Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

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».

Как удалось понять Фарадею, направление магнитного поля имеет огромное значение. Когда он помещал северный полюс магнита с одной стороны стекла, а южный — с другого, ничего не происходило. Ничего не происходило и в том случае, когда одинаковые полюса оказывались с обеих сторон стекла или когда одинаковые полюса оказывались с одной стороны от стекла. «Но. — записал он в своем дневнике (как Ада Лавлейс, он от возбуждения подчеркнул это слово три раза), — когда противоположные полюса магнита оказываются с одной стороны, они воздействуют на поляризованный луч, и, таким образом, доказано, что магнитная сила и свет взаимосвязаны».

Он подтвердил, что мощный постоянный магнит также способен вращать луч, а вместо стекла можно использовать и иные прозрачные материалы. Одни ведут себя лучше, чем другие, но в любом случае степень вращения зависела от величины магнитного поля. При изменении полярности поля на противоположную луч тоже меняет направление поворота. Итак, были поставлены все точки над «i»: электричество связано с магнетизмом, а магнетизм со светом.

Джеймсу Максвеллу осталось только через двадцать лет показать в своих знаменитых уравнениях, что свет имеет электромагнитную природу. Не останавливаясь на достигнутом, Фарадей пошел дальше и принялся за создание единой теории, объединяющей и гравитацию с магнетизмом, — стремление, которое с тех пор не оставляло ни его, ни Эйнштейна, ни многих других ученых. «ВСЁ ЭТО — МОЯ МЕЧТА, — записал он в своем дневнике. — Нет таких чудес, которые не смогут стать истиной, если только они не противоречат законам природы, а лучшим доказательством непротиворечия является эксперимент».

Все это время Ада не выходила у него из головы. «Видишь, что ты со мной творишь, — писал ей Фарадей в 1951 году, т. е. через шесть лет после того, как умолял ее забыть о нем. — Ты говоришь — пиши, и я пишу, и как жаль, что у меня нет ни сил, ни возможности отдохнуть, чтобы позволить себе и многое другое». В следующем году Ада умерла от рака шейки матки. Было ей тогда всего тридцать шесть. Фарадей пережил ее на пятнадцать лет.

Глава 7

ДЖЕЙМС ДЖОУЛЬ

Что такое работа

Вы немало удивитесь, узнав, что до недавнего времени бытовало мнение, будто жизненную силу можно разрушить целиком и навсегда. Так, например, считалось, что если груз падает на землю, то его жизненная сила полностью исчезает, а труд, потраченный на поднятие груза на высоту, с которой он упал, оказывается абсолютно бесполезным.

Мы не знаем, о чем думалось Уильяму Томсону в тот облачный августовский день 1847 года, когда он пешком отправился из Шамуа в Сен-Жерве, но не исключено, что его мысли были заняты физикой. Томсон был вундеркиндом и первую свою научную работу опубликовал, когда ему было всего шестнадцать. Сразу после окончания Кембриджа в возрасте двадцати двух лет он получил должность профессора естественной философии в университете Глазго, и теперь, по истечении года, путешествовал по Французским Альпам в надежде покорить Монблан. Томсон начинал верить, что все силы природы должны быть взаимосвязаны (он был «оплодотворен огнем Фарадея»), и вполне мог обдумывать эту идею, преодолевая перевал Коль-дю-Боном, где среди восходителей и увидел знакомое лицо Джеймса Джоуля.

Джоуль отмечал медовый месяц (его жена, несколько поотстав, совершала восхождение на телеге). Как потом вспоминал Томсон, у Джоуля был огромный термометр, которым он измерял температуру воды водопадов. Если Джоуль был прав, то вода внизу водопада должна быть чуть теплее, чем вверху, и это означало, что доминирующая в физическом сообществе того времени теория теплоты, которую Томсон считал наиболее загадочной из всех сил природы, была неверной. Он договорился встретиться с Джоулем через несколько дней у Кас-кад-де-Саланш (вероятно, их интересовал водопад Арпеназ высотой 370 метров), у которого разница в температуре воды вверху и внизу должна была составлять, как полагал Джоуль, полтора градуса по Фаренгейту. Однако провести точные измерения, вспоминал Томсон, помешали обильные брызги. Не получив никаких данных, мужчины пошли каждый своей дорогой.

Может быть, эта история и кажется слишком надуманной, но факт остается фактом — Джоуль и Томсон, будущий лорд Кельвин, действительно встречались в горах. В письме к отцу, написанном через несколько дней в приюте Гран-Сен-Бернар, Томсон подробно рассказал об этом событии, не упомянув лишь о наличии термометра. Но память — вещь ненадежная, поэтому Томсон, к тому времени ставший одним из выдающихся ученых Европы, мог немного напутать и поведать о том, что происходило ранее.

Их пути впервые пересеклись на научной конференции в Оксфорде, за два месяца до знаменитой встречи в горах. Привыкший к тому, что от его идей постоянно отмахиваются, Джоуль, талантливый самоучка из промышленного города Манчестера, обрадовался, когда молодой человек по имени Томсон встал и сделал несколько замечаний по существу его доклада. Робкий и стеснительный, Джоуль был далеко не самым лучшим лектором, поэтому, когда он понял, что его хоть кто-то слушал, радости его не было предела. Б своих воспоминаниях Томсон настаивал на том, что во время заседания он с места не вставал, а все вопросы задал уже после. Возможно, на этот раз память подвела Джоуля, но следует заметить, что эксперимент, о котором он рассказывал, просто не мог не произвести впечатления на внимательных слушателей.

Лавуазье удалось ослабить хватку мифического флогистона, но незадолго до своей смерти он успел ввести новое понятие: теплород. Так он назвал невидимую субстанцию, своего рода «неуловимый флюид», который, по его мнению, был носителем тепла. Все горячее считалось наполненным теплородом, и поскольку теплород имел тенденцию к расширению, то он совершенно естественным образом перемещался туда, где его не было. Вставьте кочергу в огонь, и теплород будет медленно подниматься по ручке кочерги, и в какой-то момент вы почувствуете, как она нагревается. Тела расширяются при нагревании, поскольку их начинает заполнять теплород. Тела нагреваются при сжатии, потому что теплород, находящийся внутри их, концентрируется, а при разрежении тела остывают, потому что теплород из них выходит.

В паровой машине теплород можно заставить работать, как воду — в водяной мельнице. Высвобождаясь из кусков горящего угля, теплород перетекает в котел, нагревает воду и выходит вместе с паром, приводящим в движение поршень. При завершении цикла именно это количество теплорода выбрасывается в воздух вместе с отходящими газами. Как вещество, теплород нельзя ни создать, ни разрушить. Количество теплорода во Вселенной конечно, и он постоянно перемещается из одного места в другое.

Вот поэтому Томсон так заинтересовался докладом Джоуля — ведь тот брался доказать, что тепло можно создавать совершенно произвольно! На приеме в тот же день в библиотеке Радклиффа — элегантной куполообразной пристройке к оксфордской Бодлейской библиотеке — они обсудили значение сделанного сообщения. «Я уверен, что Джоуль во многом не прав, — несколько дней спустя писал Томсон своему отцу, — но, кажется, ему удалось обнаружить некоторые факты чрезвычайной важности». А чуть позже в письме к своему новообретенному другу Джоуль утверждал: с помощью каната, ведра и хорошего термометра можно доказать, что нагрев осуществляет даже падающая вода.