Текст книги "Мир электричества"

Гильберт был уверен, что Земля состоит из магнитного камня. И ей присущи шесть свойств, сформулированных им. Для последующих веков этого объяснения стало мало. Можно составить длинный список гипотез, предложенных позже для пояснения сути наблюдаемого явления. Ученые разбирали причины земного магнетизма, не зная, по сути дела, ответа на главный вопрос: почему магнит притягивает?

Высказанные предположения можно разделить на две группы: первая – геомагнетизм имеет космическое происхождение; вторая – геомагнетизм – явление чисто земного характера. Потом, правда, появилась и третья группа гипотез, согласно которым магнетизм вообще есть универсальное свойство материи, находящейся в движении.

Когда ученые подсчитали, каким должно быть магнитное поле Земли, если оно создается полем Солнца и даже всей Галактики, то получили ничтожную величину. Поле Земли сильнее. Гипотезу космического происхождения геомагнетизма пришлось оставить.

После космоса естественно было искать причину во внутреннем строении самой Земли. Возникло несколько интересных гипотез, которые основывались на предположении о жидком состоянии земного ядра, состоящего из хорошо проводящего материала, скорее всего, из железа. В массе такого ядра неизбежны течения, разделение и движение зарядов, а следовательно, должны были возникать электрические токи, которые могли намагничивать Землю.

Одним из авторов подобной гипотезы был известный советский физик Я. И. Френкель, много сделавший в области теории магнитных явлений. Но для признания гипотез второй группы не хватало единого мнения о состоянии земного ядра. Действительно ли оно жидкое? Кое-кто из геофизиков считал его твердым.

В конце XIX века, изучая форму короны Солнца, астрофизики начали подозревать наличие магнитного поля и у нашего светила. Откуда же оно могло взяться у раскаленного газового шара?

Профессор Кембриджского университета и член Лондонского королевского общества Артур Шустер высказал вскользь идею: а не является ли магнетизм универсальным свойством всякого вращающегося тела?

Петр Николаевич Лебедев (1866–1912)

За разработку этой любопытной гипотезы взялся русский физик-экспериментатор Петр Николаевич Лебедев, работавший в Московском университете. Он придумал весьма остроумный эксперимент: заставить быстро вращаться металлическое кольцо и проверить, не станет ли оно при этом магнитом.

Кольцо в опыте Лебедева крутилось со скоростью 35 000 об/мин. Рядом стоял магнитометр, превосходящий по чувствительности все существующие приборы. Петр Николаевич предполагал, что под влиянием центробежной силы отрицательные заряды – электроны в атомах несколько сместятся. В результате поверхность тела получит некоторый отрицательный заряд, что и должно вызвать появление магнитного поля… Увы, магнитометр поля не обнаружил. Тем не менее в статье, описывающей эксперимент, русский ученый высказал весьма оптимистические надежды.

В 1947 году забытая гипотеза возродилась. Профессор Манчестерского университета Патрик Блэкетт, член Лондонского королевского общества, высказал предположение, что появление магнитного поля вокруг вращающегося тела – закон природы.

Более того, опираясь на известные данные о скорости вращения Земли, Солнца и белого карлика – звезды Е-78 из созвездия Девы – Блэкетт дал формулу, позволяющую рассчитать зависимость магнитного поля от вращения тела. В нее вошли такие константы, как скорость света и гравитационная постоянная, что наводило ученых на мысль: а не путь ли это к единой теории поля, над которой безрезультатно бились много лет теоретики во главе с Эйнштейном?

Блэкетт сам решил экспериментально проверить правильность своих предположений. «В чистом поле», то есть подальше от возможных источников посторонних магнитных полей, которые в изобилии создают промышленные предприятия, возвели «экспериментальное здание» – сарай, построенный без железных деталей. Чувствительность установленного магнитометра позволяла заметить ничтожную величину изменения магнитного поля – десятимиллиардную долю гаусса. Ночью с большими предосторожностями привезли цилиндр из чистого золота массой 20 кг. Золото – заведомо немагнитный металл. Цилиндр неподвижно установили в том же сарае. Блэкетт считал, что достаточно вращения Земли, чтобы вокруг цилиндра появилось магнитное поле. Если формула, составленная им, справедлива, то магнитометр отметит его появление. Если же не отметит, то его предположения неверны.

