к научному знанию. Как правило, все ограничивались утверждением, что Фарадей был честным, приятным и простым человеком просто благодаря своей вере. Однако в единственном известном психологическом анализе личности Фарадея, опубликованном в американском медицинском журнале в 1967 году, подчеркивается, что такое сочетание должно было быть очень болезненным для ученого. В короткой статье, подписанной Лайлом Эддаром, можно прочесть:

«Отчетливая амбивалентность его психологической структуры должна была вызывать невыносимое напряжение в его разуме; как результат, мы видим эпизод шизофрении, длившийся три года».

Кризис, о котором говорит Эддар, возможно, относится к периоду в начале 1840-х годов, когда Фарадей чувствовал подавленность и упадок сил — об этом мы будем говорить далее. В любом случае, результаты психоанализа Эддара изложены в слишком сжатой форме, чтобы делать какие-либо обоснованные выводы о неизвестных особенностях личности ученого. Был Фарадей до конца честен с самим собой или нет, однако он всегда подчеркивал, что не обнаруживает никакого противоречия между наукой и религией.

* * *

Религиозная вера как научное вдохновение

Несмотря на сегодняшнюю напряженную ситуацию между религиозными верованиями и научной истиной (согласно опросу, проведенному в Национальной научной академии США, 85% ее членов отвергают идею наличия персонифицированного Бога), для многих великих ученых прошлого вера была вдохновением и основой для формирования интеллекта, что позволило сделать много научных находок.

Например, несмотря на то что труды Николая Коперника были включены в Index Iibrorum prohibitorum, Список запрещенных книг Инквизиции, польский ученый утверждал, что для лучшего познания Бога необходимо проникнуть В тайны природы. Ему не казалось, неуместным вырвать Землю из центра Вселенной, так как вся природа для него была храмом Божьим и воспринималась целостной в своем разнообразии.

Сердце — начало жизни

Хирург Уильям Харви (1578–1657), прочитав о планетарных орбитах Коперника, выдвинул в 1628 году теорию, согласно которой человеческое тело имеет систему циркуляции, похожую на орбиты планет, — также согласно идее Божественного единства в разнообразии. Для Харви сердце было началом жизни, а Солнце — сердцем мира. Таким образом, религиозная вера вполне может стать источником вдохновения.

Уильям Харви

ГЛАВА 2.

Химическая искра

После того как старания и немного удачи позволили Фарадею попасть в самое важное научное учреждение страны, гениальность привела его к изучению загадок химии. В то же время его популярность становится примером того, как выходец из социальных низов может подняться до высоты, позволяющей работать бок о бок с учеными, обладающими мировой известностью.

Когда Фарадей начал работу в Королевском институте, электричество еще считалось частью химии, прежде всего потому что батарейка, изобретенная итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1800 году, позволяла получать электричество химическим способом.

Поэтому Фарадей продолжал свои исследования в области физики с использованием методов, характерных в его эпоху для химии. Был и другой фактор, благоприятствующий склонности Фарадея к этой науке: в химии не было математики, которой он не владел, при этом она включала активные опыты с природными явлениями, а Фарадей стал знаменит именно как экспериментатор.

Несмотря на поздний возраст для вступления на научную стезю, ученый под руководством Гемфри Дэви сразу же получил известность среди химиков. Позднее, в 1823 году, он провел ряд успешных экспериментов, также лежащих в области химии, по сжижению газов под давлением.

Первые химические работы Фарадея появились благодаря его учителю Дэви, которому в 1808 и 1809 годах удалось выделить натрий и калий с помощью самой большой в мире батарейки, созданной самим Дэви. Через год он использовал батарейку для выделения других элементов: стронция, бора, кальция и магния; в 1810-м — хлора; в 1812-м — йода; в 1826-м — брома. Этот успех был таким эффектным, что Наполеон, несмотря на то что Франция находилась в состоянии войны с Англией, наградил Дэви престижной премией Бонапарта Французской академии наук. Фарадей самостоятельно открыл в 1825 году бензол, который позже будет играть решающую роль в работах о молекулярной структуре Августа Кекуле (1829–1896).

ПЕРВЫЕ ОТКРЫТИЯ

Несмотря на то что Дэви принял Фарадея на работу, чтобы тот просто мыл пробирки и выполнял аналогичные задания, Майкл согласился на эти условия, пользуясь любой возможностью для того, чтобы приблизиться к настоящей науке.

Некоторое время спустя, в октябре 1814 года, Дэви попросил Фарадея стать его помощником и камердинером во время путешествия за границу. Для другого человека, не обладавшего скромностью Фарадея, это стало бы невыносимым унижением: сначала мойщик пробирок, теперь слуга. Ho Фарадей решил воспользоваться возможностью путешествовать с Дэви и увидеть Париж и города Италии — Геную, Флоренцию, Рим, Неаполь, Милан. Во время поездки он познакомился с лучшими учеными Европы — Алессандро Вольтой, которому было уже 70 лет, Андре-Мари Ампером, чьи публикации Фарадей с жадностью прочел еще в переплетной мастерской Рибо. Фарадей всегда носил с собой дневник, в котором тщательно описывал важные события, чтобы не забыть деталей, поэтому сейчас мы можем прочесть его впечатления от посещения Неаполя и восхождения на Везувий:

«На дымящейся лаве были расстелены скатерти, и неожиданно откуда-то появились хлеб, цыплята, тарелки, сыр, вино, вода и яйца, сваренные на горе, так был приготовлен импровизированный обед в том самом месте. […] После еды были подняты тосты за старую Англию и пропеты «Боже, храни королеву!» и «Правь, Британия, морями». Затем один господин, выходец из России, спел две песни своей страны, очень приятные, со странной и трогательной мелодией».

Путешествие длилось полтора года, за это время Фарадей немного научился говорить на французском и итальянском.

* * *

Батарейка Вольты

Итальянский физик Алессандро Вольта (1745–1827) 20 марта 1800 года сообщил в Королевское общество об изобретении электрической батарейки, представлявшей собой соединение медных и цинковых пластин, проложенных тканью, смоченной в слабом растворе кислоты. Первоначально Вольта назвал свое изобретение электрический искусственный орган, основываясь на экспериментах Гальвани над мертвыми лягушками, мускулы которых подергивались при пропускании постоянного тока. Вольта доказал, что если поместить два металла в кислый раствор, возникает электрический ток. В элементе Вольта происходила электрохимическая реакция, во время которой медь отдавала электроны в раствор, а цинк забирал их. Одновременно цинк растворялся, и на поверхности меди появлялся водород.

Электродвижущая сила

Такая батарейка могла производить электродвижущую силу (ЭДС) порядка одного вольта на каждое соединение дисков. Хотя электродвижущая сила на самом деле представляет собой другую силу, исторически сохранилось именно такое наименование для обозначения электрической энергии, производимой батарейкой в замкнутый контур от каждой единицы электрического заряда, перемещаемого вдоль всего контура. В честь Алессандро Вольта единица электродвижущей силы в международной системе единиц СИ называется с 1881 года вольт.

Открытие йода

Во время своего путешествия на континент Дэви сделал открытие, которое пошатнуло одно практически всеобщее мнение, господствовавшее среди химиков. В Париже Ампер и КлеманДезорм показали Дэви вещество, изготовленное из одного вида морских водорослей, открытого

всего два года назад Бернаром Куртуа (1777–1838). При нагревании новое вещество испускало фиолетовый дымок, который затем конденсировался в виде темных кристаллов. Вещество было похоже на хлор. Тогда существовало мнение, что все кислоты содержат кислород, поэтому, если хлор составлял кислоту в комбинации с водородом (хлоргидридная кислота), считалось, что это должен быть какой-то оксид.

Кристаллы йода.

Два новых элемента

Дэви отвергал теорию о том, что все кислоты содержат кислород, и доказал: хлор и новое вещество — разные элементы. Сразу же из Парижа он отправил письмо в Королевское общество с описанием нового вещества и предложил для него название йод — от греческого слова, обозначающего фиолетовый цвет. Сейчас мы знаем, что йод — элемент с атомным номером 53, являющийся важным компонентом нашего рациона: недостаточное его количество может привести к различным заболеваниям. Английский философ Бертран Рассел (1872–1970) использовал эти медицинские данные о йоде для опровержения существования бессмертной души: «Явно химического происхождения используемая для мышления энергия. К примеру, недостаток йода в организме превращает разумного человека в идиота. Феномены сознания, вероятно, связаны с материальной структурой».

* * *

Кроме того, должность камердинера и готовность выполнить любую просьбу Дэви принесли свои плоды: по возвращении в Лондон Дэви в качестве компенсации обеспечил Фарадею двойное повышение по службе — Майкл стал ответственным за оборудование, помощником в лаборатории и коллекции минералов, а также получил разрешение проводить самостоятельные эксперименты.

Итак, скромное поведение бедного переплетчика позволило ему поступить в Королевский институт. Гемфри Дэви взял над ним покровительство, и Фарадей смог путешествовать по Европе и знакомиться со знаменитыми учеными — именно так жили молодые британские аристократы после нескольких лет учебы в Оксфорде или Кембридже. Кроме того, перед исследователем открывалась первая возможность ставить собственные опыты. Фарадей, не обладая ни деньгами, ни связями, умудрился получить такое же образование, как и любой другой студент высокого происхождения.

ПЕРВЫЙ СОБСТВЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

В 1815 году, после возвращения в Англию, Фарадей длительное время занимался подготовкой материалов для лекторов Королевского института, а также проводил химический анализ проб воды, взятых в разных регионах Великобритании. Кроме того, он помогал Дэви в его исследованиях, среди которых можно выделить изобретение лампы для горняков. По всей видимости, мысль о данном изобретении, в конечном итоге спасшем много горных рабочих, пришла в голову Дэви из-за несчастного случая, произошедшего в 1812 году, когда от взрыва на глубине 180 метров погибли 92 взрослых и ребенка. Подземный газ метан, содержавшийся в рудничном газе, легко воспламенялся от свечей и ламп, используемых горняками. Дэви сконструировал лампу, в которую метан проникал и выходил через маленькие трубки. Пламя было защищено сеткой из проволоки с 127 отверстиями на квадратный сантиметр, поэтому тепло от лампы не распространялось наружу и не вызывало воспламенения газа.

* * *

Открытие «Люцифера»

В 1826 году Майкл Фарадей посоветовал своему коллеге, химику и фармацевту Джону Уолкеру (1781–1859), зарегистрировать патент на, как ему казалось, важное изобретение — спички, зажигающиеся от трения. Считается, что открытие было случайным.

Джон Уолкер

Уолкер взял хлорат калия, сульфид сурьмы, камедь и крахмал и перемешал их деревянной палочкой. Смесь засохла на конце палочки, а когда Уолкер решил очистить ее и потер палочкой о пол, вспыхнуло пламя. Уолкер не считал, что его изобретение достойно патента, он воспринимал его скорее как естественную химическую реакцию. Однако на следующий год некто

Сэмюэль Джонс, присутствовавший на демонстрации опытов Уолкера, зарегистрировал патент на спички, которые скоро появились в продаже под названием «Люцифер». Возможно, название «Люцифер» звучало лучше, чем «спички, зажигающиеся от трения», или потому что ими было очень удобно зажигать сигары, однако продажи табака вместе со спичками сильно возросли. Проблема состояла в том, что запах от химической реакции спичек «Люцифер» был очень сильным, они горели с большим количеством искр, а пламя было нестойким, так что использование этих спичек было более вредным для здоровья, чем курение табака.

Фарадей — мое величайшее открытие.

Гемфри Дэви

Однако возможность показать себя представилась Фарадею несколько позже. Его первым собственным экспериментом стал анализ образца негашеной извести, взятого в Италии. Результаты этого эксперимента были опубликованы в 1816 году в Quarterly Journal of Science под заглавием «Анализ каустического известняка из Тосканы». Благодаря передовому техническому оборудованию, которое попало в распоряжение Фарадея, он сразу же проявил себя как прекрасный экспериментатор, так что распространилось мнение, что его по заслугам можно назвать достойным преемником Дэви.

Вскоре Фарадей открыл два хлорида углерода и вместе с Ричардом Филлипсом подтвердил наличие третьего. В 1826 году он установил, что каучук состоит из углеводородных цепей, и предположил, что в дальнейшем будет возможно создание синтетического каучука. Это открытие для той эпохи нельзя недооценивать, так как каучук — довольно странное вещество. Когда европейцы (это были португальцы), вернувшиеся из Бразилии, привезли первые образцы каучука, многие решили, что это вещество наверняка связано с колдовством: его кусочки не только обладали эластичностью, но и могли стирать написанное карандашом — так появилась первая в истории резинка (до этого вместо нее использовали хлебный мякиш).

Затруднение состояло в том, что дерево (Hevea brasilensis), из которого получали каучук, росло только в Южной Америке. Одному английскому биологу пришлось перевезти на родину 70 тысяч его семян. В 1770 году инженер Эдвард Нэрн (1726–1806) впервые начал продавать в Лондоне маленькие блоки каучука, которые предполагалось использовать в качестве стирательной резинки, стоили они по три шиллинга, и такая цена делала их настоящим предметом роскоши. При этом блоки быстро портились и начинали издавать ужасный запах. Проблема была решена только в 1839 году, когда американец Чарльз Гудьир (1800–1860) обнаружил, что при нагревании каучука с серой масса становилась менее липкой, более твердой, сохраняла при этом эластичность и, самое главное, больше не портилась. Процесс назвали вулканизацией в честь римского бога огня Вулкана.

ОТКРЫТИЕ БЕНЗОЛА

Одно из самых важных открытий Фарадея в области химии было связано с его братом, китами и прозрачной бесцветной жидкостью, имевшей запах миндаля.

В середине 1820-х годов старший брат Фарадея, Роберт, начал работать в компании по поставкам газа, использовавшей в качестве сырья китовое масло — вещество, дающее лучший свет в ту эпоху.

Масло получали из спермацета, содержащегося в голове кашалота. От одного кашалота можно было получить до трех тонн спермацета. Моряки назвали это вещество так, потому что при контакте с воздухом оно из жидкого и прозрачного превращалось в беловатый крем. Его природная функция до сих пор неизвестна, возможно, спермацет требуется кашалоту, чтобы избежать декомпрессии при плавании на глубинах более 500 метров. Продукт был очень ценным: он использовался для освещения, в качестве эмолента при производстве мыла и красок, так что, по оценкам, с 1830 по 1870 год было истреблено около 300 тысяч китов. Спрос был настолько высок, что около 1850 года галлон китового масла продавался за 2,5 доллара — половину недельной зарплаты рабочего.

В процессе распределения газа по емкостям образовывались отходы в виде легкого масла. Фарадей сделал его анализ в 1825 году. После длительной и трудоемкой процедуры дистилляции, в течение которой нужно было отделить сотни составляющих, ученый получил вещество, распространяющее аромат, похожий на миндальный. Это был очищенный углеводород, который Фарадей назвал бикарбидом водорода, так как он состоял из водорода и углерода. Позднее, в 1834 году, немецкий химик Эйльхард Митчерлих (1794–1863) дал этому углеводороду название бензол.

В начале развития органической химии органические соединения разделялись на ароматические (душистые) и алифатические (жирные). Первые соединения имели различные запахи, например толуол пах ванилью и корицей. В основном все запахи были приятными, отсюда и название «ароматические».

Когда позднее была изучена необыкновенная стабильность связи водород — углерод в других соединениях, термин «ароматические» распространился на все соединения, обладавшие такой стабильностью независимо от запаха.

В 1865 году немецкий химик Фридрих Кекуле увидел сон, в котором змея кусала себя за хвост, и открыл кольцевую структуру молекулы бензола за два года до смерти Фарадея. В ту эпоху уже было известно, что бензол состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода (C_6H_6), но структура его молекулы была неясна.

Кекуле уверял, что идея, приведшая его к открытию структуры молекулы ароматического углеводорода бензола, возникла у него после увиденного сна, в котором появлялась змея, кусавшая себя за хвост, — традиционный символ древнейших культур, известный как уроборос. Это и привело ученого к идее рассмотреть возможность кольцевой молекулы бензола.

В 1865 году Кекуле опубликовал статью, в которой высказал мнение, что атомы углерода составляют замкнутую структуру в виде шестиугольника, используя поочередно одну или две валентности для соединения между собой, а атомы водорода присоединяются к оставшимся валентностям (см. схему). Это новое понимание структуры бензола и всех ароматических соединений оказалось очень важным для дальнейшего развития науки.

Формула бензола.

Сегодня бензол — один из основных химических продуктов по мировым объемам производства, количество способов его применения бесконечно: он используется при изготовлении разных видов резин, смазок, красок, порошков, медикаментов, пестицидов, на его основе производятся другие химические продукты, используемые при изготовлении пластмасс, смол и синтетических волокон, в том числе кевлар. Хотя свойства бензола сегодня изучены наиболее хорошо по сравнению с другими органическими соединениями, точная химическая структура вещества не была определена до недавнего времени — 1931 года.

Продолжительное воздействие бензола может вызывать лейкемию — уменьшение количества красных кровяных телец и увеличение белых.

Фарадей объединил результаты всех исследований в области химии в работе «Химические манипуляции» (Chemical manipulation), в которую включил и открытие бензола — свое последнее важное открытие, относящееся исключительно к области химии. Книга понятна даже неспециалистам, так как адресована студентам, не имеющим предварительных знаний по предмету. Фарадей избегал в ней сложных теоретических описаний, характерных для учебников той эпохи, и акцентировал внимание на экспериментах, так что работу можно считать своеобразным практическим руководством по химическим процессам.

