Текст книги "Великие исторические личности. 100 историй о правителях-реформаторах, изобретателях и бунтарях"

Фарадей Майкл

1791–1867

Английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле.

Родился Майкл Фарадей в семье кузнеца 22 сентября 1791 года, в предместье Лондона. Все Фарадеи были людьми труда – скромными и честными. Небольшие доходы семьи не позволили ему окончить даже среднюю школу. В 13 лет Майкл стал учеником в переплетной мастерской при книжной лавке, где увлёкся чтением. Майкла потрясли статьи по электричеству в «Британской энциклопедии», и он тут же постарался повторить описанные в книгах опыты. Работая в мастерской, Фарадей упорно занимался самообразованием – читал всю доступную ему литературу по физике и химии, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Один из клиентов книжной лавки, где работал Майкл, заметив интерес мальчика к физике и химии, помог ему попасть на лекции по этим предметам в Королевский институт.

В 1813 году Фарадей получил место лабораторного ассистента в этом институте. Молодой человек приступил к работе и с головой окунулся в исследовательскую деятельность: то он извлекал сахар из репы, то получал сероуглерод, о чем с восторгом писал своим друзьям. Но в основном Майкл помогал Дэви доводить до конца опасные опыты с соединениями хлора и азота. Осенью того же года был взят выдающимся физиком Гемфри Дэви в двухлетнюю поездку по научным центрам Европы. Эта поездка для Майкла Фарадея имела большое значение: знакомство с такими учеными, как Ж.Л. Гей-Люссак, А. Ампер и другие.

После возвращения в мае 1815 года талантливый юноша привлёк к себе внимание, и его пригласили послушать лекции в Королевском институте Великобритании. Фарадей приступил к интенсивной работе в новой должности ассистента, с довольно высоким для того времени окладом 30 шиллингов в месяц. Он продолжил самостоятельные научные исследования, за которыми засиживался допоздна. Уже в это время проявились отличительные черты Фарадея – трудолюбие, методичность, тщательность исполнения экспериментов, стремление проникнуть в сущность исследуемой проблемы. В первой половине XIX века он заслужил славу «короля экспериментаторов»

С 1820 года он упорно трудился над идеей объединения электричества и магнетизма. Впоследствии это стало делом всей жизни учёного. В 1821 году Фарадей впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, то есть создал лабораторную модель электродвигателя.

В 1821 году Фарадей женился на 20-летней Саре Барнард, сестре его друга. По отзывам современников, брак был счастливым, Майкл и Сара прожили вместе 46 лет.

Наконец, экспериментальные исследования Фарадея начали неуклонно перемещаться в область физики. Несколько значительных работ по физике, опубликованных в 1821 году, показали, что он вполне сложился как крупный учёный. Главное место среди них занимала статья об изобретении электродвигателя, с которой фактически начинается промышленная электротехника.

В 1822 году в лабораторном дневнике Фарадея появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Рассуждения Фарадея были следующими: если электрический ток обладает магнитной силой, а, по убеждению Фарадея, все силы взаимопревращаемы, то и движение магнита должно возбуждать электрический ток.

С 1821 по 1831 год в дневниках Фарадея почти нет записей об электромагнитных проблемах, хотя он делал несколько безуспешных попыток вызвать ток с помощью магнитов. Путь к электрогенератору оказался нелёгким – первые опыты были неудачны. Главной причиной неудач было незнание того факта, что электрический ток порождается только переменным магнитным полем, причём достаточно сильным (иначе ток будет слишком слаб для регистрации). Для усиления эффекта следовало магнит (или проводник) быстро двигать, а проводник свернуть в катушку. Только десять лет спустя, в 1831 году, Фарадей нашёл, наконец, решение проблемы, обнаружив электромагнитную индукцию – возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831–1840 годы), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству» (всего он опубликовал 30 выпусков, выходивших с 1831 по 1835 год).

Электрический ток так сильно захватил Фарадея, что открытие электромагнитной индукции вдохновило его на дальнейшие поиски взаимодействия различных сил. Так в 1832 году он открыл явление электролиза – пропускание тока через растворы с выделением ценных компонентов, сейчас электролиз широко применяется в металлургии и химической технологии.

В том же 1832 году Фарадей исследовал ещё одну важную в те годы проблему. На тот момент были известны несколько источников электричества: трение, вольтов столб, некоторые животные, индукция, открытая самим Фарадеем и др. Отдельные учёные выражали сомнение в том, что все эти эффекты имеют единую природу, и даже использовали разные термины: «гальванизм», «животное электричество» и т. п. Фарадей провёл сотни опытов и закрыл проблему, показав, что все проявления электричества (тепловые, световые, химические, физиологические, магнитные и механические) совершенно одинаковы, независимо от источника его получения.

