Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

К тому времени английский естествоиспытатель Уильям Стерджен уже наматывал неизолированную проволоку на покрытый лаком железный сердечник, создавая таким образом электромагнит, достаточно мощный для того, чтобы удерживать груз весом больше его собственного. Используя проволоку с изоляцией, американец Джозеф Генри создал электромагнит, удерживавший груз весом более тонны. Однажды летом Фарадей решил проверить, что произойдет, если рядом поместить две рамки. Он попросил мастерскую при Королевском институте изготовить кольцевую железную рамку толщиной 2 сантиметра и радиусом 15 сантиметров. С одной стороны он намотал 22 метра медной проволоки, изолированной бечевой и ситцем. Это он назвал обмоткой А. С другой стороны кольца он намотал примерно 18 метров проволоки и назвал это обмоткой В.

Обмотки эти не имели контактов, однако, когда он прикасался проводами первой обмотки к полюсам батареи, гальванометр, подсоединенный ко второй обмотке, начинал дергаться, колебаться и только через какое-то время успокаивался в первоначальном положении. Думая, вероятно, о возникновении волн в его акустических экспериментах, он поначалу представлял все так, что «волна электричества», возникшая в первой обмотке, пройдя по кольцу, могла породить ток во второй обмотке. В результате он обнаружил электромагнитную индукцию и распахнул окно в совершенно иной мир.

Катушка индуктивности Рисунок из дневника Фарадея

Перемещение бруска магнита вперед и назад внутри полой рамки тоже приводило к образованию электрического тока в проволоке. Эрстед преобразовывал электричество в магнетизм, а теперь Фарадей преобразовал магнетизм в электричество, создав некое подобие динамо-машины, т. е. механическую противоположность мотора, который он изобрел за десять лет до этого. «Выходит, за всем тем, что существует в мире, непременно скрывается нечто глубинное, потаенное», — как впоследствии выразится Эйнштейн. И задача ученого — извлечь это на поверхность.

Чем больше Фарадей размышлял, тем больше ему открывалось. Он заметил, что со временем медные электроды в его электрических батареях постепенно покрываются окисью цинка, а цинковые электроды — медью. Перетекание электричества между двумя полюсами батареи, вероятно, сопровождалось движением атомов. Это делало возможным не только новый многообещающий промышленный процесс — покрытие металлов медью или серебром, но и другие, гораздо более сложные технологии. Батарея оказывалась тем тиглем, в котором одна энергия, химическая, превращалась в другую, электрическую. Этот процесс действовал и в обратном направлении. Когда две положительно и отрицательно заряженные проволочки погружались в подсоленный раствор, то на одной из них накапливался водород, а на другой — кислород. Электричество порождало химические реакции, а химические реакции порождали электричество.

По всей Европе ученые сталкивались с этими загадками. Может быть, вода состоит из водорода и кислорода? Или, как предполагал один немецкий ученый, вода является первоосновой, и кислород возникает при взаимодействии с положительным электричеством, а водород — с отрицательным? Этот ученый даже пытался возродить теорию флогистона. Но именно Фарадею удалось покончить с сим заблуждением. В 30-е годы XIX столетия он раз за разом опытным путем показывал взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и химией. И вдруг за несколько лет до того, как в его жизнь настойчиво постучалась Ада Лавлейс, он охладел к своим занятиям.

Фардей долгое время жаловался на проблемы с памятью, а потом погрузился в мрачную депрессию, не мог концентрировать свое внимание, жаловался на частое головокружение. Не исключено, что причина была в его умственном переутомлении или медленном отравлении всеми химикатами, которые периодически попадали на его кожу. По совету врача он стал отказываться от выступлений и научных исследований. Почти все время он писал или проводил в размышлениях. Еще более он удалился от людей после разрыва с Церковью — вероятно, из-за каких-то споров сектантского характера. Именно в этот момент в его жизни появилась изысканная лесть из уст Ады Лавлейс, которая подействовала на него столь сильно, что он понял: для него есть только один выход — оборвать все отношения с ней. «Не повергайте меня в отчаяние своими приглашениями, — умолял он ее. — Я не смею и не могу явиться и, в то же время, у меня нет сил отказать вам».