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

Вернемся на несколько лет назад, в 1823 год, когда, используя сжатие и охлаждение, Фарадей смог добиться сжижения различных газов — хлора, диоксида водорода, сульфгидрильной кислоты — и опубликовал первое серьезное исследование по сжижению газов, что было его важнейшим открытием в области химии. Ученый также стал пионером криогенеза и первым получил температуру ниже 100 градусов по Фаренгейту.

Процесс сжижения газов состоит в общем виде из нескольких этапов, включающих изменение температуры и давления для перевода вещества из газообразного состояния в жидкое. Уже в 1681 году Дени Папен установил, что вода в закрытой емкости остается в жидком состоянии даже при превышении температуры кипения 100 ºС. С тех пор велись исследования, чтобы выяснить роль давления и температуры в процессах сжижения газов. В 1783 году Джеймс Уатт, создатель первой паровой машины, открыл, что латентное тепло парообразования (или энергия, необходимая для перехода из жидкого состояния в газообразное) изменяется с увеличением давления.

При увеличении давления и повышении предела точки кипения Уатт наблюдал, что латентное тепло постепенно уменьшается до достижения предела, в котором практически пропадает.

* * *

Газовые законы

Основное отличие газа от твердых или жидких веществ состоит в том, что его молекулы находятся далеко друг от друга и перемещаются во всех направлениях. Ян Баптист ванн Гельмут ввел термин газ на основе греческого слова хаос («беспорядок»). Постепенно ученые пришли к выводу, что поведение газов можно изучить на основании отношений между их температурой, давлением и объемом. С XVII века начали устанавливаться первые газовые законы.

— Закон Бойля — Мариотта, сформулированный Робертом Бойлем и Эдмом Мариоттом в XVIII веке, утверждает, что для определенного количества газа при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален давлению данного газа.

— Закон Шарля — Гей-Люссака, сформулированный французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1802 году, утверждает, что для определенного количества газа при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален температуре данного газа и для определенного количества газа при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его температуре.

— Закон Авогадро, сформулированный Амедео Авогадро в 1811 году, утверждает, что при одинаковых условиях давления и температуры одинаковые объемы разных газов содержат одинаковое количество молекул.

— Закон Грэма, сформулированный Томасом Грэмом в 1829 году, утверждает, что движение молекул двух или более газов дает в результате смешение молекул, в закрытой емкости такое смешение быстро образует гомогенную массу. Однако этот процесс меняется при наличии возможности для газа выйти из емкости через маленькие отверстия, или поры (так называемая эффузия газа). Скорость эффузии газов обратно пропорциональна квадратному корню плотности газа.

* * *

Фарадей знал о возможности сжижения газов: с 1799 года — аммиака (NH_3) с помощью сжатия или охлаждения, с 1800 года — диоксида серы (SO_2) с помощью охлаждения, хлора (Cl_2) с помощью сжатия. В 1823 году ученый осуществил серию экспериментов, являющихся первой попыткой систематизировать исследования по сжижению газов. Во время этих экспериментов были сжижены диоксид углерода (CO_2), диоксид серы (SO_2), оксид азота (N_2O), этилен (C_2H_4), моноксид азота (NO), аммиак (NH_3), хлоргидридная кислота (ClH), хлор (Cl_2), сульфгидрильная кислота (SH_2), цианистоводородная кислота (CNH). Также он смог добиться сжижения водорода (H_2), кислорода (O_2), азота (N_2) и моноксида углерода (CO).

В 1845 году Фарадей вернулся к своим экспериментам и пришел к выводу: при достижении определенной температуры маловероятно, что увеличение давления, за исключением очень больших скачков, превратит газ в жидкость. Хотя он рассматривал и другую возможность — что некоторые газы, которые он не смог превратить в жидкость, являются постоянными, то есть газами, сжижение которых невозможно. Сегодня известно, что все газы можно подвергнуть сжижению. В 1869 году ирландский химик Томас Эндрюс (1813–1885) открыл, что диоксид углерода можно превратить в жидкость под давлением при температуре ниже 31 ºС. Выше этой температуры невозможно достичь давления, которое могло бы превратить этот газ в жидкость.

Все эксперименты подкрепляли атомные гипотезы той эпохи. В случае с водой, например, объяснялось, что плотность жидкости выше плотности газа, соответственно при сжатии газа возможно сжать или приблизить друг к другу атомы, при этом будет «выжиматься» теплота. Также существовало мнение, что можно сжижать вещества при достаточном охлаждении на основании того, что при нагревании они испаряются. В течение XIX и первой половины XX века было выяснено: все вещества могут становиться твердыми или, по крайней мере, сжижаться до достижения температуры -273ºC, что является наименьшей теоретически возможной температурой.

Портрет Фарадея, написанный в 1842 году Томасом Филлипсом.

Безопасная лампа, изобретенная Гемфри Дэви.

Аппарат для сжижения газов, придуманный Луи-Полем Кайете. Гравюра опубликована в журнале Scientific American в 1878 году.

В заключение можно сказать, что все газы могут быть сжижены, но существуют температурные пределы, выше которых сжижение некоторых газов невозможно даже при воздействии на них колоссальным давлением. Этот предел называется критической температурой газа. Также существует величина критического давления, измеряемая в атмосферах[1], определяющая необходимую величину давления для сжижения газа при его критической температуре.

Так, для углекислого газа критическая температура равна 31ºС, критическое давление — 73 атмосферам; для кислорода — 119ºC и 50 атмосфер; для азота — 147ºC и 34 атмосферы; для аммиака — 132ºС и 112 атмосфер.

СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ

Среди характерных черт Фарадея (например, способность к самообучению и влияние религии на мышление) нужно подчеркнуть и его приверженность в исследованиях некоторым интеллектуальным установкам, которые помогли ему добиться признания. Эти установки ученый почерпнул в книге «Совершенствование разума» (1815, The improvement of the mind) Исаака Уоттса (1674–1748), которую он в юности переплетал в книжной лавке Рибо.

Истина все же скорее возникает из ошибки, чем из спутанности.

Афоризм Фрэнсиса Бэкона, который больше всего ценил Фарадей

Уоттс говорил, что в первую очередь нужно поддерживать обширную переписку. В течение своей жизни Фарадей обменивался письмами с учеными и экспертами по всем дисциплинам. Также необходимо иметь сотрудников, с которыми можно обсуждать идеи. Фарадей сразу понял, что научная работа — это не борьба героев-одиночек в поисках ускользающей правды, это скорее обмен мнениями, сотрудничество. По мере возможности необходимо избегать деструктивных споров: личные конфликты никаким образом не способствует поиску научного знания.

* * *

Записи прославленных умов

Интеллектуал, всегда носящий с собой блокнот для записи мыслей и открытий, является традиционным образом, возникшим много веков назад. Эразм Роттердамский (1466–1536), например, обычно делал записи в книгах, которые читал, усваивая их идеи, а также удерживая в памяти информацию, которую удалось почерпнуть.

Он предлагал студентам и профессорам носить с собой блокнот, организованный по темам. Это же советовал и Сенека: «Мы должны подражать пчелам: вычитанное из разных книг разделять, потому что порознь все сохраняется лучше». В эпоху Возрождения студенты, как правило, носили при себе тетрадь, называемую книга общих мест, или просто общие места, в которую записывали все, что было достойно запоминания.

Фрэнсис Бэкон замечал, что «с трудом можно найти что-либо более полезное […], чем хорошее и мудрое обобщение записей из общих мест».

По словам преподавателя лингвистики Американского университета Наоми Барон, в XVIII веке книга общих мест была «средством выражения, хроникой интеллектуального развития». Тетради для записи всегда вел и Чарльз Дарвин, благодаря чему мы можем шаг за шагом проследить, как он пришел к теории об эволюции видов. Джон Локк начал вести такие тетради в 1652 году, на первом курсе Оксфорда.

Тетрадь Чарльза Дарвина, 1837 год. B ней впервые можно увидеть диаграмму в форме дерева, лежащую в основе эволюционной теории

* * *

Также Уоттс настаивал на том, что необходимо проверять все, что говорится и делается без обобщений, а говорить и писать нужно точно и понятно. Как мы видим, Фарадей был прекрасным писателем, способным дать представление о своих открытиях в понятной и четкой форме, не прибегая к математическим уравнениям, будто бы перенося свой ясный ход мыслей на бумагу. Также он стал одним из крупнейших популяризаторов науки своей эпохи, особенно это касалось его участия в публичных лекциях.

Еще одним важным аспектом, который выделял Уоттс, было ведение постоянных записей в блокноте. Фарадей строго следовал этому правилу и даже планировал собственноручно переплести все свои записи, чтобы получить большую книгу обо всех вещах, которые он узнал и не хотел бы забыть. Стремясь к порядку, ученый преобразовывал все данные, полученные в ходе экспериментов, в письменные работы — так он сам следовал собственному лозунгу, который однажды раскрыл английскому химику Уильяму Круксу: «Работай. Заверши. Опубликуй». Кроме 450 статей, его наследие включает следующие публикации: «Химические манипуляции» (изложение в четырех томах исследований Фарадея в области химии, 1827), «Экспериментальные исследования по химии и физике» (дополнение к предыдущей работе, 1859), «Экспериментальные исследования по электричеству» (три тома, опубликованных с 1839 по 1855 год), «Силы материи и их взаимоотношения» и «История свечи» (обе работы основаны на рождественских лекциях для юношества за 1860 и 1861 год соответственно), «Дневник Фарадея» (изложение семи томов рукописных записей ученого по лабораторным исследованиям в Королевском институте с 1820 по 1862 год).

Фарадей записывал различные идеи, которые надеялся однажды рассмотреть подробнее, а также вопросы, требовавшие ответов. Вопросы, на которые ему удавалось найти ответ, вычеркивались из списка, рядом он ставил дату, когда нашел решение. Например, среди ряда его идей, которые планировались для изучения в 1822 году, были переход магнетизма в электричество, состояние электричества внутри и на поверхности проводников, связь отклонения шарика из косточки бузины с изменением электричества в результате индукции.

Шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879), собравший наследие Фарадея, чтобы расширить его исследования и перевести его идеи на язык математики, так пишет о жизненных установках ученого, противопоставляя его другому гению электричества, французу Андре-Мари Амперу:

«Фарадей, напротив, показывает нам как свои неудавшиеся эксперименты, так и успешные, свои смутные догадки и хорошо разработанные идеи, поэтому читатель вне зависимости от уровня своих мыслительных способностей чувствует интерес, восхищение и думает, что при возможности тоже мог бы быть великим открывателем. Таким образом, каждый студент обязан прочесть работы Ампера, представляющие безукоризненный пример научного стиля при обосновании открытия, но также нужно изучать Фарадея, чтобы культивировать свой научный дух с помощью рассмотрения воздействия и реакции между новыми фактами, раскрытыми и представленными Фарадеем, и процессом рождения идей в его голове».

ГЛАВА 3.

Электрическая искра

Взявшись за вопросы электричества и магнетизма, Фарадей приблизил наступление великой экспериментальной революции. Его открытия, совершенные с использованием собственного метода, подсказанного твердой верой, привели к важным социальным изменениям: благодаря огромной силе, скрывавшейся в электромагнитных явлениях, не только возрос уровень жизни сограждан ученого, но и встал вопрос полного переоборудования производств, созданных в годы промышленной революции.

Как уже говорилось, в начале XIX века электричество больше связывалось с химией, чем с физикой, поэтому исследования Фарадея в области химии привели его к экспериментам с электричеством. В действительности ученый первым начал отделять электричество от химии, подчеркивая его фундаментальную связь с физикой.

Термин электричество происходит от древнегреческого слова «янтарь» — elektron. Этот материал, потертый о шерсть, притягивает волокна соломы. В 1600 году Уильям Гильберт (1544–1603) выяснил, что этим странным свойством обладает не только янтарь, но также стекло, сера, соль и другие материалы, которые мы называем диэлектриками. Век спустя Стивен Грей (1666–1736) провел эксперименты, доказавшие, что электричество переходит с одних тел на другие, если они соединены металлом. В 1773 году Шарль Дюфе (1698–1739) открыл два вида электростатического взаимодействия — смоляное и стеклянное. Разные виды взаимно притягиваются, одинаковые — отталкиваются. Позднее Бенджамин Франклин сделал вывод о том, что каждое тело обладает определенным количеством электрического флюида: при трении одного тела о другое нарушается равновесие, у одного из тел возникает нехватка флюида (-) (эквивалентно смоляному электричеству), а у другого — избыток (+) (эквивалентно стеклянному электричеству). К 1760-м годам Даниил Бернулли, Пристли и Кавендиш пришли к выводу о том, что электростатическое взаимодействие изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, как и в случае с гравитационным взаимодействием. В 1785 году Шарль Кулон измерил данную зависимость, представив ее в виде закона, который сейчас носит его имя.

И все же, несмотря на некоторые достижения, электричество оставалось абсолютной загадкой. По словам нобелевского лауреата по физике Леона Ледермана (р. 1922), в эпоху, когда жил Фарадей, электричество вызывало столько же вопросов, сколько сегодня вызывают кварки — мельчайшие неуловимые частицы, входящие в состав протонов и нейтронов. Ни одна из имевшихся тогда обоснованных научных формул не могла объяснить явление, при котором ток проходит по медной проволоке и притягивает металлические опилки, несмотря на то что между ними только пустое пространство.

Уже в 1812 году Фарадей, проявляя склонность к экспериментаторству, заинтересовался этой загадкой и изготовил гальваническую батарею из семи монеток по одному пенни, семи цинковых дисков и шести листов бумаги, смоченных в растворе соляной кислоты. К сожалению, юношу отвлекли от собственных исследований задания, полученные от Дэви, так что Фарадей вернулся к собственной линии экспериментов спустя многие годы — после смерти Дэви в 1829 году. Ученый приступил к работе по данной теме, что привело к революции в существующих взглядах на электричество и магнетизм.

После открытия в 1821 году датским химиком Хансом Кристианом Эрстедом магнитного поля, образуемого электрическим током, Фарадей еще раз обратился к практике и создал серию аппаратов для получения, как он это называл, электромагнитного вращения. Так впервые появились электрический двигатель и динамо-машина. В 1831 году благодаря экспериментам, поставленным совместно с изобретателем и членом Королевского общества Чарльзом Уитстоуном (1802–1875), Фарадей начал изучать явление электромагнитной индукции и открыл, что при движении магнита в катушке индуцируется электрический ток. Это позволило математически описать закон, согласно которому магнит может производить электричество.

Однако работу Фарадея нарушило неожиданное препятствие — любовь. Это была 23-летняя дочь одного из членов общины сандеманиацнев, Сара Барнард (1800–1879). Она сразу же привлекла внимание ученого, но поставленные им цели в науке были так высоки, что он считал любую другую деятельность, в том числе любовь, лишь отвлекающим от работы фактором. Фарадей даже написал стихотворение, в котором обвинял любовь в том, что она отвлекает мужчин от важных дел. По иронии судьбы, именно это стихотворение стало причиной сближения Майкла и Сары: девушка очень обиделась на текст, и Фарадею пришлось объясниться с ней, чтобы восстановить хорошие отношения. В результате 12 июня 1821 года Майкл Фарадей, сын кузнеца-сандеманианца, заключил брак с Сарой Барнард, дочерью серебрянщика и сандеманианского пастора.

Одержимый научной работой, он попросил у жены разрешения вместо свадебного путешествия посвятить время, которое они должны были провести вместе, написанию статьи по истории электричества и магнетизма. Его жена, терпеливая и хозяйственная, как все женщины в общине сандеманианцев, не возражала против этой необычной просьбы.

Тогда Фарадей принялся читать все книги из библиотеки Королевского института об электричестве и магнетизме, воспроизводя описанные в них эксперименты. К концу августа 1821 года он провел уже более сотни опытов, но один никак не выходил из его головы, даже когда статья была уже сдана в Annals of Philosophy. Это был эксперимент Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1819 году и ставший первым в истории опытом по электромагнетизму.

* * *

Первый эксперимент по электромагнетизму

Ханс Кристиан Эрстед родился в Дании в 1777 году, изучал физику в Копенгагенском университете, ему принадлежит первое эмпирическое доказательство взаимосвязи магнетизма и электричества. Об этом открытии стало известно в 1820 году, что ознаменовало собой новую научно-техническую революцию, подобную той, которую вызвало изобретение паровой машины. Первые опыты были проведены Эрстедом в 1819 году во время практического объяснения на занятии: он приближал намагниченную стрелку к проволоке, по которой проходил электрический ток. Стрелка разворачивалась перпендикулярно проволоке. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°, сохраняя перпендикулярность по отношению к проволоке.

Ханс Кристиан Эрстед

ПРЕВРАТИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В ДВИЖЕНИЕ

Фарадей заметил в опытах Эрстеда одну маленькую деталь, которая, как казалось, содержала ключ к пониманию проблемы.

Он догадался, что магнетизм электрического тока всегда отклоняет стрелку компаса в одну сторону. Например, если положить компас на стол, а электрический ток будет проходить от пола к потолку, стрелка компаса всегда будет вращаться против часовой стрелки и никогда — по часовой. Фарадей был не просто великим экспериментатором: он уделял большое внимание незначительным деталям, а не великим следствиям — возможно, эта привычка к скрупулезности была приобретена за годы работы переплетчиком. Как бы то ни было, ученый непрестанно думал об этой детали: почему стрелка компаса в опыте Эрстеда при определенном направлении тока всегда поворачивается только в одну сторону?