Исследование Фарадеем природы магнитных линий – кроме всего прочего, еще и поразительный пример мужества и упорства. К 50 годам ученый стал страдать тяжелым недугом. При отменном физическом здоровье из-за переутомления он терял память. Болезнь прогрессировала, и в 1840 году Фарадей был вынужден полностью прекратить научные исследования. Только спустя четыре года он снова смог приступить к работе.

И вновь его опыты принесли результаты. В 1843 году Фарадей экспериментально доказал идею сохранения электрического заряда и вплотную подошёл к открытию закона о сохранении и превращении энергии, высказав мысль о единстве сил природы и об их взаимном превращении. Создатель учения об электромагнитном поле, учёный высказал мысль об электромагнитной природе света (мемуары «Мысли о лучевых колебаниях», изданные в 1846 году).

Кроме всего прочего, Фарадей ввёл понятие электромагнитного поля. Эта идея, по мнению А. Эйнштейна, была самым важным открытием со времён И. Ньютона.

В 1855 году болезнь вновь заставила ученого прервать работу. Он снова стал катастрофически терять память. Ему приходилось записывать в специальный журнал все, вплоть по того, куда и что он положил перед уходом из лаборатории, что он уже сделал и что собирался делать далее. Чтобы продолжать работать, он должен был отказаться от многого, в том числе и от посещения друзей. Последнее, от чего он отказался, были лекции для детей, которые он читал в Королевском институте с 1826 года. Одна из самых известных его лекций называлась «История свечи с точки зрения химии». Позже она была издана отдельной книгой и стала одним из первых научно-популярных изданий и мире.

Гениальный ученый спокойно и тихо скончался 25 августа 1867 года, сидя за письменным столом в своем лондонском доме. Несмотря на то что у него уже не было сил для серьезных дел, светлое состояние души не оставляло его до конца. Еще в 1861 году он писал другу: «Я благодарен, что в процессе того, как способности и другие вещи в этой жизни покидают меня, добрая надежда остается со мной. Это позволяет размышлять о смерти спокойно и без страха. Чего же бояться, если среди подарков Бога нам дан свыше еще этот мир в душе? Именно этот, невыразимый словами дар в Его излюбленном сыне, – есть основание для надежды, и в нем опора для тех, кто, как ты и я, влачится здесь, внизу к концу нашего жизненного пути».

В 1938 году в Лондоне был найден документ со следующей надписью: «Новые воззрения, подлежащие хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества». Письмо было написано Майклом Фарадеем и содержало в себе суть открытия, сделанного Герцем спустя 55 лет после смерти великого английского ученого. Речь шла о существовании электромагнитных волн. Фарадей, который всегда был приверженцем практического подтверждения теорий, писал об этом не доказанном им открытии: «…я хочу, передавая это письмо на хранение в Королевское общество, закрепить открытие за собой определенной датой и, таким образом, иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату датой моего открытия».

Открытия Фарадея завоевали широкое признание во всем мире. За его выдающиеся заслуги Королевским обществом Великобритании была учреждена Медаль Фарадея – одна из престижнейших наград в научном мире. Факты, которые он установил, стали фундаментом электромагнитной теории. Открытия Майкла Фарадея завоевали признание во всем научном мире, его именем были впоследствии названы законы, явления, единицы физических величин (фарада, фарадей, число Фарадея, цилиндр Фарадея и др.). Все его теории были впоследствии научно обоснованы, чего не скажешь о многих других великих учёных.

Если бы в мировой истории не появился такой человек, как Майкл Фарадей, то наша жизнь вряд ли была бы такой, какая она есть сейчас. У нас бы не было компьютеров, не было бы электричества, не было бы нержавеющей стали, не было бы медных проводов, алюминиевых ложек и ещё много чего. Но он возник и сделал столько величайших открытий, каждое из которых могло бы сделать его успешным, даже если бы он не открыл больше ничего. Он пришёл в науку и смог перевернуть мир с ног на голову.

Планк Макс

1858–1947

Немецкий физик, основоположник квантовой теории, обладатель Нобелевской премии.