Смысл статьи, опубликованной ученым после эксперимента, сводился к короткому отрицанию – нет! Задуманный эксперимент опроверг гипотезу.

Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт (1897–1974)

Сначала Блэкетт собирался произвести еще один опыт с вращающимся цилиндром. Но, по его же словам, после первой неудачи охладел к самой идее. На Земле наступал космический век. Он поставил многие «старые» вопросы по-новому. При небольшом удельном весе и небольшой общей массе у Луны жидкого металлического ядра быть не может. Значит, если верна гипотеза Френкеля и других ученых, у нее не должно быть и магнитного поля… Так и оказалось. Автоматы это подтвердили. Но почему тогда межпланетные автоматические станции не сумели найти магнитного поля у Венеры? Ведь эта планета по массе и плотности сходна с Землей. По идее, у нее должно быть и жидкое ядро. Правда, Венера, в отличие от нашей планеты, летит по своей орбите вокруг Солнца, еле поворачиваясь вокруг своей оси.

Обнаружились новые факты и на Земле. В 50-х годах ХХ века ученые установили, что многие горные породы намагничивались во время их образования. При этом направление их намагниченности, естественно, совпадало с направлением геомагнитного поля. Раз возникнув, намагниченность во многих случаях с тех пор не менялась. Не значит ли это, что, определив ее для горных пород различного возраста, мы узнаем и всю историю магнитного поля нашей планеты?

Вроде бы никаких видимых противоречий в высказанном предположении нет. Правда, задача это не простая. Однако ученые – народ трудолюбивый. Они отработали методику восстановления магнитного поля Земли для прошедших геологических эпох. Собрали образцы из разных мест земного шара. Исследовали их. Обработали и обобщили результаты и.

В 1963–1968 годах магнитологи А. Кокс, Р. Доэлл и Г. Далримпл опубликовали результаты серии своих работ. В них они сопоставили намагниченность взятых из различных районов земного шара двухсот сорока образцов, возраст которых был определен. Результаты исследований оказались поразительными. Получалось, что за истекшие последние 4,5 миллиона лет (срок весьма скромный для жизни нашей Земли) планета четырежды (!) меняла полярность своего магнитного поля на противоположную. Недопустимое легкомыслие для солидного космического тела. Может быть, в исследования ученых вкралась ошибка? Ведь изменения геомагнитного поля не могут пройти бесследно для жизни всей планеты. Слишком многое с ним связано.

Потрясающее открытие было подтверждено и работами специально оборудованного судна «Гломар Челленджер», пробурившего в океанском дне множество скважин и добывшего из них колонки керна. В них тоже были обнаружены слои с нормальной и обратной намагниченностью. При этом обращение полярности происходило не скачками, в результате какого-то катаклизма, а постепенно. В течение нескольких тысячелетий геомагнитное поле убывало, а потом снова нарастало, но уже с противоположным знаком. Такие периоды бывали в истории Земли и в более древние времена. А как сейчас?

Приближенно мы и сегодня можем рассматривать магнитное поле Земли, как во времена Гильберта, в виде поля «магнитной палочки», небольшого линейного магнита, спрятанного в центре нашей планеты. Магнит этот наклонен примерно на одиннадцать градусов относительно оси вращения. Само же поле как бы состоит из двух частей: большей (от «магнитной палочки») и меньшей (зависящей, возможно, от намагниченности горных пород). Результаты измерений за сто пятьдесят лет показывают, что большая часть геомагнитного поля – дипольная – убывает. И довольно быстро – примерно на 5 % за столетие. Экстраполируя результаты, можно прийти к выводу, что через две тысячи лет магнитное поле Земли снова «опрокинется». Так что мы живем в эпоху обращения полярности.