Тогда в голове Фарадея созрел образ, который помог ему сформулировать гипотезу, объясняющую это явление. Он представил себе, что как поток теплого воздуха иногда превращается в вихрь, так и восходящий электрический ток создает спиральные магнитные потоки, вызывающие отклонение стрелки компаса. Для проверки своей догадки Фарадей разработал эксперимент, который показал бы, что магнитные вихри могут двигать любой намагниченный предмет, а не только стрелку, как у Эрстеда.

Через несколько недель Фарадей достиг своей цели. В начале сентября он опустил в сосуд с ртутью намагниченный на одном конце стержень: он плавал вертикально, как маленький поплавок. Затем ученый вертикально поместил в сосуд проволоку, по которой сверху вниз шел электрический ток. Намагниченный поплавок начал двигаться вокруг проволоки против часовой стрелки, как будто влекомый невидимым вихрем (см. схему). Таким образом, его догадки подтверждались, а кроме того, в результате получился первый в мире примитивный электрический двигатель. Фарадей превратил электричество в движение, которое могло выполнять работу. Произошло это 3 сентября 1821 года.

Описание эксперимента Фарадея было опубликовано в октябре 1821 года в Quarterly Journal of Science под ничем не примечательным заголовком, принимая во внимание следствия, которые повлекло за собой это открытие:

«О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма». Статья стала очень популярной и была переведена на более чем десяток языков.

Первый электрический двигатель, созданный Фарадеем в 1821 году.

Довольно скоро ученые всего мира повторяли эксперимент скромного сына кузнеца, поднявшегося до высоты Эрстеда, Ампера, Aparo и других знаменитых экспериментаторов.

МЕРТВАЯ ТОЧКА

Казалось, что Фарадею предназначено судьбой стать революционером в области электромагнетизма. Ему даже удалось избавиться от ограничений брака и полностью посвятить себя науке, но на пути ученого возникло новое препятствие. Разочарование пришло со стороны, откуда Фарадей его ожидал меньше всего, — от наставника и покровителя Гемфри Дэви. По-видимому, за несколько дней до публикации статьи, прославившей Фарадея на весь мир, Дэви в приступе ревности распустил слухи, что идея изобретения электрического двигателя была украдена у одного из членов правления Королевского института, Уильяма Хайда Волластона.

Фарадей сразу же захотел опровергнуть слухи и договорился с Волластоном о встрече, чтобы тот мог осмотреть его оборудование, использованное для эксперимента. Волластон вынужден был признать, что хотя его собственное оборудование было схожим, Фарадей не совершал плагиата: просто обоих ученых озарила одна и та же идея с разницей в несколько дней. В конце концов Волластон сдался перед скромностью и простотой, с которой защищал себя Фарадей, и публично оказал коллеге поддержку. Скромный Фарадей отказывался даже подумать, что распустить слухи мог Дэви, хотя в то же время он чувствовал себя крайне смущенным из-за того, что его покровитель не выразил ему своей поддержки в этом инциденте.

Подозрения подтвердились через два года: после того как Фарадей открыл способ сжижения хлора, он позволил Дэви прочесть его статью до публикации. Дэви не только внес свои исправления, но и изменил работу таким образом, что можно было подумать, будто идеи открытия принадлежали ему. Последние 20 лет Дэви сам пытался найти способ сжижения хлора, и он не хотел, чтобы открытие полностью принадлежало его молодому ученику. Фарадей, частично желая избежать нового скандала, подобного тому, который произошел с Волластоном, частично из-за своей сандеманианской скромности, решил уступить наставнику:

«Хотя я и сожалел, что теряю свои исследования, но я слишком многим был обязан ему за его любезность со мной в прошлом, для того чтобы говорить, что это было моим, в то время как он говорил, что это было его».

Несмотря на все препятствия, карьера Фарадея продолжала развиваться, и он поднялся до вершин, о которых не мог и мечтать: через два месяца он стал кандидатом в члены Королевского общества, старейшего научного общества Соединенного Королевства и одного из старейших в Европе. И снова Дэви поддался чувству ревности к своему ученику и не только не поддержал его кандидатуру, но начал активную кампанию против Фарадея, вытащив старую историю о «плагиате» у Волластона. Для того чтобы очистить свое имя от подозрений, Фарадей опубликовал статью с описанием всех событий, связанных с открытием электродвигателя, и снова получил поддержку Волластона. После этого Дэви прекратил свои нападки. В итоге 8 июля 1824 года Майкл Фарадей практически единогласно был избран членом Королевского общества. Единственный голос против, несмотря на секретность выборов, небезосновательно приписывают Дэви.

В 1825 году Фарадей стал директором Королевского института. Но эти повышения никак не способствовали его работе в области электромагнетизма. Отсутствие новых открытий было связано с нехваткой времени: Дэви решил нагрузить Фарадея рутинной работой, чтобы тот не имел возможности проявить свои прекрасные способности. Например, он попросил Фарадея заняться совершенствованием качества стекла для телескопов и других оптических инструментов. Вместе с астрономом Джоном Гершелем (1792–1871) из Кембриджа и создателем оптических приборов Джорджем Долландом (1774–1852) Фарадей изучал образцы стекла, которые должны были быть отшлифованы в форме линзы.

Книга природы написана перстом Бога.

Майкл Фарадей

Так как он с трудом продвигался в новой области, то попросил Королевское общество и Королевский институт построить ему печь, чтобы самому заняться выплавкой стекла. Два года Фарадей напряженно трудился, отойдя от собственных исследований, но не высказывая никаких жалоб. Кроме того, новая работа помогла ему углубить знания в областях, на которые в другой ситуации он бы не обратил внимания. Например, Фарадей изготовил образцы стекла, которые в 1845 году помогли ему открыть магнитооптический эффект.

Ученый освободился от ревности Дэви совершенно неожиданно: его покровитель умер 29 мая 1829 года. Теперь он мог, не отвлекаясь, заняться электромагнетизмом.

Всего за 12 лет, попав в Королевский институт как простой помощник в лаборатории, Фарадей достиг ослепительных высот, недоступных никакому другому ученому в этом учреждении. Но Фарадей совершенно не был тщеславен и продолжал упорно работать над вопросами, возникшими у него после открытия электродвигателя. Например, если электричество порождает магнетизм, возможно ли, чтобы и магнетизм создавал электричество? Этим вопросом задавались многие другие ученые той эпохи, но никто, даже Эрстед, не мог найти ответ.

Фарадей был настолько одержим задачей, что принял решение посвятить себя исключительно связанным с ней исследованиям, и это пробивало ощутимую брешь в его бюджете. Большая часть доходов ученого, позволявших ему содержать семью, была связана с работой технического консультанта. Но так же как в юности Фарадей отказался от работы переплетчиком ради того, чтобы стать простым помощником Дэви, сейчас он снизил свои доходы (по примерным подсчетам, на две трети), чтобы понять, как Создатель предписал функционировать природе.

ПРЕВРАТИТЬ МАГНЕТИЗМ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Однажды, когда Фарадей, погруженный в размышления о религии, плыл на маленькой лодке по озеру в Швейцарии, на него снизошло озарение. Перед ним на фоне водопада появилась радуга. Это было почти мистическое явление, которое развеялось с первым порывом ветра, разогнавшим водяную взвесь. Но затем ветер подул в другую сторону, и радуга появилась вновь. Фарадей долго смотрел, как радуга то появлялась, то исчезала, покорная капризам ветра. Он понял, что на самом деле радуга никуда не исчезала, даже когда ее место оставалось пустым. Получалось, что пустота могла что-то содержать в себе, в том числе и пустота, описанная в уравнениях Ньютона, которые так поддерживали все члены Королевского института. Как мы уже говорили, буквальное прочтение Библии сандеманианцем Фарадеем повлияло на его взгляды. Пустота на самом деле не была пустотой. Вещи связаны невидимой паутиной.

В течение 1830 года и наиболее интенсивно — в 1831-м Фарадей добросовестно пытался найти доказательства для своих догадок. Он был настолько одержим идеей, что находил все больше свидетельств существования невидимой матрицы. Словно сам Бог вел ученого по правильному пути. Вера Фарадея в собственную концепцию пустоты была непоколебима, и он пристально рассматривал мир вокруг себя в поисках следов Создателя.

Возможно, было и другое объяснение, подстегивавшее жажду Фарадея к открытиям. Несмотря на то что он отказывался от званий и наград, многие считали его мыслителем второго сорта, и это мнение стало достоянием общественности. И в самом деле, у Фарадея не было академических исследований, он был профаном в математике и к 39 годам не сделал ни одного существенного открытия, несмотря на покровительство Гемфри Дэви. По этой причине Фарадей с головой погрузился в исследования, оставив преподавательскую деятельность и все раньше приходя в свою холодную лабораторию в подвале Королевского института. Даже две племянницы, иногда заходившие навестить его, знали, что пока дядя работает, они должны тихо играть в куклы.

* * *

Джозеф Генри, американский коллега Фарадея

Джозеф Генри родился в 1797 году в Олбани в очень бедной семье. В 13 лет он начал работать учеником часовщика. Знание часовых механизмов помогло ему впоследствии создавать собственные инструменты. Так же как и Фарадей, он был самоучкой.

В 1826 году Генри получил место преподавателя математики и натурфилософии; одновременно он, как и Фарадей, занимался экспериментами по электромагнитной индукции.

В 1832 году Принстонский университет предложил ему место профессора, несмотря на отсутствие у Генри официальных академических званий. Но репутация шла впереди исследователя: уже в 1830 году он создал самый мощный электромагнит той эпохи, с помощью которого можно было поднимать грузы до 1000 кг. До этих пор мало кто мог поверить, что магнетизм способен на такую мощь. Как правило, у электромагнитов есть стержень из мягкого железа, которое намагничивается при пропускании тока через обмотку ядра; при остановке тока магнитное поле исчезает. Электромагнит Генри, который он использовал на занятиях, имел форму подковы с многослойной обмоткой и был достаточно небольших размеров, примерно 12 дюймов в высоту.

Открытие самоиндукции

Хотя Фарадей и Генри ставили свои опыты в одно время, Фарадей первым опубликовал результаты. В любом случае, за Генри признается открытие самоиндукции: он подключал к батарее смотанный в катушку провод, при этом наблюдалась искра; при отключении искра была более сильной. Генри сделал вывод, что провод был заряжен и при отключении реагировал сам на себя. Дело в том, что при прохождении тока по контуру вокруг образуется магнитное поле, но если ток изменяется, измененное магнитное поле дает временное изменение магнитного потока на контур. Генри понял это, потому что при подключении и отключении контура интенсивность тока в короткие интервалы времени резко менялась. Благодаря этому открытию в честь Генри Джозефа коэффициент самоиндукции измеряется в генри. Также ученый помогал Сэмюэлю Морзе и Грэхему Беллу в их разработках телеграфа и телефона соответственно.

ПЕРВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

В августе 1831 года Фарадею пришло в голову расположить две обмотки на противоположных сторонах железного кольца, что представляло собой примитивный вариант трансформатора. Изобретение напоминало две половины железной баранки, стороны которой были обмотаны длинным куском проволоки. Половины ученый расположил друг напротив друга. Фарадей пропустил ток по проводу одного полукольца 29 августа 1831 года.

Чтобы углубиться в технические детали данного варианта трансформатора, использованного для получения электромагнитной индукции, можно изучить «Дневник» Фарадея, опубликованный Королевским институтом в 1932 году. В нем сказано, что было использовано кольцо из мягкого металла с внешним диаметром, равным шести дюймам, с обмотками из проволоки, спирали которой были разделены индийским хлопком. Затем Фарадей зарядил батарею из десяти пар пластин по четыре квадратных дюйма.

Ученый догадывался, что это произведет завихрения на первом полукольце, что-то вроде магнитной бури. А если на втором полукольце возникнет электрический ток, будет подтверждено, что магнетизм может создавать электричество. Использование стрежня из мягкого металла должно было усилить магнитное поле первого полукольца. Этот эксперимент был не очень сложным, и Фарадей решил, что другие ученые не обнаруживали описанного явления, потому что величина электрического тока была слишком маленькой, практически незаметной. По этой причине он разместил на проволоке второго полукольца чувствительное устройство для измерения тока, способное отмечать даже небольшие колебания, — гальванометр, основанный на движущей силе электричества, описанной Фарадеем в 1821 году.

Наконец, ученый пропустил электрический ток через проволоку первого полукольца, подключив ее к батарейке, и увидел, как стрелка гальванометра, измерявшего ток на втором полукольце, дрогнула. Фарадей испытал такую же надежду, как в юности, когда он мечтал найти следы Создателя в мире и решил глубже проникнуть в тайну электричества, заставлявшего шевелиться мертвых лягушек. Увиденное ошеломило ученого, и за эти несколько секунд он осознал масштаб своего открытия и то, как оно может изменить мир.

Фарадей, как всегда, очень скрупулезно подошел к своему открытию, он всю ночь подключал и отключал ток на металлическом кольце, чтобы удостовериться в постоянстве результатов. Он понял, что измерительное устройство улавливало электрический ток, когда интенсивность тока, проходящего по первому полукольцу, увеличивалась или уменьшалась, в момент когда контур замыкался или размыкался. И напротив, если ток был постоянным, ничего не происходило, и это объясняло, почему никто раньше не заметил данное явление: колебание стрелки было мгновенным и прекращалось при стабилизации электрического тока.

Фарадей открыл явление, связывавшее механическое движение и магнетизм с появлением электрического тока, — электромагнитную индукцию. Это явление было обратно тому, которое открыл Эрстед.

Тогда уже было известно, что статическое электричество обладает силой индукции, то есть электрически заряженное тело может передать заряд другому телу при приближении, заряд индуцируется от первого тела ко второму. Однако никто еще не смог доказать, что электрический ток ведет себя аналогично, то есть индуцирует электричество на ближайший контур. Фарадей смог доказать эту теорию, но совершенно неожиданным образом: индукция проявлялась не только при течении индукционного тока, но и при его изменении.

За несколько дней до своего 40-летия Фарадей отправил записку одному из своих лучших друзей, Ричарду Филлипсу:

«23 сентября 1831

Дорогой Филлипс,

[…] я сильно занят, снова работаю над электромагнетизмом, думаю, что у меня получилось нечто замечательное, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы [...]»

Благодаря систематическим экспериментам Фарадей рассмотрел все виды индукции. Он доказал, что существует несколько способов индуцировать ток на провод: подключая и отключая ток на соседнем кабеле; приближая и удаляя проволоку, по которой проходит стационарный ток; приближая и удаляя магнит и кабель; вращая магнит рядом с кабелем или кабель рядом с магнитом и так далее (см. схему).

Если магнит вводить в витки свернутого кабеля и вынимать из них, эффект тем сильнее, чем более мощный магнит, чем больше зона, ограниченная кабелем, чем быстрее вводится и вынимается магнит. В случае если ток индуцируется с одного кабеля на другой, эффект усиливается при более сильном индуцирующем токе и при большей скорости его изменения.

Все явления электромагнитной индукции резюмированы Фарадеем в простом законе, связывающем индукционный ток с силовыми магнитными линиями вокруг кабеля. Закон Фарадея гласит, что величина индуцированной на кабель электродвижущей силы, или способности заряда к движению, тем больше, чем больше изменение магнитного потока, проходящего через контур, то есть количество линий поля, проходящих через кабель. Иными словами, создание электрического тока — динамический процесс, требующий изменения интенсивности тока или положения магнита.

Шел октябрь 1831 года, то есть прошло всего несколько месяцев, как Фарадей решил направить все свои силы на понимание электромагнетизма.

Разные формы электромагнитной индукции.

В трех представленных случаях проволока замыкается на гальванометр: a) если мы приближаем магнит к кабелю и удаляем от него, в кабеле появляется ток; b) если к кабелю подключается или отключается ток, он индуцируется на соседний кабель; с) если магнит вращать вокруг кабеля, в нем появляется ток.

ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Обобщая, мы можем разделить эксперименты, которые привели Фарадея к открытию электромагнитной индукции, на две категории: с токами и с магнитами.

Для опытов первой категории Фарадей подготовил два соленоида (цилиндрические обмотки из провода), расположенные друг напротив друга и изолированные между собой. Один из них он соединил с батарейкой, другой — с гальванометром. После переключения выключателя в первом контуре можно было наблюдать перемещение стрелки гальванометра во втором, при этом через несколько мгновений стрелка возвращалась обратно на ноль. Гальванометр обнаруживал ток, со временем исчезающий, только при переключении выключателя (рисунок 1).

Два вида экспериментов, которые привели Фарадея к открытию электромагнитной индукции: с электрическими токами (рисунок 1) и с магнитами (рисунок 2).

* * *

Закон Фарадея

Одна из формулировок закона Фарадея звучит так: «Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятого со знаком минус:

ε = -dΦ/dt

где ε — индуцированная ЭДС, Φ — магнитный поток, t — время, d/dt — производная по отношению к времени». Знак «-»был добавлен Генрихом Ленцем, так как направления ЭДС и тока стремятся к противоположности по отношению к получаемому изменению. Из-за этого в некоторых текстах закон Фарадея носит более сложное название — закон Ленца — Фарадея или даже Ленца — Фарадея — Генри.

* * *

Для второй категории опытов Фарадей использовал магнит и катушку, соединенную с гальванометром. Он быстро помещал магнит в катушку и мог наблюдать отклонение стрелки; если магнит внутри катушки не двигался, стрелка возвращалась в начальное положение. При вынимании магнита стрелка снова двигалась, только в обратном направлении. При повторении процесса стрелка колебалась в одну и другую сторону, при этом ее перемещения были тем значительнее, чем более быстрым было движение, вводящее и вынимающее магнит из катушки (рисунок 2). Tе же результаты наблюдались, когда магнит был неподвижным в катушке, а сама катушка двигалась.