Может, будет слишком большой натяжкой утверждать, что общение с «суженой науки» стало поворотной точкой в его судьбе, но тем не менее именно в это время к Фарадею вновь возвращаются силы. Он приходит в лабораторию, чтобы найти ответ на вопрос, который мучил его многие годы. Уже было совершенно ясно, что магнетизм и электричество тесно взаимосвязаны. Но нет ли такой же связи между электричеством и светом?

Будучи научным консультантом «Тринити-хаус», организации, учрежденной в 1514 году указом Генриха VIII, «дабы упорядочить проводку судов по водным потокам королевства», Фарадей был занят усовершенствованием масляной лампы Арганда, которая использовалась на маяках по всему побережью Англии и Уэльса. В конце августа 1845 года он зажег один из маяков в своей лаборатории и приготовился к эксперименту, ставшему самым красивым в его научной карьере.

Свет, распространяясь, колеблется в двух перпендикулярных направлениях под прямыми углами к вектору движения. Но, отразившись от плоской поверхности или пройдя через обладающий определенными свойствами кристалл, например турмалин, свет становится поляризованным, то есть все его колебания происходят в одном направлении.

Если посмотреть на такой луч через второй поляризующий кристалл, вращая его вокруг оси на 360°, то изображение луча будет периодически темнеть и светлеть в зависимости от того, как синхронизируются фильтры.

Вопрос, на который теперь хотел найти ответ Фарадей, сводился к тому, может ли электрический ток повернуть световой пучок, заставив вращаться его плоскость колебаний. Заполнив длинную ванну слабопроводящим раствором, он поместил платиновые электроды в противоположных концах емкости и подсоединил их к электрической батарее, состоящей из пяти гальванических элементов. Установка была схожа с той, в которой воду разлагают на составляющие ее газы или покрывают медью ложку. Затем он включил лампу Арганда и поставил на пути светового пучка плоскую стеклянную поверхность, чтобы получить отраженный поляризованный пучок. После этого он пропустил его через раствор в ванне, а затем проверил поляризацию, пользуясь приспособлением, известным как призма Николя.

Поляризация света при отражении и прохождении через поляризующий кристалл

Однако ничего не произошло. Направление колебаний не изменилось. Фарадей стал повторять эксперимент при постоянных токах, при перемежающихся токах, при токах, проходящих через различные растворы, но сколь-нибудь заметного эффекта отмечено не было. Он стал направлять световой поток не перпендикулярно, а параллельно электрическому току, однако смещения поляризации не происходило и в этом случае. Подумав, что его батареи недостаточно мощные, Фарадей продолжил эксперименты с генератором статического электричества, заряжая стеклянную пластину и пропуская пучок света сквозь нее в разных направлениях. Но и это ни к чему не привело.

Опыт с поляризацией. Квадратная стеклянная пластинка (слева) помещается между противоположными полюсами (северным и южным) электромагнита. Пучок поляризованного света, проходящего через стекло, вращается электромагнитным полем Рисунок из дневника Фарадея

И только тогда он решил обратиться к магнетизму. Найдя у себя в лаборатории тяжелый кусок оптического стекла площадью примерно двенадцать квадратных сантиметров и толщиной чуть более сантиметра, он поместил его рядом с полюсами мощного электромагнита. Лампу и поляризующую поверхность он расположил так, что горизонтальные световые волны проходили вдоль стекла. Глядя через призму Николя, он вращал ее до тех пор, пока луч не исчезал. Затем он включал ток. Изображение пламени неожиданно появлялось вновь. Он выключал магнит, и пламя снова исчезало. Магнитное поле заставляло пучок света повернуться!

Вся предыдущая работа Фарадея по исследованию электричества и магнетизма приближалась к кульминации. Радость от полученных результатов заставила его продолжить эксперименты с удвоенной силой. «Сейчас у меня нет и минуты ни на что иное, кроме работы, — писал он одному из коллег. — Мне удалось обнаружить прямую связь между магнетизмом и светом, а значит, между электричеством и светом, и это открывает столь широкое и многообещающее поле деятельности, что мне хочется первому на него взглянуть…. У меня действительно нет времени об этом рассказывать, я ни с кем не встречаюсь и всецело занят только работой».