А ведь напомним, что именно геомагнитное поле отклоняет в полярные области потоки заряженных частиц, которые выбрасывает из своих недр Солнце. Оно же образует радиационные пояса вокруг планеты. Магнитное поле участвует в работе космической и наземной радиосвязи, радионавигации. Наконец, между состоянием магнитного поля Земли и климатом, как утверждают некоторые ученые, есть весьма существенная зависимость. Что же произойдет, когда оно уменьшится до минимума, а затем станет даже обратного знака? Человечеству далеко не безразличны состояние и эволюция всей магнитосферы Земли. Весьма насущные проблемы требуют от геофизиков детального знания как количественных характеристик магнитного поля Земли, так и тенденций его изменения.

Все это хорошо! А почему все-таки Земля – магнит? Ведь именно так мы поставили вопрос в заголовке. Вопрос нелегкий. Одним из наиболее правдоподобных ответов на него может быть, пожалуй, гипотеза о динамомеханизме в жидком земном ядре.

По современным представлениям, Земля – довольно сложная система. Это вращающийся толстостенный шар, стенки которого состоят из вещества мантии, а внутренняя полость заполнена хорошо проводящей электрический ток жидкостью, в самом центре которой плавает твердое ядро.

При вращении планеты внешний слой ее жидкого пласта может несколько отставать от вращения коры и мантии, порождая внутри проводящей жидкости течения…

А теперь закройте на минутку глаза и представьте: в слабом магнитном поле, созданном геомагнитными материалами, вращается замкнутый контур из хорошего проводника. Да ведь это не что иное, как генератор – динамо. Отставая от общего вращения, проводящий слой пересекает силовые магнитные линии слабого изначального магнитного поля, и в нем возбуждается электрический ток. Но этот электрический ток обладает собственным магнитным полем, которое складывается с начальным и усиливает его. Большее магнитное поле порождает и более сильный электрический ток. Получается как бы электрогенератор с самовозбуждением.

Самое интересное, что эта гипотеза позволяет объяснить и периодическую смену полярности геомагнитного поля. Для этого электромагнитные процессы в земном ядре нужно смоделировать и представить в виде работы двух взаимодействующих дисковых динамо, в которых ток одного подпитывает магнитное поле другого и наоборот. Основания для такой аналогии есть: уравнения, описывающие механизм движения в жидком слое земного ядра, схожи с уравнениями для цепочек взаимодействующих динамо.

Магнитное поле такой системы периодически меняет свою полярность. Так что с математической точки зрения способность геомагнитного поля к «самоопрокидыванию» перестает быть загадочной. Вот только узнать бы точно, как устроено ядро Земли.

Не упрекайте автора в том, что он слишком отклонился от путешествия в прошлое и перешел к понятиям современности. Мы живем не в XVII веке и вооружены знаниями своего времени. А задача истории заключается не в простом восстановлении картины прошедших эпох, а в понимании пути прогресса, того, как дошли люди от удивления перед чудесами до того, чтобы поставить эти чудеса себе на службу и в конце концов создать себе тот электромагнитный мир, в котором мы живем сегодня.

Следующая остановка в нашем путешествии сквозь время и пространство приходится примерно на середину XVII столетия. Город Магдебург. Не успев приехать, мы сразу понимаем, что время для посещения выбрано не лучшее. На территории Германии, раздробленной на бесчисленные княжества, догорает Тридцатилетняя война – первый, но, к сожалению, не последний общеевропейский конфликт. Разделившись на два лагеря, государства пытаются доказать свои права диктовать волю «всему христианскому миру». В едином блоке с испано-австрийскими Габсбургами, поддерживая императора (сначала Матвея, а потом подряд двух Фердинандов), выступало папство, польско-литовское государство и католические князья Германии.

В антигабсбургскую коалицию в разное время, кроме немецких протестантских князей, заинтересованных в сохранении своих земель и независимости, вступили Чехия и Дания, Голландия, Швеция, Россия, Англия и, наконец, Франция. Но основные бои разворачивались в центре Европы, где владетельные немецкие князья не могли договориться между собой. В результате в последний период войны, охватывающий 1635–1648 годы, и союзники и противники одинаково вытаптывали нивы, разоряли города. Мародеры шведско-французских войск ничем не отличались от мародеров имперско-испанских. Население разграбленных княжеств вело непрерывную и ожесточенную партизанскую войну с теми и другими.