Без сомнений, концепция поля облегчила Фарадею дальнейшие открытия. Она объясняет взаимодействие двух тел, не находящихся в физическом контакте: поле — участок пространства, к которому относятся величины, зависящие от напряжения тела, вступившего во взаимодействие. Таким образом, могут существовать, например, электрические поля (со статическими зарядами) и магнитные поля (с естественными магнитами или движущимися зарядами).

Электрическое поле определяется как участок пространства, которое может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела. Силовое воздействие происходит вследствие наличия в поле как минимум одного другого заряженного тела. Величина, используемая для характеристики напряженности этого поля, — интенсивность электрического поля. Присутствие электрического поля в том или ином месте можно обозначать с помощью силовых линий, или линий поля (рисунок 3). Эти линии имеют определенные свойства: если они расположены близко друг к другу, это говорит об интенсивности поля, и наоборот; линии изображаются исходящими от положительных зарядов и входящими в отрицательные. Количество линий, изображенных исходящими от положительного заряда и входящими в отрицательный, пропорционально абсолютной величине заряда; две линии не могут сходиться в точке, где нет заряда; кроме того, линии не могут быть замкнутыми.

На первый взгляд не существует связи между магнитными и электрическими полями, за исключением того, что одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются (в электрических полях), и одинаковые поля отталкиваются, а разные — притягиваются (в магнитных полях). В магнитных полях механизм притяжения и отталкивания аналогичен механизму в электрических полях. Однако создание батарейки показало, что возможно с помощью проводника соединить два противоположных электрических поля. В этом случае вокруг проводника можно наблюдать магнитное поле.

* * *

Магнитное поле

Если мы приблизим друг к другу два магнита противоположными полюсами, они будут притягиваться, если одинаковыми полюсами — отталкиваться. Фарадей объяснял данное явление тем, что от полюсов магнитов отходят линии: он называл их силовыми, а сегодня их называют линиями магнитного поля. Эти линии начинаются у одного полюса и заканчиваются на противоположном полюсе одного и того же или ближайшего магнита. На всей протяженности этих линий, которые Фарадей представлял невидимыми канатами в пространстве, окружающем магнит, присутствует сила натяжения, которая и отвечает за притягивание одного магнита к другому. Это пространство Фарадей назвал магнитным полем. Таким образом, явление, когда магнит воздействует на расстоянии на металлический объект, можно интерпретировать следующим образом: магнит создает вокруг себя силовые поля, которые мы называем магнитным полем.

Легко увидеть

Термин «поле» был введен Фарадеем, он хотел поместить между полюсами магнита человека, но независимо от его присутствия или отсутствия свойства поля сохранялись. Хотя еще в XVII веке философ-иезуит Никколо Kaбео писал о силовых линиях, современное понятие также относится к Фарадею и его термину «поле». Чтобы увидеть эти линии, можно рассыпать вокруг магнита железные опилки: они займут место в соответствии с магнитным полем, делая видимым расположение его линий.

Слева — линии магнитного поля между взаимно притягивающимися магнитами, справа — между взаимно отталкивающимися.

ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

Фарадей продолжал методично изучать имевшиеся в его эпоху научные догадки и шаг за шагом подтверждал свои новые идеи.

После того как ему удалось доказать, что электричество может индуцироваться магнетизмом, следующим шагом была попытка создать электричество в продолжительных промежутках времени, а не мгновенно. Для этого Фарадей изменил опыт Франсуа Aparo (1786–1853), доказавшего, что при вращении медного колеса можно отклонить подвешенную над ним магнитную стрелку. При вращении колеса силовые магнитные линии пересекались, и таким образом создавались электрические токи. Из-за этих токов возникало магнитное поле, заставлявшее отклоняться магнитную стрелку. Но Фарадей не надеялся получить магнитное поле из электрического тока, он хотел, чтобы магнитное поле создавало электрический ток.

Линии поля, соответствующие электрическим полям, созданным противоположными зарядами (a), зарядами с одним знаком (b) и двумя разными зарядами с разной абсолютной величиной (c)

Таким образом, ученый создал униполярный генератор — электродвигатель, основанный на силе Лоренца (сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный электрический заряд, при его прохождении по полю), — для превращения электрической энергии в движение. Устройство называется униполярным, так как не требует изменения полярности для вращения; оно обладает магнитным полем с единым направленным потоком. Для создания такого генератора Фарадей использовал медный диск, вращавшийся между полюсами магнита в форме подковы, — так был создан источник слабого постоянного тока. При вращении колеса его край проходил между полюсами магнита. Два токосъемника обеспечивали контакт при скольжении: один на краю диска, другой — на оси. Оба полюса были подсоединены к гальванометру для замыкания цепи. Пока колесо вращалось, согласно показаниям гальванометра, вырабатывался постоянный электрический ток. Этот ток мог использоваться для выполнения работы. Так Фарадей создал первый электрический генератор. Это произошло 28 октября 1831 года.

Направление электрического поля в каждой точке диска перпендикулярно плоскости вращения диска и магнитному полю, поэтому электрическое поле перемещается из центра диска к его наружному краю, радиальные движения электронов диска вызывают разницу потенциалов между центром и краем диска. Этот примитивный вид динамо-машины основывается на том же принципе, который используется и сейчас: например, в динамо-машинах на некоторых велосипедах благодаря ему зажигается фара, за исключением случаев, когда магнит вращается вокруг закрученного провода.

Изменение магнитного потока может быть вызвано механическими движениями магнита и изменениями тока в другом контуре. Было известно со времени эксперимента Эрстеда, что ток другого контура создает магнитное поле. Если ток меняется, то меняется и поле, и магнитный поток второго контура.

* * *

Понятие магнитного потока

Идея о том, как изображать воздействие магнита или электрического тока в окружающем их пространстве с помощью силовых линий, принадлежит Фарадею. С помощью таких изображений, по всей видимости связанных с религиозными представлениями ученого. Фарадей компенсировал свою слабую математическую подготовку. Если мы будем с помощью железных опилок рассматривать магнитное поле, созданное прямым магнитом, то увидим, что на полюсах силовые линии расположены ближе друг к другу, а при удалении от полюсов линии разделяются.

На рисунке 1 поток линий поля B, пересекающих поверхность S, заключенную в спираль, максимален. При этом на рисунке 2 мы видим, что поток линий поля B, пересекающих поверхность, нулевой.

Принимая во внимание, что интенсивность магнитного поля В уменьшается по мере удаленности от полюсов, можно установить соотношение между этими двумя фактами, подтвердив, что интенсивность поля В прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих по поверхности. Чем ближе друг к другу расположены линии, тем более интенсивным будет поле в данной зоне. Количество силовых линий поля В, проходящих по поверхности, зависит от того, как ориентирована эта поверхность по отношению к направлению линий. Таким образом, для определенной совокупности силовых линий количество точек пересечения с поверхностью будет максимальным при перпендикулярной ориентации (рисунок I) и нулевым — при параллельной ориентации (рисунок 2). Количество силовых линий поля В, перпендикулярно пересекающих поверхность, выражает величину интенсивности данного поля. Так, величине, названной магнитный потоп и обозначаемой буквой Ф, мы можем дать следующее определение: если у нас есть некая плоская поверхность S и перпендикулярное ей магнитное поле В с одинаковой величиной во всех точках, потоком магнитного поля этой поверхности мы назовем выражение Φ = B∙S. Необходимо помнить, что магнитный поток связан с количеством силовых линий (или полем), которые пересекают поверхность. Изменение потока с помощью контура индуцирует электрический ток на данный контур. Когда это изменение происходите некоторой периодичностью, индуцируемый ток также периодически меняет направление.

* * *

Позднее на основе принципов Фарадея Ипполит Пикси (1808–1835), французский механик и производитель инструментов, создал первую динамо-машину в Париже в 1832 году. Эта было так называемое динамо Пикси, ставшее первым электрогенератором для промышленного использования. В аппарате был использован магнит, вращавшийся с помощью рукоятки. Северный и южный полюса магнита были соединены железным фрагментом, вокруг которого была навита проволока (см. рисунок). Пикси заметил, что магнит передает импульс электрического тока на кабель, когда один из полюсов проходит мимо катушки; каждый полюс индуцировал ток в обратном направлении, то есть возникал переменный ток.

При переменном токе электроны — отрицательные заряды — не перемещаются от одного полюса к другому, но колеблются в своей позиции, фиксированной на проводнике, с определенной частотой. Добавив электрический коммутатор (коллектор в виде металлического разделителя на оси магнита), Пикси превратил переменный ток в постоянный, то есть ток от постоянного потока электронов в одном направлении. Этот коммутатор, или механический переключатель, поддерживающий одно направление тока, выполняет то же действие, что и щетки, трущие брусок, на который наводится ток (часть аппарата, превращающая электрическую энергию в механическую и наоборот)генератора.

Первый генератор переменного тока для промышленного использования, созданный французским производителем инструментов Ипполитом Пикси.

В конечном итоге Фарадей открыл постоянно изменяющуюся силу, создающую электрический ток, и благодаря этому возникли различные устройства, гораздо более эффективные, чем батарейка Вольты. В них постоянно изменяющаяся магнитная сила возникала при простом вращении магнита. Таким образом, при поддержании вращения динамо-машины по закону Фарадея (который, как мы уже говорили, не уточнял этого) гарантировалось постоянное производство электроэнергии. Поэтому возникала новая задача, связанная с достижением максимальной эффективности динамо-машин; необходимо было разработать такую модель, в которой вращение магнита не вызывало бы затруднений. Инженеры в 1830-е годы начали использовать для этого электродвигатели: сам двигатель постоянно вращался, используя часть электричества, полученного от динамо-машины. То есть частично динамо-машина обеспечивала энергией сама себя.

Позднее были разработаны более совершенные модели, в некоторых за движение отвечали лопастные механизмы. Лопасти колес крутились при помощи падающей воды — так возникли первые гидроэлектростанции. Другой вариант предполагал использование для движения лопастей пара от кипящей воды, эта идея широко применялась и в XX веке. Источниками тепла для кипячения воды были ядерная энергия, нефть, уголь, дерево, экскременты животных.

* * *

Закон Ленца: направление индуцированного тока

Эксперименты Фарадея по электромагнитной индукции показывают, что в проводнике при перемещении и пересечении силовых линий магнитного поля будет возникать индуцированная электродвижущая сила, если речь идет о замкнутом контуре, то есть возникнет индуцированный ток. Закон Ленца гласит, что электродвижущая сила, или индукционный ток, всегда имеет направление, противоположное направлению магнитного потока, возбуждающего этот ток. Генрих Ленц (1804–1865), немецкий физик, занимавшийся исследованиями электромагнетизма в России одновременно с Фарадеем и Генри, предложил такое объяснение направлению движения индукционного тока: оно является физическим следствием принципа сохранения энергии, согласно которому энергия не исчезает, а превращается в другие виды энергии, например если автомобиль тормозит, кинетическая энергия переходит в тепло.

Индукционный ток

В электромагнитной индукции индукционный ток представляет собой работу, направленную в противоположном направлении по отношению к магнитным силам, возникающим между спиралью и магнитом, дающим необходимую энергию для поддержания индукционного тока. Таким образом, мы видим, что когда мы приближаем к индукционной катушке, скажем, северный полюс магнита, то на ближайшем к нему конце катушки возникает также северный полюс. Силы взаимодействия отталкивают магнит от катушки, это взаимодействие необходимо преодолеть для того, чтобы поддержать явление индукции. Напротив, когда мы удаляем от катушки северный полюс магнита, то на ближайшем ее конце возникает южный полюс. Таким образом, индукционный ток будет возникать только при поддержании относительного движения катушки и магнита.

Темный магнит представляет собой магнит-индуктор (реальный), белый магнит — магнит, на который индуцируется ток (воображаемый). Схема позволяет нам убедиться в том, что закон Ленца основан на принципе сохранения энергии. Что случилось бы в первом случае, например если направление индукционного тока было бы противоположным? Катушка начала бы действовать как магнит, ее южный полюс был бы направлен на северный полюс магнита-индуктора. Это вызвало бы ускорение магнита-индуктора в сторону катушки и увеличение изменения потока на единицу времени, а следовательно, рост индукционного тока, который увеличил бы силу, действующую на магнит. Таким образом, кинетическая энергия магнита и тепло, полученное вследствие эффекта Джоуля, на катушке увеличились бы без присутствия источника энергии.

* * *

Динамо-машины стали настолько мощными, что в 1865 году возникли гигантские дуговые лампы, которые использовались на большинстве маяков. Пыхтящие паровые машины, характерные для промышленной революции, постепенно заменили гораздо более тихими и эффективными электродвигателями. Эти двигатели использовались в телефоне Александра Грэхема Белла, лампочках Томаса Алвы Эдисона, радио Гульельмо Маркезе Маркони. В конце концов электричество стало достоверным показателем роста или падения внутреннего валового продукта стран мира: чем больше было производство электричества, тем более процветающей была страна, в ней становилось больше рабочих мест, продукции и потребителей.

Майкл Фарадей был свидетелем больших успехов в развитии общества, хотя самые передовые идеи ученого не были до конца признаны научным сообществом. Он видел, как Лондон постепенно становится все более освещенным, как начала исчезать постоянно висящая в воздухе дымка смога — возможно, романтическая, но при этом весьма вредная для здоровья.

Электричество и магнетизм неразрывно связаны, одно не существует без другого, поэтому возник единый термин — электромагнетизм.

Первые предпосылки для такого слияния возникли в 1785 году, когда Шарль-Огюстен Кулон подвесил намагниченные бруски и описал, как они взаимодействовали, когда он раздвигал их на разные расстояния. Сила притяжения между брусками уменьшалась пропорционально квадрату расстояния между ними. Если расстояние между магнитами удваивалось, сила притяжения уменьшалась в четыре раза. Если расстояние увеличивалось в три раза, сила притяжения уменьшалась в девять раз, и так далее. Особенно интересным в экспериментах Кулона было то, что если на нитях подвешивались электрически заряженные предметы, электричество подчинялось тем же законам, что и магнетизм. Иными словами, в этот момент наука изучала возможность сходства между этими двумя силами природы. Свои догадки Фарадей подкрепил новыми эмпирическими доказательствами.

Сын скромного кузнеца, уделом которого, казалось бы, мог быть только изнурительный труд в эпоху промышленной революции, открыл Эру электричества. Фарадей стал искрой во мраке, которая вызвала еще одну революцию, не такую очевидную в социальном плане, но имеющую то же значение: наука перестала быть занятием богатых людей и превратилась в профессию для развитых умов.

* * *

Однажды, сэр, вы обложите его налогом

Широкомасштабное использование и производство электричества на основании открытий Фарадея, повлекшие за собой социальные преобразования, не были быстрыми. Известна следующая история о министре финансов Гладстоне, который спросил Фарадея, для чего может быть нужно электричество. Ученый ответил: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом». И действительно, в 1880 году был введен первый налог на производство электричества в Англии. Существует еще одна аналогичная история. Во время публичной лекции Фарадея одна женщина спросила, какая польза может быть от того, что он только что объяснял. Фарадей ответил: «А какая польза может быть от новорожденного?» Открытия Фарадея в области магнетизма и электричества стали двигателем социальных изменений и великих преобразований, как сказал Альберт Эйнштейн о возникновении понятия поле для развития физики.

ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК

Электричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по расчетам Фарадея, должно было бесконечно растягиваться, пересекая тела и выходя во внешнее пространство. Ученый сообщил о полученных результатах на первой сессии «Экспериментальных исследований» 24 ноября 1831 года в Королевском обществе.

* * *

Одна из четырех фундаментальных сил вселенной

Вселенная управляется четырьмя фундаментальными взаимодействиями: электромагнитным, гравитационным, слабым ядерным и сильным ядерным. Другими словами, известны только четыре способа, которые могут заставить одну часть материи взаимодействовать с другой. Эти четыре силы различаются по своей интенсивности, области применения, они управляются разными механизмами, различны и результаты их действия. Одна из самых слабых сил — гравитационная, ее можно обнаружить на достаточно крупных объектах, таких как мяч или планета. Интенсивность электромагнитной силы в 1038 раз больше, чем гравитационной. Сильная ядерная сила в 100 раз интенсивнее электромагнитной, она соединяет протоны и нейтроны атомного ядра, противодействуя электромагнитной силе, которая стремится отделить протоны, имеющие тот же заряд. При этом сильное ядерное взаимодействие обнаруживается на чрезвычайно малых расстояниях (например, расстояния между частицами в ядре) по сравнению с гравитацией или электромагнитной силой. То же происходит со слабым ядерным взаимодействием.

* * *

Его идеи звучали потрясающе революционно для той эпохи, потому что они предполагали, что мир наполнен невидимыми силовыми полями. Это было то же самое, что утверждать, будто существует иной мир, параллельный нашему измерению. Как можно было ожидать, коллеги Фарадея из Королевского института сочли такие теории совершенно безосновательными и вежливо отвергли их. По этой причине ученый всегда медлил перед тем, как сделать свои теории достоянием общественности. Это колебание перед распространением новых научных парадигм, способных изменить установленные научные принципы, было свойственно и многим другим ученым, например Чарльзу Дарвину с его теорией естественного отбора. Фарадей 12 марта 1831 года составил записку с изложением своих новых теоретических идей, запечатал ее в конверт, подписанный свидетелями, и положил на хранение в сейф Королевского общества с точными инструкциями, когда вскрыть конверт после его смерти. Приведем отрывок из этой записки:

«Когда магнит воздействует на магнит, расположенный на некотором расстоянии, или на кусок железа, индукционная причина (которую я сейчас назову магнетизмом) постепенно переходит с намагниченных тел, при этом сам переход занимает определенное время […]. Я склонен утверждать, что распространение магнитных сил от магнитного полюса можно сравнить с колебаниями, производимыми небольшим возмущением на поверхности воды, или колебаниями в воздухе от акустических явлений. То есть я предполагаю, что теория колебаний будет применима к этим явлениям, как она применима к звуку. Вероятно также, что она применима и к свету».