Полное имя ученого – Макс Карл Эрнест Людвиг. Он родился 28 апреля 1858 года в Киле в семье юриста, профессора права Кильского университета Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка и Эммы Планк, урожденной Патциг. Когда мальчику исполнилось девять лет, семья переехала в Мюнхен. В Королевской Максимилиановской гимназии, учеником которой он стал, преподавателем математики был Г. Мюллер. Человек изобретательный и остроумный, умевший продемонстрировать на простых и убедительных примерах законы физики, он пробудил у одаренного ученика интерес к естественным и точным наукам. Впоследствии Планк писал, что закон сохранения энергии был принят им «как Евангелие», как первый из тех «абсолютных законов», которые управляют внешним миром.

Выбирая профессию, Макс Планк не сразу избрал физику. Его привлекала и классическая филология, и музыка, незаурядные способности к которой он проявлял еще в детстве, выучившись играть на фортепиано и органе. После окончания гимназии в 1874 году Макс три года занимался в Мюнхенском университете, где получил хорошую математическую подготовку. Но только после перехода в университет в Берлине, как писал впоследствии Планк, его призвание определилось благодаря изучению трудов его преподавателей, а также знакомству с публикациями немецкого физика Р. Клаузиуса, одного из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории.

Планк продолжал упорно работать. В 1879 году он защитил докторскую диссертацию, посвященную второму началу термодинамики, и уже через год получил должность приват-доцента Мюнхенского университета, а в 1885 году стал профессором. В 1897 году впервые появилась его книга «Лекции по термодинамике», впоследствии многократно переиздававшаяся и переведенная на многие языки.

В 1887 году Максу Планку предложено место экстраординарного профессора в Кильском университете. День, когда пришло это приглашение, Планк считал одним из счастливейших в своей жизни.

В 1889 году Планк был приглашен на философский факультет Берлинского университета на кафедру теоретической физики вначале экстраординарным, а с 1892 года ординарным профессором. Именно в это время он впервые получил возможность установить личные научные контакты с ведущими немецкими физиками того времени.

Началом атомного века принято считать лето 1945 года, когда было произведено первое техническое испытание атомного оружия в североамериканской пустыне и совершилось его преступное применение против крупных японских городов. Однако основы его были заложены за 45 лет до этого – 14 декабря 1900 года – в Германии, в Берлинском университете, где Макс Планк в аудитории Физического института сообщил членам Немецкого физического общества теоретическое обоснование своей формулы излучения.

К тому времени Макс Планк уже два десятилетия успешно вел исследования и преподавал. Он не сделал крупных открытий, но был автором ряда серьезных и интересных работ. В некоторых областях, прежде всего в теории теплоты, его заслуги были довольно значительны. Все его научное развитие до 1900 года предстает как своего рода всесторонняя и серьезная подготовка к открытию, которое ему удалось впоследствии совершить за несколько недель и которое сделало бессмертным его имя.

К своему открытию Планк пришел не сразу. В середине 1890-х годов он занялся проблемой теплового излучения и в конце 1900 года достиг решающего успеха: он получил правильную формулу для распределения энергии и дал её теоретическое обоснование, введя знаменитый «квант действия». Квантовая гипотеза немецкого учёного, глубокий смысл которой вскрылся лишь много позже, ознаменовала рождение квантовой физики. В последующие годы Планк приложил много усилий, пытаясь согласовать свои результаты с классической физикой; он крайне настороженно относился к дальнейшим шагам, уводящим в сторону от старых представлений.

Квантовая теория возникла в связи с непреодолимыми трудностями, которые испытывала классическая теория физики при попытке объяснить полученные опытным путем закономерности теплового излучения твердого тела. Дело в том, что к моменту возникновения теории Планка ситуация в физике, касающаяся процессов передачи энергии, была довольно-таки сложной. Многие теоретические вопросы не находили ответа, а объяснения, которые пытались давать ученые, были противоречивы. Попытки самого Планка решить эту проблему, описать экспериментальные данные единой теоретической формулой, увенчались успехом только после того, как он (вопреки всем известным законам физики) фактически понял, что энергия излучается не постоянно и непрерывно, а дискретными порциями.

Сущность «парадоксальной гипотезы» Планка заключалась в том, что испускание и поглощение электромагнитной энергии атомами и молекулами происходит не непрерывно, а порциями (прерывно, дискретно), или «квантами», как несколько позже предложил называть их Планк. «Это было сделанное на уровне абстрактного мышления. Открытие дискретности там, – говорил позже Э. Шрёдингер, – где ее меньше всего ждали», то есть в процессах обмена энергией.

Планк открыл новую естественную постоянную величину – элементарный квант действия – и нашел ее численное значение. Теперь эта величина известна как «постоянная Планка».