Но военный перевес явно склонялся в сторону Франции и Швеции. Возникла даже перспектива раздела Германии между этими странами, когда в 1648 году был заключен Вестфальский мир.

Магдебург особенно пострадал в войне. После долгой осады ландскнехты Габсбургов захватили штурмом и разграбили город. Они перебили множество горожан, а потом все сожгли дотла. Но подошли войска шведского короля, и наемники отступили. Вместе со шведами возвратились на родное пепелище успевшие уехать именитые горожане, среди которых был и молодой сын местного пивовара Отто Герике.

Он много лет изучал правоведение, математику и механику в Голландии и в германских университетах, а потом служил инженером в шведских войсках. Но пришло время продолжить семейную традицию. Глазам вернувшихся открылась страшная картина полного разрушения. Но люди редко предаются отчаянию подолгу. Оставшимся в живых предстояло немало работы: нужно было прокладывать улицы среди руин, возводить новые мосты. Тут-то и пригодился инженер Отто Герике. И он с жаром принялся за работу…

Профессия инженера довольно древняя. Сначала так называли тех, кто управлял военными машинами, потом добавили к ним саперов, подрывников. В XVI веке в Голландии появились первые гражданские инженеры – специалисты по строительству дорог и мостов.

Постепенно, как сказочная птица Феникс, новый Магдебург восстал из пепла на берегу Эльбы. Но положение города оставалось непрочным. Войска то одной, то другой воюющей стороны располагались в нем на постой. А после заключения мира саксонский курфюрст вообще прислал в него постоянный гарнизон. Нелегко было горожанам содержать прожорливых солдат. И тогда у «отцов города» возникла мысль: а не послать ли молодого пивовара-инженера ко двору? Пусть попробует уговорить курфюрста отозвать гарнизон и разрешить заменить его городской милицией. Не зря же Герике, кроме механики, учился еще и правоведению.

Отто Герике (1602–1686)

Сложная миссия увенчалась успехом. Солдат вывели, жители из своих рядов избрали городскую милицию, а удачливого дипломата сделали своим бургомистром.

Единственное, что смущало горожан в Герике, так это то, что одновременно с пивоварением и многочисленными обязанностями по городу молодой бургомистр увлекался физическими экспериментами. Он вытягивал воздух насосом из бочки и стеклянной бутыли, и последняя лопалась со страшным звоном. Он велел отковать два медных полушария, снабдил их краном, сложил и тоже откачал воздух. Полушария так слиплись, что и шесть впряженных лошадей не могли оторвать половинки друг от друга. Но стоило открыть кран и впустить туда воздух, как они сами собой свободно распались.

Чудеса! Конечно, лучше бы он только варил пиво. Это для бургомистра куда как солиднее. Но поскольку научные занятия инженера не мешали городским делам и доходам, горожане смотрели на его чудачества снисходительно. А когда, показав кое-что из своих «кунштюков» при дворе курфюрста, Герике добился новых льгот для Магдебурга, люди даже стали им гордиться. Молва разнесла не только быль, но и небылицы об ученом бургомистре по всей Германии. Знатные особы специально приезжали в Магдебург, чтобы поглядеть на знаменитый барометр, установленный Герике возле своего дома. Знакомясь с физическими приборами, изобретенными пивоваром, гости не обходили вниманием и пиво, сваренное в доме бургомистра. И убеждались, что в этом деле чудак-инженер тоже остался мастером.

Воздушный насос фон Герике

Должность бургомистра и частые поездки ко двору отвлекали Герике от экспериментов. Но как истинный немец, он тщательно записывал результаты опытов, надеясь, что когда-нибудь аккуратность сослужит ему добрую службу.

Был ли Отто Герике ученым? Вряд ли. Скорее – изобретателем. Это не менее достойная категория людей, обладающих любознательностью в сочетании с желанием усовершенствовать уже имеющееся и смастерить то, чего пока нет.

Опыт фон Герике с магдебургскими полушариями

Некоторые биографы высказывали предположение, что для Герике внешний эффект был важнее проникновения в суть наблюдаемого явления. И потому тихие, неэффектные опыты с магнитами и электрической силой, добываемой трением, его не увлекали. Вряд ли это справедливо. Познакомившись с трактатом Гильберта, он задумал повторить описанные опыты, но при этом поставить их с размахом. Сделать так, чтобы слабые проявления электрической силы были заметны. Для этого прежде всего нужно научиться добывать большее количество электричества, чем это делал Гильберт, натирая зерна янтаря и серные шарики, насаженные на палочки.