Научные опасения Фарадея имели причину. Шел только 1832 год, а ученый уже предполагал, что магнитным силам требуется время для перемещения в пространстве, что противоречило ньютоновой концепции мгновенного действия на расстоянии. Также Фарадей говорил о волновом движении и даже обнаружил некоторую поверхностную связь электромагнетизма со светом.

Наконец, применив физические аналогии, восполнившие пробелы в его математических знаниях, 19 января 1844 года, в возрасте 52 лет Фарадей представил свои теории на суд публики. Возможно, одной из причин, подтолкнувших его к такому решению, стал нервный кризис, который ученый пережил в 1830-х годах. Он был связан с переутомлением от постоянной интеллектуальной работы, которой Фарадей изнурял свой организм: он осознал, что может умереть в любой момент, и единственным его наследием станет запечатанная записка, хранящаяся в архиве Королевского общества. Темой его выступления, сделанного в Королевском институте в рамках Вечерних лекций по пятницам, стала природа атомов. Атомы он представлял в виде сгустков на силовых линиях, составляющих силовую подструктуру: силовые магнитные, электрические и даже гравитационные линии распространяются в пространстве и соединяют между собой все тела во Вселенной. Несмотря на то что данные аналогии достаточно четко отражают современное описание мира с позиции теоретической физики, в 1844 году это звучало очень странно и поэтому не впечатлило аудиторию.

Фарадей усовершенствовал первый электромагнитный генератор, повторил свой эксперимент и сформулировал открытие одной фразой: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется».

Это было очень красноречиво, однако научное сообщество отвергло это открытие, поскольку оно было выражено словами. С тех пор как Ньютон в XVII веке ввел в науку формулы, считалось, что такого рода заявления должны выражаться на однозначном и универсальном языке математики. Фарадей плохо знал математику, гораздо важнее для него были результаты экспериментов, которые обеспечили ему блестящую карьеру в Королевском институте. Фарадей решил, что коллеги не воспринимают его идеи из-за снобизма, считая его всего лишь бедным выходцем из села без академического образования. Фарадей упорно защищал свою позицию, согласовывающуюся с его поэтическим и религиозным миропониманием, и говорил о том, что наука должна выражаться на языке, понятном для обычных людей.

* * *

Разность потенциалов

Когда Фарадей изобрел первый электромагнитный генератор, он открыл, что на концах проводника, двигающегося в магнитном поле, возникает разность потенциалов. Это можно сформулировать так: если в двух точках имеется разность потенциалов, и они соединяются проводником, возникает поток электронов (электрический ток). Часть заряда, который получается в точке большего потенциала, будет двигаться по проводнику к точке меньшего потенциала. Ток прекратится, когда электрический потенциал в двух точках уравняется.

* * *

Наконец, молодой шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879) через три десятилетия перевел открытие Фарадея на язык математики в виде элегантного и точного уравнения, опубликованного в статье «Динамическая теория электромагнитного поля». Уравнение было следующим:

Знак минус поставлен согласно закону Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей его.

Максвелл выразил отношение к трудам Фарадея, которого он называл Ньютоном электричества, в предисловии к первому изданию своего «Трактата об электричестве и электромагнетизме» (1873, A treatise on electricity and magnetism):

«По мере изучения Фарадея я осознал, что его подход к пониманию явления тоже является математическим, хотя и не представлен в общепринятой форме через математические символы. Я нашел также, что его методы могут быть выражены в обычных математических формах и, таким образом, сопоставлены с методами признанных математиков. Так, например, Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие все пространство силовые линии там, где математики видели лишь центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде»[2].

ФАРАДЕЙ, НЬЮТОН И ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ

Хотя Фарадей часто использовал Библию, находя в ней утешение и вдохновение, он получил некоторое подобие одобрения своих революционных теорий о полях из одного письма. По иронии судьбы, его написал Исаак Ньютон — ученый, в трудах которого находили столько поводов для критики теорий Фарадея.

В 1693 году, когда Ньютон уже превратился в старика, он написал молодому кембриджскому теологу Ричарду Бентли, признаваясь ему, что, возможно, пустота на самом деле не является такой пустой, как он сам утверждал. Вероятно, писал ученый, гравитационные силы тянут свои невидимые щупальца к телам. Эта идея Ньютона не получила известности, потому что казалась несколько крамольной для той эпохи, в том числе на теологическом уровне: неужели Бог недостаточно могуществен, чтобы беспрепятственно пересекать пространство? Ньютон пишет:

«Идея о том, чтобы тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, представляется мне столь нелепой, что нет, как я полагаю, человека, способного мыслить философски, кому она пришла бы в голову».

Бентли написал Ньютону ответ, в котором заинтересовался этой идеей, но Ньютон не захотел более подробно обсуждать ее, указывая, что это всего лишь его старческие измышления.

Фарадей осознал, что такой гений, как Ньютон, предлагает теории, подобные его собственной, и почувствовал, что должен идти дальше, несмотря на недоверие коллег. Он был уверен, что однажды кто-нибудь найдет практическое применение для его догадок, и почти в 70 лет стал свидетелем этого. Кроме первых электрогенераторов и начала Эры электричества, которые смог увидеть Фарадей, он также участвовал в первых революционных преобразованиях сферы телекоммуникаций. Он писал своему молодому другу, шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу, 13 ноября 1857 года:

«На дне моря должна была совершиться гигантская инженерная авантюра. Она должна принести новые доказательства правильности моих теорий о полях с невидимыми силами».

Гравюра, на которой Фарадей показывает своей жене Саре Барнард открытый им электродвигатель в Рождество 1821 года.

Индуктор, хранящийся в Королевском институте, с помощью которого Фарадей открыл закон индукции в 1831 году.

Фарадей читает лекцию о своих открытиях в области магнетизма и свойств света в 1846 году в Королевском институте.

Эта подводная авантюра, которая подтвердила догадки постаревшего Фарадея, началась с человека по имени Сайрус Уэст Филд (1819–1892). В середине 1850-х он предложил изготовить кабель, который можно было бы проложить по дну океана, чтобы пересечь Атлантику и соединить две великие империи — британскую и американскую. Для этого невероятного проекта требовались не только научно-технические знания, но и поддержка предприятий и промышленности. Длина кабеля должна была составлять 4000 километров, а вес — примерно 2200 тонн. Для изготовления требовалось не менее 800 тонн меди.

Для реализации проекта Филд попросил о помощи главного специалиста по теории электричества в Великобритании, шотландца Уильяма Томсона (1824–1907). Название изобретению дал Сэмюэль Морзе, он же отправил первое в мире телеграфное сообщение: «Чудны дела твои, Господи!» Придуманный им язык повлиял даже на журналистскую прозу, сжатый стиль которой стал напоминать телеграфные сообщения. Однако при использовании телеграфа имелось немаловажное техническое затруднение: передача сообщений по наземным линиям не вызывала затруднений, но при использовании подводных кабелей из-за постоянных потрескиваний и шумов сами сообщения было невозможно разобрать.

Томсон, очень серьезно относившийся к теориям Фарадея, верил, что существуют силовые поля и их помехи перемещаются частично внутри кабеля и снаружи него. По мнению Томсона, проблема была простой: когда телеграфист нажимал на клавишу, поле начинало перемещаться по кабелю длиной 1000 км, но также оно перемещалось вокруг электрического изолятора и железной оплетки, теряясь в водах океана.

* * *

Электромагнитный телеграф

Прямым результатом открытия электромагнита Эрстедом, Ампером и Араго стал телеграф, позволивший людям быстро получать и отправлять сообщения. Патент на изобретение получил американский художник Сэмюэль Финли Морзе в 1832 году. Когда отправитель нажимал клавишу, он подключал электрический ток, перемещающийся по кабелю до получателя, у которого запускался маленький электромагнит.

Электромагнит при пропускании через него тока с щелчком притягивал к себе железный язычок. Если отправитель отпускал клавишу, электрический ток прерывался, язычок возвращался в обычное положение. Морзе разработал код на основе прерывистых щелчков язычка, так что стало возможным передать любую букву алфавита со скоростью 150 знаков в минуту при условии прохождения работником телеграфа специального обучения. Эрстед, Ампер и Aparo умерли раньше и не увидели работающего телеграфа, а Майкл Фарадей, хотя уже был болен, смог присутствовать при рождении телекоммуникаций.

Морзе с прототипом телеграфа

* * *

В наземных линиях такой проблемы не возникало, потому что кабель проходил высоко на столбах (и не контактировал с проводником-землей). Кроме того, наземные кабели имели более толстый слой изолятора, а для океана изолятор был более тонким из-за экономии как по весу, так и по цене (материал изолятора назывался гуттаперчей, он был открыт в 1850-х годах, добывался из определенных видов деревьев в Индии и был похож на каучук). Также воздушные провода не имели железной оплетки, а в океане она использовалась для исключения повреждения кабеля и чтобы его не унесло течением. Однако железная оплетка рассеивала сигнал, поскольку железо не является надежным изолятором. Все эти факторы свидетельствовали о необходимости более сильного — в 20 раз — заряда для подводного кабеля по сравнению с наземным. По расчетам Томсона, выраженным в его законе квадратов, при десятикратном увеличении длины кабеля скорость сигнала сокращалась в 100 раз.

Существовало два варианта решения данной проблемы. Первый, предложенный Томсоном, предусматривал увеличение диаметра жилы проводника. Но Филд верил во второй вариант, он хотел подключить кабель к источнику высокого напряжения для увеличения сигнала, компенсируя, таким образом, потери рассеивания. Однако здесь имелась другая проблема: при работе с высоким напряжением кабель быстро портился.

Филд считал объяснение Томсона слишком непонятным и заключил контракт с Эдвардом Уайтхаусом (1816–1890), который не верил в смехотворные силовые поля. Чтобы убедить инвесторов, Уайтхаус должен был всячески скрывать перед публикой свои колебания и неуверенность. Была проведена работа и с учеными, поддерживающими Томсона, чтобы они не задавали лишних вопросов. На публичную конференцию пригласили уже пожилого Майкла Фарадея и подсунули ему фальшивые отчеты с экспериментальными данными, якобы подтверждающими ошибки в расчетах Томсона.

Умственные способности Фарадея к этому времени ослабли (вероятно, из-за длительного вдыхания паров ртути, растекшейся на полу его лаборатории), и он дал неоднозначную оценку, которую можно было понять как неполное согласие с гипотезой Томсона. Поддержка Фарадеем проекта, хоть и не безоговорочная, стала решающим фактором для инвесторов. Но Томсон догадался, что Фарадея обманули и вынудили дать такое заключение практически силой, ведь он знал истинное мнение ученого, полученное после осмотра кабелей с использованием гуттаперчи, о том, что на передачу сигналов негативно влияют проводник, окружающий его изолятор и морская вода.

Кабель был изготовлен, но проект провалился, как и предсказывал Томсон: сигналы так искажались, что после пересечения Атлантики их было невозможно расшифровать. Применение высокого напряжения для передачи сигнала изнашивало кабель, поэтому отправка сообщений требовала все больше времени. Из-за недостаточной изоляции энергия рассеивалась: если телеграфист отпускал клавишу между одним сигналом и следующим за ним немного быстрее, поле, установившееся на протяжении кабеля, рассеивалось до начала передачи следующего сигнала; если телеграфист нажимал клавиши слишком быстро, новое поле накладывалось на предыдущее, все еще находившееся вокруг меди, железа и воды. Неудивительно, что, согласно документам, чаще всего передавались сообщения: «Передавайте медленнее» или «Повторите».

* * *

Магнитное поле земли

Немецко-американский физик Вальтер Мориц Эльзассер (19041991) в 1939 году высказал предположение о том, что вращение Земли создает в ядре из расплавленного металла медленные вихри, текущие с запада на восток. Эти вихри вызывают электрический ток, также проходящий с запада на восток. То есть электрический ток, циркулирующий в ядре Земли, создает магнитные линии по такому же принципу, как катушка проводника Фарадея.

Внутренний магнит

Сегодня нам известно, что у Земли есть внутренний магнит, отвечающей за магнитное поле планеты. Линии этого поля выходят из Южного полушария и входят в Северное. Причину магнетизма нужно искать в ядре Земли, разделяющемся на внутреннее твердое ядро из никеля и железа и внешнюю оболочку из тех же металлов, но в жидком состоянии. Движение жидкого металла создает магнитное поле благодаря так называемому динамо-эффекту. Оно представляет собой более сложный процесс, чем считалось раньше. Он связан не только с направлением вращения планеты, но и, как считается, стал причиной того, что в прошлом Земля сменила полярность своего магнита. Возможно, смена полюсов связана со скоростью вращения планеты или с тем, что линии поля пересекаются и перепутываются из-за перемещений жидкого металла во внешней оболочке ядра.

Почему вольты не назвали фарадами

Многие исследователи электричества и магнетизма вписаны в историю культурного наследия, их фамилиями названы различные единицы измерения величин, связанных с электричеством, хотя, например, один из основных ученых в данной области, Бенджамин Франклин, этой чести не удостоился. Именем Шарля Огюстена Кулона названа величина заряда, Георга Ома — единица измерения сопротивления, Джеймса Уатта — единица измерения мощности, Джеймса Джоуля — энергия, Алессандро Вольты — единица измерения электрического потенциала, разности потенциалов и электродвижущей силы, Андре Ампера — сила тока. Почему выбрали фамилию Вольты, а не Фарадея?

Англичанин, не публикующийся на французском

Уильям Томсон был убежден, что производство электричества в будущем станет одной из самых важных отраслей промышленности, а значит, необходимо. чтобы люди могли точно знать, какое количество побуждающей силы от невидимого поля они покупают. Вероятно, он хотел дать этой единице измерения имя Фарадея, которым восхищался, но вмешались французские чиновники, в руках которых в течение всего XIX века находилась научная номенклатура. Основной проблемой Фарадея стала его национальность: он был англичанином, а не французом. Также ученый не слишком хорошо владел французским языком и не публиковал на нем свои открытия.

После длительных политических разбирательств на конференции в Париже было объявлено, что официальным названием для единицы силы невидимого поля будет вольт, выбранный в честь Алессандро Вольты, который имел публикации на французском, а также оказывал всемерную поддержку Наполеону. Вольта был первым изобретателем батарейки постоянного тока, но никогда до конца не понимал механизма ее работы. В итоге потенциал электрической силы измеряется в вольтах, а не в фарадах. Если указано, что электрический аппарат работает при напряжении в 120 вольт, это означает, что для нормальной эксплуатации необходимо получать 120 джоулей энергии на каждый кулон циркулирующего электрического заряда.

Алессандро Вольта

* * *

В конце концов Сайрус Филд вынужден был согласиться, что Томсон и Фарадей правы и невидимые силовые поля, способные переносить электрические заряды, все же существуют. То есть решение состояло не в том, чтобы запустить больше электронов в подводный кабель, а в том, чтобы превратить кабель в водяную трубку. Как и говорил Томсон, питание кабеля от батареи большей мощности вызывало возникновение более мощного поля, следовательно, увеличивалось взаимодействие с оплеткой и водой; часть поля подталкивала свободные электроны к перемещению по центральной медной жиле кабеля, но другая часть электронов проходила через изолятор и создавала быстро распространяющийся электрический ток в железе. По этой причине нагревались центральная медная жила и внешняя железная оплетка, а каучук, находившийся между ними, на некоторых участках даже плавился. Таким образом, при каждой передаче кабель портился все больше.

В 1866 году с помощью крупнейшего парохода той эпохи «Гpeйm Истерн» был проложен новый кабель, сделанный согласно инструкциям Томсона. «Грейт Истерн» мог перевозить 5800 километров кабеля и 500 человек. Претерпев несколько аварий, например разрыв кабеля на расстоянии 1900 километров, 27 июля 1866 года он прибыл из Ирландии на остров Ньюфаундленд, где произошли первые успешные передачи сообщений. Кабель работал отлично и практически бесперебойно со скоростью передачи до восьми слов в минуту. Стоимость сообщения из 20 слов была равна 150 долларам — немалые деньги в те годы. Фарадей был болен и состарился, но считается, что Томсон сам сообщил ему об успехе проекта и подтверждении его теорий.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОТГОЛОСКИ: МАКСВЕЛЛ И ЭЙНШТЕЙН

Открытие электромагнитной индукции суммировало все последующие эксперименты, проведенные после первого и являющиеся его вариациями. Весной 1832 года Фарадей создал и опробовал в действии самые разные катушки, гальванометры и другие аппараты, разработанные, чтобы проверить весь поток идей, пришедших ему в голову после первого успеха. В следующие месяцы Фарадей установил принципы электромагнитной индукции, на которых основывается современная теория об электричестве.

Это открытие играло решающую роль для развития физики, однако Фарадей до конца не отдавал себе отчет в том, что именно он открыл. У ученого были некоторые довольно туманные идеи о следствиях обнаруженных незначительных отклонений стрелки гальванометра. И действительно, в его дневнике мы можем прочесть о разочаровании, которое он испытал, увидев, что эти импульсы слишком слабы и непродолжительны.