Открытие элементарного кванта действия положило начало новой эпохе в физической науке. Оно показало, что тезис о бесконечной непрерывности всех природных процессов был заблуждением. Выяснилось, что в природе бывают изменения, которые происходят не плавно, а скачками, «взрывообразно», как сказал Планк. Представление о равномерном обмене энергией не могло больше считаться верным.

Значение открытой Планком новой постоянной величины (это называется константа) можно сравнить только со значением константы скорости света. В исследовании атома постоянная Планка играет основополагающую роль. Ее открытие – эпохальное научное деяние, революция, величие которой нисколько не умаляется тем, что Планк стал революционером против собственной воли. Для Планка, который, по словам хорошо знавшего его Макса Борна, «от природы был консерватором, ничего не имел от революционера и весьма скептически относился к спекулятивным рассуждениям», было весьма нелегко примириться с идеей прерывистости передачи энергии, противоречившей всем традициям классической теории. Ошеломленный неожиданными с точки зрения классической физики последствиями своего открытия, он долгое время сопротивлялся признанию вытекающих из него следствий. Другие исследователи, менее, чем он, приверженные традиции, вскоре значительно обогнали его: это были прежде всего Альберт Эйнштейн и Нильс Бор.

Последние десятилетия жизни Планка были омрачены трагическими событиями. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 году, умерла в 1909 году, оставив четверых детей, трое из которых не пережили Первой мировой войны. В 1916 году был убит воевавший во Франции старший сын Карл, в последующие два года умерли от родов две его дочери-близнецы. От первой жены оставался только один сын Эрвин, но и его пережил Планк. В 1944 году Эрвин был вовлечен в заговор против Гитлера и казнен.

Планк воспринял приход фашистов в 1933 году к власти в Германии как национальную трагедию. Человек сложившихся взглядов и религиозных убеждений, он открыто выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать за границу. Макс Планк не дожил несколько месяцев до своего девяностолетия. Он скончался в Пруссии – 4 октября 1947 года, в Геттингене.

Изменения, начало которым он положил, явились поистине революционными. Их масштабы прекрасно понимал и сам Планк, писавший о кванте действия, что это либо «фиктивная величина», лишенная смысла, либо же «вывод закона излучения опирается на некую физическую реальность, и тогда квант действия должен приобрести фундаментальное значение в физике и означает собой нечто совершенно новое и неслыханное, что должно произвести переворот в нашем физическом мышлении…»

Все дальнейшее развитие естествознания показало, что введенное Планком понятие о дискретности энергии электромагнитного излучения играет такую же фундаментальную роль в физике, как, например, представления об атомистическом строении вещества Демокрита.

В знак признания его заслуг в развитии физики благодаря «открытию кванта действия» Макс Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 год.

Эйнштейн Альберт

1879–1955

Основателей современной теоретической физики, создатель теории относительности.

Большинство людей полагает, что именно Эйнштейн основал теорию относительности в первом десятилетии XX века – словно он тихо сидел в своем кабинете и в одиночестве сумел создать абсолютно новую теорию пространства и времени. На самом деле примерно так дело и обстояло. Говорят, что прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Ученый якобы ехал на трамвае по Берну, взглянул на уличные часы и внезапно осознал, что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии эти часы остановились бы – и времени бы вокруг не стало. Это и привело его к формулировке одного из центральных постулатов относительности – что различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время.

Идея того, что время и длина зависят от нашей скорости, была впервые предложена как объяснения одного наблюдения, которое когда-то всех поразило. В XIX веке изобрели очень чувствительный аппарат, который должен измерять скорость света, находясь на Земле.

Автором общей теории относительности, о которой наслышаны даже школьники, признан великий ученый Альберт Эйнштейн. Все это так – именно перу Эйнштейна принадлежат работы по специальной теории относительности (СТО, теории, описывающей мир при скоростях, близких к скорости света) (1905 год), и по ОТО (теория тяготения, вытекающая из СТО) (1915–1916 годы). В одиночку Эйнштейн, будь он хоть трижды гениален, создать великую теорию не смог бы, если бы не предшествующие работы десятков других физиков, работавших с XVII по XX век.

Главная заслуга Эйнштейна – обобщение разрозненных фактов, легших в основу СТО и ОТО, и внесение предложений, поломавших все царившие в науке того времени стереотипы. Но не стоит думать, что это легко – простой человек не смог бы полностью отрешиться от господствовавших в науке идей и сделать предположения, даже сейчас кажущиеся фантастическими. Нестандартное мышление и прозорливость Эйнштейна позволили ему увидеть то, что было упущено учеными из-за споров о космическом эфире и скорости света.

