Приключение великих уравнений - Владимир Карцев

После голосования в урне оказался лишь один "черный шар". Многие исследователи полагают, что его бросил Дэви. Трудно через полтора столетия судить об этом с полной определенностью.

Избрание Фарадея состоялось в 1824 году, через одиннадцать лет после назначения его лаборантом.

Звезда Дэви в те годы начала меркнуть. Уже несколько лет он не публиковал научных статей, в 1826 году он в последний раз провел эксперимент в лаборатории Королевского института. Можно предположить, что он ушел на покой, устав от жизни в науке. Видимо, его созидательный гений уже иссяк, он тяжело осознавал это и удалился... Ему было всего лишь сорок восемь лет.

Пятидесяти лет он, тяжело переживая свой творческий кризис, поехал развеяться за границу, где вскоре скончался.

Он сделал много великих открытий, но, по его собственному признанию, самым великим его открытием было то, что он открыл Фарадея.

А ведь о самых великих открытиях Фарадея Дэви знать не мог - они еще впереди.

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, Фарадей безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уж с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество.

Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровозе). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А.

Если с помощью электричества получают магнетизм, то, по-видимому, возможно "получить электричество из обычного магнетизма". Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, но они вскоре решили, что задача безнадежна.

Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием "Дневник Фарадея"). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф "Дневника" помечен под номером 16041. Блестящее мастерство Фара-дея-экспериментатора и его одержимость дали результат - через одиннадцать лет после Эрстеда, 17 октября 1831 года, он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.

Интересно, что до Фарадея абсолютно такие же опыты проводил Ампер. Чтобы избежать ошибок, связанных с сотрясением приборов, и Фарадей, и Ампер поместили измерительный прибор в другую комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался и, Ампер, придя в соседнюю комнату, убеждался в том, что "никакого эффекта нет", Фарадей же работал с ассистентом.

Об ассистенте следует, быть может, рассказать поподробнее. Артиллерийский сержант Андерсен был помощником Фарадея в течение сорока лет: "Он помогал мне при всех опытах, и я ему много обязан и благодарен за его заботливость, невозмутимость, пунктуальность и добросовестность". Гельмгольц отмечал впоследствии, что Андерсен отличался интересной чертой - он серьезно считал, что сам выдумывает и исполняет фарадеевские опыты, оставляя на долю того "пустые разговоры".

Когда Фарадей вдвигал в катушку сердечник, Андерсен заметил отклонение стрелки прибора...

Можно снова и снова повторять за Гельмгольцем: "И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!".

Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных на сегодняшний день. Еще интереснее, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить девять лет назад. Стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы!

Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика...

"И от этой мелочи..." и так далее, по Гельмгольцу.

Итак, Фарадей с интервалом в девять лет сделал два величайших открытия, которые, можно сказать с уверенностью, произвели революцию в жизни человечества, - он изобрел электродвигатель и электрогенератор.

Интересно теперь более подробно проследить, как пришел Фарадей к своему открытию. Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках "электричества из магнетизма" ничто не поддерживало. К тому же он, как и его учитель Дави, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:

"Хороший эксперимент имеет большие ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон".

Все лабораторные записи Фарадея, сделанные на протяжении многих десятилетий и собранные в восьмитомном "Дневнике", не содержат ни одной математической формулы, ни одного логического построения, не подтвержденного опытом.

"...Люди вроде Дэви и даже Фарадей блуждают в потемках (глава об электрической искре и т. д.) и ставят опыты, совершенно напоминающие рассказы Аристотеля и Плиния о физико-химических явлениях. Именно в этой новой науке эмпирики целиком повторяют слепое нащупывание древних. А где гениальный Фарадей нападает на правильный след, там филистер Томсон против этого протестует"12.

К тому же Фарадей не знал математики, и изящные построения блестящих математиков Ампера, Био, Савара и Лапласа были ему попросту непонятны.

И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Дело в том, что Фарадей порой стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в такие минуты его осеняло великое прозрение - он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.

Сейчас даже из соображений симметрии ясно, что если электрический ток (то есть движущийся электрический заряд) создает магнитное поле, то электрическое поле должно создаваться при движении магнита или магнитного поля. Для того чтобы прийти к этому выводу, Фарадею потребовалось одиннадцать лет.

За многие годы Фарадей перебрал множество комбинаций проводников, спиралей, сердечников и магнитов. Говорят, он в течение всего этого времени таскал в кармане магнит и кусок проволоки, чтобы в любое время исследовать, что произойдет при новом их взаимном расположении.

Нельзя сказать, чтобы искал он совсем уж вслепую. Фарадей опирался на аналогию с электростатической индукцией. (Если к телу поднести заряд, то поверхность тела, близкая к заряду, тоже зарядится, но только электричеством другого знака). А Фарадей искал индукцию электрического тока (движущихся зарядов), полагая, что она может быть вызвана магнетизмом.

Первый проблеск удачи появился лишь через одиннадцать лет после начала опытов.

29 августа 1831 года он собрал в лаборатории следующую несложную установку: на железное кольцо диаметром около шести дюймов он намотал изолированной проволокой две обмотки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, артиллерийский сержант увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.

Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали простой установки - все было в порядке.

Но стрелка гальванометра упрямо стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо - во время размыкания цепи стрелка гальванометра, показывающего электрическое напряжение в другой обмотке, опять качнулась и опять застыла на нуле! Вот как описывал сам Фарадей события великого дня:

Оригинальные приборы Фарадея - кольцо и катушка с вдвигаемым в нее магнитом. Трудно поверить, что с помощью именно этих "кусков проволоки и небольшого количества железа" Фарадей сделал поистине гениальное открытие!

"Я изготовил железное кольцо из мягкого круглого железа толщиной в 7/8 дюйма. Внешний диаметр кольца был 6 дюймов. Я намотал на одну половину кольца много витков медной проволоки, изолированных шнуром и коленкором. Всего на этой половине было намотано три куска проволоки, каждый длиной около 24 футов. Концы проволоки можно было соединить в одну обмотку или применять раздельно.

Испытание показало, что каждый из кусков проволоки вполне изолирован от двух других. Эту сторону кольца я обозначу буквой А. На другую половину кольца, отступив на некоторый промежуток от стороны А, я намотал еще два куска той же проволоки общей длиной около 60 футов. Направление витков было то же, что и на половине А. Эту сторону кольца я обозначу буквой В.