Однако в ноябре 1831 года, когда Фарадей передавал на суд общественности свои знания о силовых магнитных линиях, в Шотландии родился физик Джеймс Клерк Максвелл, который в 1856 году перевел открытия Фарадея на язык математики. Самая важная часть работы Максвелла пришлась на промежуток между 1864 и 1873 годами, когда он привел имеющиеся знания к системе уравнений, объединяющих электричество и магнетизм. Так появилась теория электромагнетизма. Она утверждала, что электричество и магнетизм не существуют по отдельности, а также доказывала, что свет является частью электромагнитной среды, распространяющейся со скоростью 300000 км/с.

* * *

Обобщения Максвелла по электромагнетизму

Джеймс Клерк Максвелл использовал для построения своей великой теории электромагнетизма, являющейся обобщением всех электрических и магнетических явлений, три основных элемента:

— эксперимент Эрстеда (1820), сделавший очевидным существование магнетического эффекта, создаваемого движущимися зарядами;

— открытия Фарадея (1831), доказавшие, что магнитные поля при изменении со временем создают движение электрических зарядов, в проводниках (индукцию);

— описание Шарлем Кулоном (1785) за полвека до этого в виде закона способа взаимодействия электрических зарядов: величина каждой отдельной электрической силы прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Это обобщение позволило Максвеллу описать электромагнетические явления в виде четырех уравнений, которые называются уравнениями Максвелла. Первое представляет электрическое поле в зависимости от зарядов в состоянии покоя; второе переводит в математическую форму закон о том, что невозможно разделить полюса магнита; третье устанавливает, что электрические токи — это не единственный источник магнитного поля (эксперимент Эрстеда), также им являются электрические поля при изменении со временем; в четвертом обобщенно представлен вклад Фарадея в электромагнетизм.

Джеймс Клерк Максвелл

* * *

Позднее исследования Фарадея лягут в основу развития специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, сформулированной в 1905 году. Если быть более точными, специальная теория относительности возникла на основе критики интерпретации Максвелла закона Фарадея об электромагнитной индукции.

Две великие концептуальные революции в физике начала XX века — теория относительности и квантовая физика — нашли вдохновение в электромагнетизме, хотя, конечно, в большей степени это касается теории относительности.

Специальная теория относительности была опубликована Альбертом Эйнштейном (1879–1955) в 1905 году, в ее основе лежит констатация факта, что скорость света в вакууме равна во всех инерциальных системах отсчета, то есть не зависит от их состояния покоя или постоянного прямолинейного движения по отношению к телу, на которое не действует никакая сила.

Согласно законам Ньютона, описание движения возможно только при указании на то, как тело перемещается во времени: для каждого пункта траектории устанавливается момент времени, в который в нем находится тело. При этом нужно принимать во внимание то, как наблюдатели в двух инерциальных системах отсчета сравнивают количественные показатели одного события. Отношения для сравнения параметров называется преобразованиями Галилея.

Некоторые физики уже доказали, что уравнения Максвелла, управляющие электромагнетизмом, не соответствуют преобразованиям Галилея. Для Эйнштейна все физические законы одинаковы для всех наблюдателей в одной системе инерциального отсчета, то есть невозможно отличить одну инерциальную систему от другой; также скорость света в вакууме постоянна и равна для всех инерциальных систем отсчета. Поэтому было необходимо найти другие уравнения преобразования между инерциальными системами, отличные от преобразований Галилея, согласно которым скорость света была бы всегда одинаковая.

ГЛАВА 4.

Взаимодействие между материей, электричеством и светом

Теоретические отголоски открытий Фарадея достигли ученых следующих поколений, таких как Максвелл и Эйнштейн. Они приняли эстафету из рук сандеманианца, чтобы сформулировать теории, с большей точностью описывающие реальный мир. Фарадей же продолжал исследовательские работы, направление которых переместилось на свет и его взаимодействие с электричеством и магнетизмом.

Фарадей стал почетным прихожанином сандеманианской церкви, а в Бирмингеме открылось первое производство динамо-машин. С 1833 года ученый начал проводить электрохимические опыты, которые напрямую могли связать материю с электричеством. Чуть позже к этой связи добавился свет, так как он является не чем иным, как волной. С другой стороны, Герц открыл волновые свойства электромагнетизма. Физики XIX века, стоявшие на механистических позициях, считали, что так же как волны распространяются по воде, электромагнитные волны должны распространяться через некую среду, эфир. В электромагнитной волне распространение происходит за счет изменений электрического и магнитного полей. Герц в 1888 году опубликовал результаты своих исследований, сделав вывод, что свет и электромагнитные волны относятся к одному явлению.

Так называемый электролиз, или расщепление вещества с помощью электрического тока, также позволил Фарадею утверждать, что электричество состоит из материальных заряженных частиц. Джордж Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами, но окончательное открытие электронов было сделано Уильямом Томсоном только в 1897 году. Благодаря этим открытиям и атомной модели Резерфорда сегодня мы знаем, что электроны составляют оболочку атома и соединены с ядром электрическими силами, более слабыми, чем остальные силы притяжения частиц в ядре. Таким образом, достаточно просто разорвать эти связи и отделить электроны.

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Благодаря батарейке Вольты химики открыли, что электрический ток протекает вдоль контура по кабелю, идущему от одного полюса батарейки к другому. При этом если кабели на концах контура присоединить к металлическим электродам, погруженным в жидкость, ток пройдет по ней и начнется химический процесс расщепления.

Возьмем в качестве примера такой жидкости воду (H_2O). В результате ее расщепления у одного из электродов появится водород, а около другого — кислород. Если над электродами расположить сосуды соответствующего вида, можно будет собрать данные газы по отдельности.

Через три десятилетия после первого опыта по расщеплению воды электричеством Фарадей использовал термин «электролиз». Исследования этого явления сделали очевидной возможность обратной реализации знаменитого эксперимента Генри Кавендиша (1731–1810), осуществленного в 1784 году: он получал воду, пропуская искру через сосуд с водородом и кислородом.

Первая «электролизация» воды была осуществлена английским химиком Уильямом Николсоном (1753–1815) через некоторое время после изобретения батарейки Вольты, 20 марта 1800 года. С помощью своего коллеги Энтони Карлайла(1768–1840) Николсон создал первую в Англии копию батарейки. Для улучшения электрического соединения он погрузил электроды от батарейки в сосуд с водой, и у каждого из электродов были собраны водород и кислород. Опыты по собиранию газов у электродов стали широко распространенными. Первым, кто увидел, что объем полученного в ходе электролиза водорода вдвое превышает объем кислорода, стал Гемфри Дэви. Пропорциональное распределение — две части водорода на одну часть кислорода — заставляло думать, что в воде больше атомов водорода, чем кислорода, и что каждая частица воды состоит из трех атомов, а не двух, как предлагал Джон Дальтон (1766–1844):

«Почему не допустить, что вода принимает одинаковый объем каждого из газов? Я долго размышлял над этим вопросом и, хотя меня полностью не удовлетворяет ответ, почти убежден, что данное обстоятельство зависит от веса и количества последних частиц, составляющих разные газы».

То есть химическая комбинация состоит из взаимодействующих атомов определенного и характерного веса. Данное заключение об атомном составе было, в конце концов, сформулировано Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778–1850).

* * *

Электрический разряд как фактор химических реакций

До того как Фарадей начал свои исследования, считалось, что бывают разные виды электричества, в зависимости от источника. В начале XIX века думали, что существуют два вида электричества, изначально названных «стеклянное» и «смоляное», то есть положительное и отрицательное соответственно. Эта концепция, введенная Шарлем Франсуа де Систерне Дюфе, позволяла разделять все тела с точки зрения электричества: те, которые при натирании ведут себя как стекло, то есть электрически положительные, и те, которые при натирании ведут себя как смола, — электрически отрицательные (положительные и отрицательные — термины, введенные Бенджамином Франклином). Химические реакции можно было объяснять с позиции электрического притяжения и отталкивания. Таким образом, полюса контура притягивали на расстоянии компоненты молекулы, в конце концов разрушая ее.

Необходимость электрического разряда

Майкл Фарадей экспериментально доказал, что самой по себе близости двух электрических полюсов недостаточно для химической реакции: нужен электрический разряд. Эксперимент состоял в том, чтобы поместить бумагу, смоченную раствором йодистого калия, между двумя заряженными электродами. При высвобождении йода бумага окрашивалась в характерный фиолетовый цвет, и таким образом становилось очевидно, что произошла химическая реакция. Тогда ученый смог наблюдать, что близости электродов недостаточно.

Чтобы йод высвободился, а бумага окрасилась, нужен был электрический разряд. Для интерпретации данного явления Фарадей предложил, чтобы электрический ток вызывал помехи в химическом растворе, — это приводило к высвобождению йода.

Фарадей. мастер новых терминов

С помощью советов Уильяма Уэвелла (1794–1866), специалиста по классическим языкам и исследователя Тринити-колледжа Кембриджского университета, Фарадей придумал множество неологизмов для обозначения явлений и понятий в своих теориях и изобретениях. Для того чтобы новый термин был как можно более точным, Фарадей описывал Уэвеллу понятие или ситуацию со своим характерным умением использовать прозу там, где другие прибегали к математическим уравнениям, а Уэвелл, который, как считается, ввел термин «ученый» (заменяющий слово «натурфилософ»), предлагал свой вариант неологизма.

Электрохимия

Особенно интересны термины, введенные для понятий, связанных с электрохимией. Если в своих предыдущих исследованиях Фарадей был пионером и ему требовались абсолютно новые термины, то в области электрохимии уже существовал некоторый понятийный аппарат. Однако Фарадей считал, что старые термины не соответствуют тому, что обозначают: он был уверен в неотложной необходимости ввести новые термины для описания знакомых понятий, чтобы не ограничивать процесс осмысления старыми рамками. Например, для терминов «анод» и «катод» Фарадей представил Уэвеллу образ тока, перемещающегося в направлении восток — запад. Этот образ тесно связывался с земным магнетизмом и линиями широты.

Уэвелл предложил два варианта: эйсод (путь входа) и эксод (путь исхода), или анод (путь с востока) и катод (путь на запад). Фарадей в конце концов

выбрал второй вариант, так как он лучше описывал то, что ему хотелось выразить. Также совместно они придумали термин «электролиз», то есть разложение молекул электрическим током. Им принадлежит термин «ион» (идущий) — заряженная частица, движущаяся в растворе. В свою очередь, ионы, движущиеся к аноду, стали анионами, а те, что перемещаются в направлении катода, — катионами. Уэвелл придумал и много других терминов, связанных с наукой. Одно из таких обозначений не имеет эквивалента в русском языке — это все чаще произносимый в последнее время термин consilience, его ввел в моду Эдвард О. Уилсон в книге, озаглавленной «Consilience. Единица знания», и он означает определенный подход к обобщенному изучению науки и гуманитарных дисциплин, выведение общего из разных классов знания.

Уильям Уэвелл.

* * *

Но именно Майкл Фарадей назвал электродами две металлические пластины, погруженные в жидкость для электролиза. Отрицательный электрод получил наименование «катод», а положительный — «анод». Атомы, как правило, нейтральны, у них нет положительного или отрицательного заряда, но прохождение тока через жидкость делало атомы заряженными и заставляло их перемещаться. Фарадей назвал заряженные атомы ионами. Сегодня нам известно, что ион является заряженным атомом, потому что он получил или потерял электроны, но Фарадей в ту эпоху не мог знать об электронах, хотя, несомненно, у него были определенные догадки на этот счет.

Электрохимические эксперименты в этой области показали, что существует два основных класса химических элементов: те, что, распадаясь при электролизе, перемещаются к положительному полюсу электрической цепи (электроотрицательные элементы), и те, которые перемещаются к отрицательному полюсу (электроположительные элементы).

Были сделаны попытки встроить в эту зарождающуюся органическую химию теорию, разработанную Гемфри Дэви и шведским химиком Берцелиусом (1779–1848), согласно которой электрическое взаимодействие между электроположительными и электроотрицательными элементами должно было полностью или частично нейтрализовываться, а с помощью остаточного заряда могли формироваться новые, более сложные соединения с более хрупкими связями.

Тогда были открыты свободные радикалы — группы атомов, которые в химических реакциях ведут себя как отдельная единица и способны соединяться, что парадоксально, как с электроположительными, так и с электроотрицательными элементами. Таким образом, свободные радикалы ставили под сомнение предсказания дуалистской теории и представляли органическую химию как намного более сложную дисциплину, чем казалось на первый взгляд.

* * *

Электролиз воды

Электролиз воды — это разложение воды (H_2O) на газы — кислород (O_2) и водород (H_2) — с помощью пропускания электрического тока через воду. Этот процесс позволяет подтвердить соотношение, в котором находятся эти два газа: 2 объема водорода на 1 объем кислорода. Отрицательно заряженный катод собирает катионы водорода для формирования газа водорода. Положительно заряженный анод направляет электроны к аноду для замыкания цепи. Чистая вода не проводит электричество. Для осуществления реакции в воду добавляется несколько капель серной кислоты (Н_2SO_4), электроды должны быть из платины, используется постоянный ток. в результате мы получаем вдвое больший объем H_2 (на катоде) по сравнению с O_2 (на аноде). Более детально рассматривая процесс, мы можем наблюдать, что при погружении двух электродов в кювету с водным раствором (вода и несколько капель серной кислоты) в растворе будут находиться ионы водорода (Н+) и сульфата (SO_4-). Если затем подключить генератор электрического тока, некоторые молекулы воды будут распадаться на H+ и ОН-. В результате ион OH- будет образовывать воду и молекулы газа кислорода, осаждающиеся на аноде в виде пузырьков.

При этом ион SO_4- вернется в раствор и останется в состоянии иона. В то же время ионы H+ от кислоты и воды уступят свои заряды и образуют молекулы водорода, осаждающиеся в виде пузырьков на катоде.

* * *

Открытие свободных радикалов привело к необходимости выявить число возможных комбинаций, которые могли создавать каждый радикал и каждый элемент. Позже это число назовут валентностью. Таким образом, давалась численная оценка способности одного или нескольких атомов элемента заменять один или несколько атомов другого элемента в сложной органической структуре.

Результаты экспериментов, проведенных Фарадеем в области электрохимии, можно обобщить в двух предложениях, которые получили название «законы электролиза Фарадея».

— Масса химических веществ, осажденных на электроде, прямо пропорциональна количеству пропущенного тока на требующееся для процесса время.

— Для данного количества электричества масса освобожденных химических элементов прямо пропорциональна их химическим эквивалентам.

Химическим эквивалентом, или эквивалентной массой, называется масса элемента, взаимодействующая с примерно 1 граммом водорода. Необходимое количество электричества для осаждения химического эквивалента любого постоянного элемента является константой, названной постоянной Фарадея, равной 96500 Кл, что эквивалентно 1 фараду (Ф). Таким образом, математическая формула, объединяющая оба закона, выглядит так:

где т — масса в граммах осажденного на электроде элемента, I — сила тока, t — время прохождения тока через раствор, Eq — химический эквивалент элемента.

Современная электрохимия появилась благодаря законам электролиза, сформулированным Фарадеем. В связи с этим в его честь фарадом (Ф) называется единица, используемая в электрохимических системах для расчета массы элементов, которые осаждаются на электроде, то есть количество электричества, необходимое для осаждения химического эквивалента элемента: 23 грамма натрия, 108 граммов серебра или 32 грамма меди.

ПРИЗНАКИ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИИ

Эксперименты по химическому разложению стали для пытливого ума Фарадея толчком к новым исследованиям. Он начал новую серию опытов, связанную с первой, однако результаты показались малофункциональными. Например, одно из важнейших сопутствующих исследований, которые Фарадей оставил незавершенными из-за боязни никогда не найти убедительного объяснения, было связано с эффектом платины — металла, используемого в качестве одного из полюсов в кюветах для электролиза. Фарадей заметил, что на платине, какой бы чистой она ни была, при прохождении тока на поверхности всегда возникают реакции водорода и кислорода. Такое явление называется катализом — термин предложил Берцелиус в 1836 году. При этом процессе происходит ускорение или замедление химических реакций благодаря участию вещества, называемого катализатором. Многие каталитические процессы, особенно связанные с водородом, требуют участия таких металлов, как платина. Однако Фарадею здесь не удалось добиться больших успехов.

Наступила весна 1834 года, и ученый начал жаловаться, что до сих пор не смог сформулировать теорию о взаимодействии электричества и материи. Например, его чрезвычайно расстраивал тот факт, что жидкость при заморозке продолжает проводить электричество и даже может заряжаться. Прежде все материальные вещества в мире разделялись на проводники и изоляторы, но Фарадей полагал, что все тела должны проводить электричество «от металлов до лака и газов, но в разной степени».

Догадки? Я ими не занимаюсь. Я лишь опираюсь на факты.

Майкл Фарадей, ответ на вопрос о жизни после смерти

Но если версия Фарадея была справедливой и электричество проходило одинаково через все вещества, материя не могла считаться континуумом, а должна была состоять из частиц.

Эта идея была слишком передовой для того времени, и Фарадей оставил атомистические рассуждения к весне 1834 года, установив тем не менее, не зная этого сам, основы электронной теории материи. Для каждого вида материи имеется минимальная порция, в которой сохраняются физико-химические характеристики, свойственные данной материи, — молекула; при этом данные характеристики исчезают при уменьшении этой порции. Фарадей также заложил основы электролитической диссоциации: он ввел термин ион для обозначения заряженных частиц, переносящих электричество внутри проводящего раствора, но не уточнил, из чего в действительности состоят ионы.

Обе теории были разработаны в достаточной мере через 50 лет.