И Герике задумал хитрую штуку! Со своей идеей он поспешил к мастеру-стеклодуву. Пусть мастер выдует большой стеклянный пузырь величиной не меньше чем с детскую голову. В этот пузырь он нальет расплавленную серу. И когда та охладится и застынет, разобьет стекло. Тогда у него в руках останется большой шар из серы, на котором от трения соберется конечно же больше электричества, чем добывал его врач английской королевы.

Для середины XVII века это была довольно сложная технологическая задача – изготовление большого шара из серы. Сложная и дорогая. Но немецкие мастера славились своим умением. Прошло немного времени, и шар отлили, освободили от стеклянной оболочки, отшлифовали и даже насадили на железную ось с рукояткой, чтобы удобнее было укрепить его на станине. Получилась первая в истории науки и техники машина для получения электричества трением. Ах, если бы изобретатель знал, что нет никакой надобности в сере, что стеклянный шар, натертый сухой ладонью, электризуется так же, как и сделанный из серы! Тогда опыт обошелся бы ему значительно дешевле. Но Герике этого не знал. Он лишь повторял опыты, уже описанные в книгах, и старался подметить то, чего авторы не заметили.

Наэлектризовав шар ладонью, Герике с восторгом наблюдал, как танцуют над ним пушинки, не рискуя опуститься. А те, что все-таки опускаются, отскакивают от серы прочь. Экспериментатор снимал шар со станины и преследовал пушинку, отталкивая ее и заставляя лететь в желаемом направлении. Получалось, что он управляет ее полетом… «Э! – сказал себе Герике. – Похоже, что наэлектризованное тело не только притягивает, но и отталкивает легкие тельца. Почему?»

У Гильберта о причинах отталкивания – ни слова. Ученый иезуит Афанасий Кирхер наполнил свой труд о магните баснями, вроде того, что магнит не любит чеснока и увеличивает свою силу, ежели его обернуть красной тряпкой или окунуть в горячую кровь козла. В 1639 году вышла еще одна книга – итальянского монаха-естествоиспытателя Никколо Кабео. В ней приведено немало рассуждений о причине притяжения как магнита, так и наэлектризованных тел: «Из натираемого тела начинается истечение невидимой жидкости, коя расталкивает прилегающий к телу воздух и производит в нем завихрения. Вихри эти увлекают притягиваемые легкие тельца». Ну что же, путаное, конечно, но все-таки объяснение. А вот как быть с отталкиванием?

Герике заметил, что стоит дотронуться до оттолкнувшейся от шара пушинки, как она устремляется к натертому шару и, едва коснувшись его поверхности, снова уносится прочь. В один из теплых солнечных дней такая пушинка стала преследовать нос самого экспериментатора, и, как он ни отворачивался, она коснулась его и тут же полетела снова к шару. Чудеса!

Пожалуй, до него никто не проделал столько опытов с электрическим отталкиванием. Во всяком случае, ни в одной из книг об этом не было написано. Может быть, это его открытие?!

Кроме того, он обнаружил, что электрическая сила распространяется по льняной нитке на расстояние целого локтя от серного шара. А сам шар, будучи хорошо натерт, светится в темноте слабым синеватым светом и, испуская крохотные искры, тихо потрескивает.

Опыт Герике с серным шаром

Бургомистр подвесил к потолку легкий шарик из бузины, привязанный к длинной нитке, и поднес к нему натертый серный шар. Куда бы он ни повернулся, маленький шарик всюду следовал за большим, оборотясь к нему строго одной своей стороной. «Уж не так ли и Луна управляется силами, истекающими из Земли? – подумал бургомистр. – Может быть, электрические и магнитные силы помогут объяснить строение космоса?»

Эта идея была высказана еще Гильбертом. Не отрицал и Галилей связи между суточным вращением Земли с ее столь наглядными магнитными силами. Задачу выяснить гармонию мира и построить «архитектуру Вселенной» ставил перед собой и астроном Иоганн Кеплер.