Но автором СТО и ОТО считается Эйнштейн, так как ни Лоренц, ни Пуанкаре, ни многие другие видные ученые не смогли отказаться от идеи эфира как переносчика света. Эйнштейн в своей работе «К электродинамике движущихся сред» (1905 год) показал, что принятая в течение нескольких веков теория эфира (тонкой, заполняющей весь мир субстанции, которая служит только для распространения света) несостоятельна, а объяснить постоянство скорости света можно только введением нескольких постулатов (постулат – утверждение, принимаемое за истинное и не требующее доказательства), устанавливающих свойства времени, пространства и света.

Говоря научным языком, Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. Вспомним трамвай, в котором, как считается, ехал ученый в день великого осознания. Если пассажирка трамвая, например, уронит очки, то для нее они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. У каждого своя система отсчета.

Хотя описания событий при переходе из одной системы отсчета в другую меняются, есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения очков задаться вопросом о законе природы, вызывающем их падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Закон распределенного движения в равной мере действует и на улице, и в трамвае. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, законы природы от него не зависят, то есть, как принято говорить на научном языке, являются инвариантными. В этом и заключается принцип относительности.

Идею можно лучше понять, если представить космический корабль и мелкие частицы света, которые называются фотонами. Если двигаться по направлению от солнца, надев специальные очки, которые помогают видеть фотоны, то, достигнув скорости 300 000 км/с можно увидеть, как фотоны медленно двигаются мимо космического корабля. И здравый смысл говорит, что, увеличив скорость, можно обогнать фотоны, так как скорость космического корабля превысит скорость света.

Ко всеобщему удивлению, ученые обнаружили, что если двигаться быстрее, то свет не будет проходить мимо иллюминаторов медленнее. Свет всегда движется с одной скоростью. Другими словами, фотоны всегда побеждают в гонке – ничто не может обогнать скорость света.

Как любую гипотезу, принцип относительности нужно было проверить путем соотнесения его с реальными природными явлениями. Из принципа относительности Эйнштейн вывел две отдельные (хотя и родственные) теории. Специальная, или частная, теория относительности исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности распространяет этот принцип на любые системы отсчета, включая те, что движутся с ускорением. Специальная теория относительности была опубликована в 1905 году, а более сложная с точки зрения математического аппарата общая теория относительности была завершена Эйнштейном к 1916 году.

В соответствии со специальной теорией относительности (СТО) всякое движение требует пространства и времени, но все равно для «измерения» требует какой-то точки отсчета. Когда анализируешь – получается, что никакой выделенной «точки отсчета» в природе не существует, кроме света, который имеет всегда одну и ту же скорость («приблизительно», а по гипотезе А. Эйнштейна – Пуанкаре и математически), намного большую, чем все остальные тела. Тогда несложными алгебраическими выкладками получаются формулы для правильного сложения скоростей обычных тел, когда их скорости сравнимы со скоростью света. Для малых скоростей эти формулы дают почти такой же результат, что и старые, что и житейский опыт.

Кроме того, СТО показывает, что при разгоне материальных тел до высоких скоростей (около скорости света) неизбежно растет их масса, которая увеличивается за счет получаемой телом энергии разгона. Получается Е = мс², знаменитая формула, на идеологии которой создана ядерная и термоядерная бомбы. Из этого же следует, что разогнаться до световой скорости материальному телу не получится – оно начнет тяжелеть и скорее станет «черной дырой», чем достигнет световой скорости.

Общая теория относительности (ОТО) – предполагает, что пространство и время вообще составляют единое целое, искривление которого и объясняет возникновение сил, ускорений, гравитации, законов взаимодействия вещества с «черной дырой». Общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (и, следовательно, законы Ньютона). При этом общая теория относительности идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она дает новую интерпретацию гравитации.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. С этой точки зрения Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения. Общая теория относительности, однако, заставляет нас взглянуть на это явление иначе. Представьте туго натянутое полотно, на которое помещен массивный шар. Полотно деформируется под тяжестью шара, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Согласно общей теории относительности, Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром – Солнцем.

Все теории относительности получили практическое подтверждение, многие наблюдаемые явления физики можно объяснить только этими (или похожими) теориями. Эйнштейн собрал воедино все факты и ввел незначительные, на первый взгляд, усовершенствования. Но это был великий шаг для науки и, чтобы сделать его, надо было обладать немалой смелостью.

В 1905 году Эйнштейн не поставил точку, а завершил лишь один из этапов становления великой теории и дал направление развитию совершенно новой физики. Через 10 лет ученый опубликовал свою общую теорию относительности, дающую толкование природы тяготения. И обе эти теории за сто лет доказали, что имеют право на существование.