Таким образом, хотя ученый постоянно обнаруживал следы атомной структуры материи, он намеренно отвергал данную теорию. В 1834 году он заявлял:

«Должен признать, что меня смущает термин «атом». Несмотря на то что говорить об атомах просто, довольно сложно сформировать четкую идею об их природе, особенно в отношении составных тел».

То, что Фарадей отвергал атомы, позволило ему создать теорию силовых полей, которая противоречила доминирующей теории корпускул Ньютона. Он не мог вернуться к этой старой концепции для окончательного прояснения функционирования электричества. При этом немецкий физик и физиолог Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821–1894) приводил доказательства того, что Фарадей подразумевал наличие электрона, или атома электричества.

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал института: размеры лаборатории в подвале не могли вместить огромный деревянный каркас, покрытый алюминиевыми листами. Несведущий наблюдатель, вероятно, решил бы, что Фарадей конструирует какой-нибудь вид оружия, что-то вроде боевого танка. Может быть, это было похожим на клетку для фантастического существа, заземленную и подсоединенную к электростатическому генератору. Но внутри нее был только сам Фарадей, он сидел там в ожидании, пока его ассистент, сержант Чарльз Андерсон, подаст заряд на клетку, и от нее полетят искры.

Эксперимент несколько напоминал книгу о докторе Франкенштейне, когда его изуродованный помощник подключал электрический аппарат, чтобы вернуть тело к жизни. Однако Фарадей не ожидал получить от электричества никакой живительной силы. Он надеялся на обратное — не произойдет вообще ничего — и достиг этого: даже самые точные измерительные аппараты не смогли обнаружить никаких электрических эффектов внутри клетки, как будто она ограждала сидящего внутри от искрящего повсюду электричества.

Эта система экранирования получила название клетки Фарадея и в последующем начала использоваться для защиты чувствительных инструментов от радио- или электромагнитных явлений. Например, обычный лифт, если он представляет собой закрытый металлический ящик, может иметь свойства клетки Фарадея, поэтому часто в лифте не работает мобильная связь. В микроволновках также используется принцип клетки Фарадея для того, чтобы волны не проникали наружу. Самолеты также функционируют по этому принципу: если молния попадет в самолет, пассажиры останутся невредимы.

В эксперименте, несмотря на то что электростатический генератор подавал ток высокого напряжения, никто и ничто в клетке не подвергалось действию электричества. Для проверки того, что внутри клетки не было электрических зарядов, Фарадей использовал электроскоп — инструмент, позволяющий обнаруживать и измерять заряд отдельного тела. Электроскоп показал, что на внутренних стенках клетки заряд не обнаруживается.

Клетка Фарадея при отсутствии электрического поля (слева); заряженные частицы на стенке клетки Фарадея отвечают на приложение электрического поля (в центре); электрические поля внутри стенки устраняют приложенное электрическое поле, нейтрализуя внутреннее пространство клетки (справа).

Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка — из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные — электроны — свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю. На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя. Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.

ДИЭЛЕКТРИКИ

В 11-м выпуске серии «Экспериментальные исследования по электричеству» (1855, Experimental Researches in Electricity) Фарадей предлагает в качестве первого принципа науки об электричестве индукцию как свойство вызывать противоположное состояние, а также дает новое определение термину заряд — состояние напряженности, поддерживаемое материей. Кроме того, ученый высказывает мысль о том, что существуют тела, проводящие электричество, а также тела, с той же эффективностью не проводящие его.

Первый класс тел был назван проводниками, второй, по совету коллеги Уэвелла, получил название диэлектриков. Другими словами, по отношению к своему поведению под воздействием электрического поля материальные тела классифицируются на проводники и диэлектрики, при этом не существует постоянной градации, которая исключала бы отнесение тела к одной из категорий, то есть тело может классифицироваться как проводник или диэлектрик в зависимости от ситуации.

Важно различать изоляторы и диэлектрики. Все тела-диэлектрики являются изоляторами, поскольку плохо проводят электричество, но не все изоляторы являются диэлектриками. Чтобы стать диэлектриком, материал при воздействии электрического поля должен быть способен сохранять внутреннее электрическое поле. Диэлектрик может превратиться в проводник, если мы настолько увеличим внешнее поле, что оно превзойдет максимальное напряжение диэлектрика, называемое электрической прочностью.

Фарадей начал измерять диэлектрические константы разных изоляторов и назвал отношение между зарядом и напряжением диэлектриков специфической индуктивной способностью.

* * *

Диэлектрические константы

Чем больше величина диэлектрического коэффициента, или диэлектрической константы, обозначаемой как К, тем выше уровень электропроводимости материала. Например, константа воздуха — 1,00054, вакуума — 1,0. Другие значения К для разных материалов следующие.

— Стекло: 5–10.

— Нейлон: 3,5.

— Полиэтилен: 2,3.

— Хлорид натрия: 6,1.

— Дерево: 2,5–8,0.

— Этиловый спирт (0ºC): 28,4.

— Дистиллированная вода (20ºC): 80,1.

Если электрическое поле диэлектрика становится очень интенсивным, электроны покидают молекулы и материал превращается в проводник. Максимальное электрическое поле, которое диэлектрик может выдержать до момента разрушения, называется электрической прочностью.

Вот некоторые примеры диэлектрических материалов: стекло, резина, воск, бумага, сухое дерево или фарфор.

ЭКСПЕРИМЕНТ С КЮВЕТОЙ CO ЛЬДОМ

Работы по статическому электричеству и изолирующему эффекту клетки Фарадея были подтверждены в эксперименте 1843 года с использованием кюветы со льдом.

Схема аппарата, использованного Фарадеем для эксперимента с кюветой льда. Для изоляции кюветы от пола использовалась деревянная табуретка. Электрически заряженный латунный шарик, подвешенный на шелковой нити — изоляторе, опускался в кювету. Кювета была соединена проводом с электроскопом, чувствительным к заряду на ее стенках.

В полую металлическую кювету (см. схему) с отверстием сверху клали лабораторный лед. К стенке кюветы подключали электроскоп. Далее Фарадей опускал в кювету металлическую заряженную сферу. В этот момент электроскоп регистрировал заряд внутри кюветы, противоположный заряду сферы. Снаружи кюветы заряд был такой же, как у сферы. Пока сфера находилась внутри кюветы, электроскоп показывал тот же заряд; когда сферу вынимали, электроскоп не показывал никакого заряда. Таким образом, внутренние стенки сосуда приобретали заряд, противоположный заряду сферы, а внешние — такой по знаку заряд, как у сферы. Этот эксперимент Фарадея подтвердил, что «индуцированные заряды всегда будут иметь одну величину, но будут разные по знаку между собой и зарядом индуктора».

Эксперимент с кюветой также подтверждал принципы электростатического экранирования, наблюдаемые в клетке Фарадея и применяемые сегодня для защиты оборудования от электрических разрядов.

Фарадей реализовал первый эксперимент, количественно подтверждающий сохранение электростатического заряда: общее количество положительных электрических зарядов на предмете равно количеству отрицательных, то есть общее количество электрического заряда в любом случае будет постоянным. Так, например, если изначально заряд кюветы был + 15 при опускании заряженной сферы +3, на внутренней поверхности кюветы обнаруживался заряд -3, а на внешней поверхности — +18. Общий заряд кюветы не изменился, так как 18 + (-3) — 15.

Эксперимент Фарадея до сих пор используется на лекциях и лабораторных демонстрациях для пояснения принципов электростатики.

ЖИЗНЕННЫЙ КРИЗИС

В ходе восхождения по карьерной лестнице Фарадей в 1833 году стал преемником своего учителя Гемфри Дэви, заняв пост преподавателя химии Королевского института. В 1835 году ему назначили пожизненную пенсию в 300 фунтов ежегодно. Наконец Фарадей чувствовал, что занимался тем, для чего появился на свет. Однако в 1835 году его интеллектуальное и психологическое состояние ухудшилось, а в 1840 году изменения стали еще сильнее. Подобный кризис пережил родившийся за 150 лет до Фарадея Исаак Ньютон — несмотря на научные расхождения этих мыслителей.

Ньютон в возрасте 49 лет почувствовал умственное переутомление. Фарадей в том же возрасте оказался в похожей ситуации: после титанического труда, которого потребовали исследования по электролизу, у него появились признаки общей усталости. Наступивший кризис принес Фарадею много горя и неприятностей как в профессиональном, так и в личном плане: он страдал от головокружений, потери памяти, мог записывать или произносить бессмысленные фразы (нечто подобное было и у Ньютона). Для большей показательности приведем отрывок из его личных записей того периода, в котором как раз говорится о кризисе, постигшем ученого:

«По словам подлинно светского человека Талейрана, назначение языка — скрывать мысли. Но в настоящий момент, когда я чувствую, что неспособен больше вести длительных разговоров, я должен заявить, и это действительно будет означать без каких-либо ошибок, недопонимания, двойственного или двойного смысла, отговорки или упущения, что я не нахожу подходящих условий, ибо мой ум слаб и я не могу работать».

Чтобы побороть это физическое и умственное состояние, в 1835 году Фарадей позволил себе отдохнуть несколько месяцев в Швейцарии, но и это не помогло, и в 1840 году он начал терять сознание от переутомления. И вновь ученый решился на еще одну, более длительную, поездку в Швейцарию вместе с женой и братом Робертом. В тот период Фарадей совершал дальние прогулки, по 45–60 км в день. Впервые он был лишен каждодневного исследовательского труда. Однако, в отличие от Ньютона, который после кризиса так и не вернулся к решению интеллектуальных задач, Фарадей в 1844 году вновь принялся за исследовательскую деятельность, в этот раз связанную со сжижением газов.

* * *

Первый программист Ада Лавлейс

После того как Фарадей восстановился после физического и умственного переутомления, у него состоялась встреча, которая, возможно, при других обстоятельствах произвела бы революцию в зарождавшихся тогда информационных технологиях. Это была встреча с Адой Байрон, дочерью лорда Байрона. Фарадей предстал перед ней в 1844 году со словами:

«Я принадлежу к маленькой и презираемой секте христиан, известных, если о нас кому-то известно, как сандеманианцы». Встреча с графиней Лавлейс является одним из таких моментов истории, когда невольно возникает вопрос: а что было бы, если? Дочь лорда Байрона уже работала с Чарльзом Бэббиджем и его аналитической машиной, создавая для нее первые компьютерные алгоритмы — набор четких инструкций для выполнения какой-либо операции. Но технические возможности той эпохи не позволяли довести до конца теоретические идеи этих двух незаурядных умов. Поэтому Ада Байрон, очарованная открытиями Фарадея в области электричества, вероятно, рассчитывала, что эти открытия помогут и ее собственным исследованиям, и попросила Фарадея взять ее в ученицы.

Портрет Ады Байрон (1838).

Искушение

Фарадей, верный своей религии, отказался, хотя был очарован этой красивой и умной женщиной, которую сегодня считают первым программистом в истории: он подумал, что таким образом может поставить под удар собственный брак. Несмотря на это переписка между исследователями продолжалась в течение нескольких лет, вплоть до преждевременной кончины Ады Байрон в 1852 году.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

Хотя казалось, что свет и магнетизм не имеют ничего общего, на самом деле они взаимосвязаны. Всякий раз, когда мы до чего-нибудь дотрагиваемся, атомы наших пальцев вступают во взаимодействие с атомами этого предмета, электроны атомов нашей руки и предмета контактируют и взаимно отталкиваются из-за электромагнитной силы. Материя — практически пустота, но именно взаимное отталкивание электронов нашей руки и электронов предмета подсказывает, что пустоты не существует.

Фарадей был убежден, что каждый вид силы в мире может превращаться в другой: он доказал это, когда воздействовал электричеством на магнетизм. Теперь, после длительного отдыха, Фарадея соблазнял поиск нового решения задачи: достичь того, чтобы электричество вступило во взаимодействие со светом. Не впервые он задумывался над этим: с начала 1820-х годов ученый сделал несколько попыток, каждый раз безуспешных, но все же, вдохновляемый Джоном Гершелем и его опытами 1823 года, по-прежнему обдумывал возможности воздействия на свет электромагнитной спиралью.

В июне 1845 года на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки Фарадей познакомился с молодым Уильямом Томсоном, который был большим поклонником его работ, а впоследствии стал великим теоретиком электричества в Англии, участвовал в создании кабеля, который должен был соединить Англию и Америку, но об этом мы уже говорили. Молодой 21-летний шотландец был очарован Фарадеем, они долго беседовали, а позднее начали переписываться: Томсон рассказывал о своих успехах, которые сопутствовали ему при разработке понятия силовых линий, введенных Фарадеем. В конце концов, эта переписка вдохновила Фарадея на возобновление поисков связи света и электричества.

Он сразу же провел серию экспериментов, которые, как это уже случалось в прошлом, не принесли желаемых результатов. Тогда ученый решил вместо электричества, воздействовавшего в качестве силы на свет, использовать магнетизм. Для обнаружения возможного эффекта Фарадей использовал стекло с высоким индексом рефракции — то самое, которое он сделал для Королевского общества между 1829 и 1820 годами, когда его учитель Дэви давал ему много мелких поручений, чтобы научный талант его подопечного не сиял так ярко. Стекло было изготовлено из боросиликата свинца, ученый разместил его между двумя полюсами электромагнита и пропустил через него поляризованный свет параллельно линиям, проходящим от полюса к полюсу. В результате Фарадей заметил, что поляризованный луч подвергается воздействию.

Фарадей держит в руках стеклянный брусок, использованный в 1845 году для доказательства воздействия магнетизма на свет в диэлектриках.

Работник Немецкого музея в Мюнхене залезает в клетку Фарадея, чтобы продемонстрировать ее работу.

Рисунок на основе заметок Фарадея, иллюстрирующий эксперимент с кюветой льда.

Рефракция — явление, состоящее в изменении направления света при прохождении через прозрачную среду, например через воздух или стекло. Это явление можно наблюдать, если мы опустим карандаш в стакан воды: кажется, что карандаш сломан у поверхности воды. Это связано с рефракцией, или преломлением, света при прохождении через воздух и воду. Отношение между скоростью света в вакууме и в определенной среде называется индексом рефракции, который определяется как частное между скоростью света в вакууме и скоростью света в данной среде: n = c/v.

С другой стороны, свет представляет собой волновое движение (взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля вибрируют также в направлении распространения волн, поэтому свет состоит из электромагнитных волн). Как правило, свет, испускаемый предметами, не поляризован, поскольку он идет в разных направлениях. Однако свет поляризуется при колебаниях электрического поля в одной плоскости.

Существуют различные способы получения поляризованного света. Один из них, названный поляризацией отражением, открыл в 1808 году Этьен Луи Малюс: он направил луч света на поверхность стекла под углом в 57º, отраженный луч поляризовался, потому что плоскость колебаний была перпендикулярна плоскости воздействия.

Таким же образом Фарадей открыл первый известный случай взаимодействия между магнетизмом и светом в 1845 году. Это отклонение плоскости поляризации света (определенной плоскостью колебаний электрического поля) — результат пересечения магнитным полем прозрачного материала, такого как стекло. Он известен как эффект Фарадея, или магнитооптический эффект, и наблюдается на многих твердых, жидких и газообразных предметах. Эффект возникал, только когда лучи света пересекались на протяжении линий электромагнитной индукции между полюсами.

* * *

Природа света

Co времен Ньютона существовали две интерпретации природы света. Согласно первой, свет — это поток частиц; именно эту корпускулярную теорию защищал Ньютон. Вторая интерпретация утверждает, что свет — это волна; за ней стоял Христиан Гюйгенс (1629–1695). В конце концов, эксперименты Юнга и Френеля, а также других исследователей установили в начале XIX века волновой характер света. Следующим концептуальным шагом стало доказательство того, что свет является электромагнитной волной. Сам Фарадей доказал возможность взаимодействия света с электрическими и магнитными явлениями, указав на то, что статическое магнитное поле может изменять скорость распространения света на определенных материалах (знаменитый эффект Фарадея). Формулировка данного эффекта позволила Фарадею утверждать, что свет является электромагнитной волной. Это утверждение с одновременным отрицанием, по его мнению, устаревшей идеи об эфире — теории, согласно которой для перенесения световых волн требуется специальная среда флюида, эфир, — было опубликовано в 1846 году в знаменитых Вечерних лекциях по пятницам.

Теория Максвелла

Максвелл собрал данные, полученные Фарадеем, и сформулировал полную математическую теорию, ставшую основой современной оптики. Эта теория представлена в серии из четырех докладов, озаглавленной «О физических силовых линиях» (On Physical Lines of Force), где мы можем прочесть: «Мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Максвелл также предсказал возможность существования электромагнитных волн с длиной волны, превышающей видимый свет, которые сегодня мы называем радиоволнами.

ДИАМАГНЕТИЗМ

Уже полностью восстановившись после кризиса, Фарадей вернулся к исследованиям и работал с таким энтузиазмом, что накануне дня, когда он собирался передать в Королевское общество статью об эффекте Фарадея, 4 ноября 1845 года, он сделал еще одно открытие с помощью стекла из боросиликата свинца. Ученый писал:

«Если квадратный брусок вещества толщиной полдюйма и шириной два дюйма подвесить между двумя полюсами мощного электромагнита в форме подковы, при включении электромагнита брусок поворачивался и останавливался, но не вдоль линии между полюсами, а экваториально или перпендикулярно силовым линиям».

Если тело из парамагнитного материала повернулось бы вдоль силовых линий, то стекло поворачивалось перпендикулярно. Фарадей открыл диамагнетизм. Также он поставил эксперименты, в которых луч поляризованного света линейно распространялся через стекло. При воздействии на стекло магнитным полем плоскость поляризации света вращалась. Сегодня это явление известно как эффект Фарадея.