Устройство мира волновало и интересовало естествоиспытателей, астрономов и философов. Какие силы объединяют небесные тела, в чем причина непревзойденной мировой гармонии?

Конечно, если бы Герике мог сесть за стол, обдумать и описать результаты своих опытов в книге, в которой не будет ни грамма выдумки, а только то, что он видел и испытал сам… Но где там! Служба не оставляла ни минутки свободного времени.

Как-то на рейхстаге в Регенсбурге он демонстрировал свои опыты и машины перед самим императором и собравшимися курфюрстами. Удостоился похвалы. А потом Каспар Шотт описал его приборы и опыты в своей книге. Спасибо, что хоть упомянул имя Герике, а не присвоил себе славу экспериментатора, как это порой делали другие.

Между тем его собственное сочинение подвигалось вперед трудно. Никогда он не думал, что писание требует столько времени и усилий. Наконец в 1663 году Герике отдал рукопись амстердамскому издателю. Теперь оставалось только ждать. Незаметно бежало время. Он был уже не безвестным экспериментатором и не простым пивоваром. За научные заслуги император возвел его в дворянское достоинство, после чего он смог добавлять к своей фамилии приставку «фон». Вот только годы не ждали…

Ему исполнилось уже семьдесят, а его книга с прекрасным правдивым описанием опытов и великолепными рисунками, которые так дорого ему стоили, все еще не могла увидеть света.

Лишь в 1672 году вышла книга из-под пресса типографии. Герике был счастлив. Его не расстроило даже то, что в качестве гонорара пришлось довольствоваться только семьюдесятью пятью экземплярами первого тиснения да обещанием книгоиздателя прислать еще двенадцать со второго издания, коли оно будет. Бургомистр все чаще задумывался о том, сколько лет у него украли неблагодарные городские дела и политика! Он чувствовал усталость, но город и слушать не хотел о его отставке. Наконец, после неоднократных заявлений, просьбу его удовлетворили. Можно было заняться экспериментами. Любопытные горожане стали чаще видеть громоздкую фигуру своего «десятипудового бургомистра» (именно такое прозвище дали ему насмешники) в окнах домашнего кабинета. Но продолжалось это недолго.

Через два года после его отставки в Магдебурге началась чума. Новые власти делали, по его мнению, все не так, а его не слушали. Старик!.. Обидевшись, Герике покинул родной город и уехал к единственному сыну в Гамбург. И там вскоре умер в возрасте восьмидесяти четырех лет.

Книга Отто фон Герике разлетелась по многим европейским странам и побудила естествоиспытателей повторять и проверять описанные опыты. И это было прекрасно, потому что, проверяя, ученые невольно изменяли условия эксперимента и получали новые результаты, накапливали новые факты.

В Италии опыты с электрическим притяжением и отталкиванием вели члены Академии дель Чименто. В Англии Роберт Бойль, опытный экспериментатор, нашел, что все тела обнаруживают большую электрическую силу, если их перед натиранием чисто вытереть и согреть. Не оттого ли теплым солнечным днем даже нос почтенного магдебургского бургомистра принял такое живое участие в игре с пушинкой?

Титульный лист трактата фон Герике «Новые опыты в пустом пространстве»

Славу Бойля составили его пневматические эксперименты. И он решил проверить, как ведут себя наэлектризованные тела в пустоте. Оказалось, что электрическая сила не зависит от наличия воздуха. Но что же она тогда собой представляет?

Во Франции некто Пикар, изготавливая трубку для барометра, заполнил ее ртутью и перевернул, чтобы в запаянном конце осталась торричеллиева пустота. Вечером, случайно встряхнув прибор, он обнаружил слабое свечение ртути. «Живое серебро» начало светиться при встряхивании трубки. Почему?

Опыт этот породил много споров. Одни считали, что в ртути присутствует особый «меркуриальный фосфор». Другие осторожно говорили, что причиной свечения может быть электризация стеклянных стенок трубки при встряхивании ртути. К единому мнению так и не пришли. Нужны были новые опыты, новые исследования.