Возвращаясь к диамагнетизму, надо сказать, что Фарадей открыл существование материалов, которые отталкивались магнитом, то есть были противоположностью ферромагнетиков, которые сильно магнитом притягивались. Этот эффект не был чем-то новым, его уже обнаруживали другие ученые, но никому из них он не казался важным. Кроме того, эффект был довольно слабым и трудно поддавался измерениям.

Продолжая эту линию исследования, необходимо было проверить и другие вещества. Так Фарадей открыл, что в зависимости от вещества бруски поворачивались по направлению магнитных силовых линий (их он назвал парамагнетики) или перпендикулярно (диамагнетики). То есть парамагнетики, помещенные во внешнее магнитное поле, притягивались в зону, где поле было наиболее сильным. С диамагнетиками наблюдался противоположный эффект — они притягивались в зону с более слабым полем.

Таким образом, мы можем дать следующее определение парамагнетизму: эффект слабого магнитного притяжения, при котором материалы стремятся развернуться соответственно силовым линиям. Такими материалами являются хром, платина или алюминий.

К веществам-диамагнетикам относятся медь, висмут, фосфор, бумага, сургуч, коровье молоко, яблоки, хлеб. Человеческое существо, по всей видимости, тоже должно относится к диамагнетикам. Фарадей сообщил в Королевском обществе 18 декабря 1845 года:

«[…] если бы человека можно было аккуратно подвесить, как это делал Дюфе, и поместить в магнитное поле, он бы повернулся в стороны экватора, так как все вещества, из которых он состоит, включая кровь, являются диамагнетиками».

Фарадей подчеркивает, что между диамагнетиками существуют различия:

«Доскональное исследование показало, что даже материалы-диамагнетики, отличные от других тел, так как еще нагретые они неактивны в отношении обычных магнитов или при других опытах, не являются абсолютными диамагнетиками, поскольку удерживают часть магнитного потенциала вне зависимости от температуры».

После этого водопада открытий Фарадей сообщил Королевскому обществу, что его работа в области диамагнетизма завершена. Это произошло 7 марта 1850 года.

* * *

Ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики

В зависимости от ситуации материалы, помещенные в магнитное поле, могут разделяться на следующие виды.

— Ферромагнетики: легко намагничиваются даже небольшим магнитным полем. Кроме того, они стремятся оставаться намагниченными после их помещения во внешнее магнитное поле. Линии магнитного потока проходят через ферромагнетики с большей легкостью, чем через пустоту. Все эти материалы имеют критическую температуру, называемую температура Кюри, выше которой ферромагнетик теряет свои свойства в результате термического возбуждения и превращается в парамагнетик. Например, температура Кюри для железа равна примерно 1043 К.

— Парамагнетики: в отсутствие внешнего магнитного поля имеют случайный порядок магнитных моментов. Однако под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты парамагнетиков стремятся повернуться параллельно магнитному полю. Если устранить действие внешнего магнитного поля, парамагнетики не сохраняют магнитных свойств.

— Диамагнетики: очень слабо намагничиваются, при индуцированном магнитном моменте поворачиваются в направлении, противоположном магнитному полю. Если ферромагнетики притягиваются магнитами, то диамагнетики отталкиваются ими. В действительности все материалы имеют свойства диамагнетиков, но это может быть неявно выражено при слабом притяжении к магниту (парамагнетики) и при сильном притяжении к магниту (ферромагнетики).

Теория Пуассона

Феноменологическая теория, разработанная французским математиком Симеоном Дени Пуассоном (1781–1840) и его немецким коллегой Карлом Фридрихом Гауссом (1777–1855), позволяет рассчитать эффект любого числа произвольно расположенных статических электрических зарядов. Две противоположно заряженные частицы притягиваются, и у них обнаруживается свойство ускоряться друг к другу, их скорость можно определить при учете сопротивления среды: если сопротивление среды присутствует, они могут двигаться с постоянной скоростью, , если сопротивление отсутствует, они двигаются с постоянным ускорением. После того как Фарадей установил, что электрические поля воздействуют силами на заряженные частицы, из-за того, что они обладают зарядом и вне зависимости от их скорости, а магнитные поля воздействуют силами на движущиеся заряженные частицы, благодаря уравнениям Максвелла, которые появились позднее, стало возможным определить поля на основе знаний о зарядах и токах.

Симеон Дени Пуассон

СЛЕДСТВИЯ ДИАМАГНЕТИЗМА: РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

«Теперь мы уже готовы к рассмотрению теории индуцированного магнетизма с той точки зрения, которой, как я полагаю, придерживался Фарадей. Когда магнитная сила действует на произвольную среду, магнитную, диамагнитную или нейтральную, внутри нее возникает явление, называемое магнитной индукцией, которая представляет собой направленную величину, имеющую природу потока, удовлетворяющую тем же условиям непрерывности, что и электрический ток и другие потоки».

Это цитата из книги Джеймса Клерка Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Несомненно, автор хотел особо подчеркнуть роль Фарадея в изучении электромагнетизма.

С другой стороны, в 1850 году немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер, в честь которого названа единица измерения магнитного потока в международной системе (вебер), предложил идею о том, что молекулы ферромагнетиков представляют собой маленькие магниты. При воздействии на них магнитным полем молекулы поворачиваются в одном направлении. Так ферромагнетик превращается в магнит. Однако эта идея противоречила постулатам феноменологической теории Пуассона, которая использовалась до сих пор для расчета эффекта от неопределенного количества произвольно расположенных статических электрических зарядов.

Как и прежде, находки Фарадея стали основой для теоретической разработки в рамках новых дисциплин, появившихся позднее. Если различия между диамагнетиками и парамагнетиками были экспериментально выведены британским физиком Джеймсом Альфредом Эвингом (1855–1935), характеристики ферромагнетиков не были глубоко проанализированы до тех пор, пока Поль Дирак и Вернер Гейзенберг (1901–1976) не применили для этого основы развивающейся квантовой механики в 1929 году.

Теория существования электронов подразумевалась в работах Фарадея и Максвелла, но окончательно была сформулирована нидерландским физиком Хендриком Антоном Лоренцем (1853–1928) и использована в первую очередь для оптических явлений.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858–1947) ввел термин квант и открыл универсальную постоянную, названную постоянной Планка и использованную для расчета энергии фотона.

В 1905 году Эйнштейн высказал идею, что свет распространяется как частица, фотон. Де Бройль в 1923 году указал, что квантовая механика придает частицам волновые свойства, а излучению, электромагнитным волнам — свойства частиц. Наконец, Гейзенберг и Шрёдингер соединили макроскопические явления со свойствами атома и молекул, и стал понятен феномен ферромагнетизма: в любом ферромагнетике имеются элементарные носители магнитного момента, отвечающие за макроскопические магнитные эффекты и спонтанную намагниченность.

Глава 5.

Больше, чем искра гениальности

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

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

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

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

ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ

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

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

«В течение долгого времени я был твердо убежден в том, что силы природы взаимозависимы — из-за их единого происхождения или из-за того, что они являются проявлением одной фундаментальной силы. Эта убежденность часто заставляла меня думать о возможности установить при помощи экспериментов связь, объединяющую гравитацию и электричество. Таким образом, гравитация оказалась бы включенной в группу, и образовалась бы цепочка, объединяющая магнетизм, химические силы, теплоту и другие проявления силы, с помощью взаимных соотношений».

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

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

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

* * *

Эффект Тиндаля

Эффект Тиндаля проявляется, когда пучок света проходит через среду, содержащую мелкие взвешенные частицы, рассеивающие свет. Свет без рассеивания был бы виден только наблюдателю, находящемуся перед источником света. При столкновении с частицами свет отклоняется в разных направлениях, достигая наблюдателя, находящегося на некотором расстоянии от источника, и становясь видимым. Мы можем наблюдать эффект Тиндаля, когда, например, зажигаем фары машины в тумане или когда луч света попадает в комнату с большим количеством пыли, висящей в воздухе. Тиндаль, как и Фарадей, был лектором Королевского института и великим экспериментатором. А в 1859 году он открыл парниковый эффект, воссоздав в лабораторных условиях атмосферу Земли для точного расчета того, сколько солнечной энергии достигает нашей планеты и сколько ее излучается в пространство.

Пучок света сначала проходит через стакан воды без взвешенных частиц. Без рассеивании свет не виден стороннему наблюдателю.

В следующем сосуде находится вода со взвешенными частицами, которые рассеивают свет, делая пучок света видимым.

* * *

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

Я принимаю их как почетные назначения, отказ от которых подразумевает оскорбление другой стороне.

Майкл Фарадей о полученных наградах и должностях

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

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

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

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

«Я благодарен, как мне кажется, потому что после того, как мои способности ослабели и многие вещи в жизни стали неинтересны, мне остается надежда, которая превращает созерцание смерти в облегчение, смерть не страшит меня. Этот мир является даром Божьим, и так как Он дает его нам, чего же мы должны бояться? Его невиданный дар, его возлюбленный сын — это основа нашей надежды […]. Я счастлив и доволен».

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

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

ПРОСВЕТИТЕЛЬ

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

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

Могила Фарадея, оставившего указания о погребении на сандеманианском кладбище Хайгейт в Лондоне.

Портрет Фарадея с женой Сарой, 1855 год.

Литография Александра Блейкли, на которой Фарадей читает одну из своих Рождественских лекций для юношества в Королевском институте, 1856 год.

В начале лекции и с помощью серии хитроумных приемов, незаметных аудитории, нужно держать интерес, пока этого требует тема.

Майкл Фарадей о том, как оратор должен заинтересовать публику

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

«Стол лектора не должен быть загроможден аппаратами: лучше когда эксперименты проводятся по ходу лекции […]. Качество, которое выделяет хорошего лектора, хоть и не является самым важным, — красноречие […]. Лектор должен быть спокоен и уверен, он не должен выглядеть взволнованным, испуганным, невнимательным, чрезвычайно сконцентрированным на рассматривании и описании своей темы. Его жесты не должны быть поспешными и резкими, а медленными, простыми и естественными, состоящими в основном в перемене положения тела для того, чтобы избежать впечатления зажатости или монотонности, неизбежной в противном случае. Поведение лектора должно подчеркивать уважение к аудитории, лектор никогда не должен забывать о присутствии слушателей. Никакие происшествия не должны менять его внешнего вида или поведения, за исключением ситуаций, которые мешают слушателям. Никогда по возможности нельзя поворачиваться к аудитории спиной; если все-таки приходится это делать, необходимо приложить все усилия, чтобы публика думала, что главная цель лектора состоит в ее обучении и развлечении».

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

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

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

* * *

Цвет мальвы: синтетический цвет, придуманный Фарадеем

Лекции Майкла Фарадея стали источником вдохновения для многих ученых и обычных людей. Один из необыкновенных случаев — история английского химика Уильяма Генри Перкина (1838–1907). В 1856 году он случайно смешал анилин с дихроматом калия — данная смесь, на первый взгляд, ничего не стоила. Однако Перкин внимательно посмотрел на пурпурную искорку смеси, добавил спирт и растворил им смесь, и получилось вещество пурпурного цвета, которое прекрасно окрашивало ткань. Перкин в 18-летнем возрасте оставил учебу и запатентовал свой продукт. Использовав все сбережения семьи, он создал красильную фабрику и начал производство своего анилинового пурпурного.

Во Франции новый краситель стал массово использоваться и получил название «мальва». Этот период в истории многие исследователи называют десятилетием мальвы, настолько популярным стал цвет. Было открыто множество предприятий по производству синтетических красок, стимулировавших параллельно развитие органической химии. Получив известность и разбогатев, Перкин прочел лекцию о красителях в Лондонском химическом обществе. В аудитории присутствовал и 70-летний Майкл Фарадей.

НАСЛЕДИЕ ФАРАДЕЯ

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

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

О широте научных исследований Фарадея Уильямс сделал следующее резюме:

«Как Берцелиус, Фарадей был способным химиком-аналитиком; как Гей-Люссак и Дальтон, получил признание научного сообщества за работу с газами; как Эрстед и Ампер, стал создателем новой эпохи в изучении электромагнетизма; как Френель и Янг, внес фундаментальный вклад в теорию света; как Гемфри Дэви, был основателем электрохимии. Однако, в отличие от всех перечисленных личностей, он один одновременно работал во всех этих сферах».

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

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

* * *

Фарад, единица измерения электрической емкости

Фарад (Ф) является единицей измерения электрической емкости в международной системе единиц (СИ) — в честь открытий, совершенных Майклом Фарадеем в области электромагнетизма. Электрическая емкость — свойство тел накапливать электрический заряд при определенной разности потенциалов, а также количество потенциальной электрической энергии, накопленной для заданной разности потенциалов. Типичным устройством для такого накопления энергии считается конденсатор. Таким образом, один фарад — это емкость конденсатора, между пластинами которого имеется разность потенциалов в 1 вольт (В), заряженного количеством электричества (электрическим зарядом) в один кулон (Кл). Такая емкость конденсатора, выраженная в фарадах, огромна, поэтому, как правило, используются кратные единицы: микрофарад (мФ) и пикофарад (пФ). Например, пикофарад — это одна миллионная миллионной фарада. Сфера диаметром 18 мм, расположенная в свободном пространстве, имела бы емкость в один пикофарад, при этом для того, чтобы проводящая сфера имела емкость в один фарад, ее диаметр должен быть 18 миллионов километров.

Средняя емкость

Так, в выражении С = Q/V, где С — емкость, измеряемая в фарадах, Q — накопленный электрический заряд в кулонах, V — разность потенциалов в вольтах, емкость всегда зависит от геометрии конденсатора, а также от диэлектрика, который помещается между двумя поверхностями конденсатора: чем больше электрическая константа материала диэлектрика, тем выше емкость. Нельзя пугать с фарадом старую величину электрического заряда, эквивалентную константе Фарадея и определяемую как количество электрического заряда на один моль (6,02214∙1023) электронов (равно 96 500 Кл).

* * *

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

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

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

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Berkwson, W., Las teorias de Ios campos de fuerza. Desde Faraday hasta Einstein, Madrid, Alianza, 1985.

Bodanis, D., El universe electrico, Barcelona, Planeta, 2006.

Brooks, M., Radicales libres, Barcelona, Ariel, 2012.

Bryson, B., En casa, Barcelona, RBA_12012.

Cantor, G., Gooding, D., James, F., Faraday, Madrid, Alianza Editorial, 1991.

Carmona G. et al., Michael Faraday: Un genio de la ftsica experimental, Mexico D.F., Fondo de Cultura Economica, 1995.

Diaz-Hellin, J.A., Faraday, Elgran cambio de la ftsica, Madrid, Nivola, 2001.

Gamow, G., Biografta de la ftsica, Madrid, Alianza Editorial, 2007.

Gribbin, J., Historia de la ciencia, 1543–2001, Barcelona, Critica, 2003.

Guillen, M., Cinco ecuaciones que cambiaron el mundo, Barcelona, De Bolsillo, 2008.

Pérez Izquierdo, A., Nuestra vida en el campo electromagnético, Cordoba, Almuzara, 2009.

Sánchez Ron, J.M., Eljardin de Newton, Barcelona, Critica, 2001. —: Elpoderde la ciencia, Barcelona, Critica, 2007.

VVAA, Historia de la ftsica en el sigjio xix, Madrid, Real Academia de las Ciencias exactas, fisicas у naturales, 1987.

Wood, R., Magnetismo, Aravaca, McGraw Hill, 1991.

* * *

Примечания

1

Одна атмосфера соответствует давлению земной атмосферы на уровне моря 760 мм рт. ст.

2

Цитируется по изданию Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. B двух томах. Том I. Перевод Б. М. Болотовского, И. Л. Бурштейна, М. А. Миллера, Е. В. Суворова. Москва: Наука, 1989.

Content

ФАРАДЕЙ.
Электромагнитная индукция.
Наука высокого напряжения

Введение

ГЛАВА 1. В поисках Божественной искры

СВЕТ СВЕЧИ

ПЕРВЫЕ ГОДЫ МАЛЬЧИКА БЕЗ БУДУЩЕГО

ИСКРА ВДОХНОВЕНИЯ ПРОСТОГО САМОУЧКИ

ПЕРВЫЕ ИСКРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

ХРИСТИАНСКАЯ СЕКТА

ГЛАВА 2. Химическая искра

ПЕРВЫЕ ОТКРЫТИЯ

ПЕРВЫЙ СОБСТВЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ОТКРЫТИЕ БЕНЗОЛА

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ

ГЛАВА 3. Электрическая искра

ПРЕВРАТИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В ДВИЖЕНИЕ

МЕРТВАЯ ТОЧКА

ПРЕВРАТИТЬ МАГНЕТИЗМ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ПЕРВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК

ФАРАДЕЙ, НЬЮТОН И ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОТГОЛОСКИ: МАКСВЕЛЛ И ЭЙНШТЕЙН

ГЛАВА 4. Взаимодействие между материей, электричеством и светом

ЭЛЕКТРОЛИЗ

ПРИЗНАКИ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИИ

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

ДИЭЛЕКТРИКИ

ЭКСПЕРИМЕНТ С КЮВЕТОЙ CO ЛЬДОМ

ЖИЗНЕННЫЙ КРИЗИС

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

ДИАМАГНЕТИЗМ

СЛЕДСТВИЯ ДИАМАГНЕТИЗМА: РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Глава 5. Больше, чем искра гениальности

ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ

ПРОСВЕТИТЕЛЬ

НАСЛЕДИЕ ФАРАДЕЯ

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Примечания