От проблем пустоты к проблемам электричества
Хасапов Борис
В 1640 году великий герцог Тосканский решил устроить фонтан на террасе своего дворца и приказал для этого подвести воду из ближайшего озера с использованием всасывающего насоса. Приглашенные флорентийские мастера сказали, что это невозможно, потому что воду нужно было всасывать на высоту более 32 футов (9,6 м). А почему вода не всасывается на такую высоту, объяснить не могли. Герцог попросил разобраться великого ученого Италии Галилео Галилея. Хотя ученый уже был стар и болен и не мог заняться экспериментами, он все-таки предположил, что решение вопроса лежит в области определения веса воздуха и его давления на водную поверхность озера. А если это так, то можно было объяснить некоторые загадочные явления природы, разгадки которых добивались выдающиеся умы человечества в течение многих столетий. Среди них была и проблема пустоты.
Существует ли пустота?
По традиции, опиравшейся на авторитет Аристотеля, считалось неоспоримым, что «природа боится пустоты» и этим «страхом» объяснялись многие физические явления. Впрочем, сам Аристотель был не столь категоричен, в своей «Физике» он записал: «Надо признать, что дело физика рассмотреть вопрос о пустоте, существует она или нет, и в каком виде существует, и что она такое...» [1].
Чтобы понять, какая сумятица царила в головах ученых того времени, приведем мысли Блеза Паскаля, современника Галилея. «Что может быть нелепей, чем утверждение, будто у неодушевленных тел есть страсти, опасения, страхи? Тем более что предмет этих страхов – пустота. Что же такого есть в пустоте, что может их пугать? Что может быть глупее и смешнее?
Это еще не все; в них самих заключено некое начало движения, чтобы избегать пустоты. Или у них есть руки, ноги, мускулы, нервы?» [2].
Сомневаться действительно было в чем. Если поршень, двигаясь вверх в вертикальной трубе насоса, извлекает воздух, то согласно теории «боязни пустоты» его место немедленно занимает вода, чтобы не оставалось пустоты. Но такая «боязнь пустоты» у природы существовала почему-то до высоты подъема, равной 32 футам. За разрешение этого вопроса взялся ученик Галилея Э. Торичелли. Для проверки гипотезы своего учителя он провел свой знаменитый опыт.
Наполнив ртутью стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца, он закрыл другой конец пальцем, перевернул и опустил палец в чашу со ртутью. При опускании пальца часть ртути из трубки вытекла, но остановилась на высоте, с учетом удельного веса ртути равной именно 32 футам водяного столба. Гипотеза Галилея была подтверждена, а пузырек над поверхностью ртути стал безвоздушным пространством и получил впоследствии название «торичеллиевой пустоты». Эта пустота сыграет свою роль в развитии науки об электричестве, но позже, при построении первой электрической машины.
А в 1650 году за опыты по изучению пустого пространства берется очень богатый человек, бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике, Что толкало исследователя к проведению дорогостоящих опытов, затраты на которые никто и не собирался возмещать?
Послушаем самого Герике.
«Издавна философы жестоко спорили друг с другом относительно пустоты: существует ли она и что производит, и каждый упорно защищал принятое однажды мнение. И зажегшееся в моем уме стремление узнать истину в этом пока еще спорном предмете не могло ни заснуть, ни погаснуть, так что я попытался провести некоторое исследование данного вопроса. Это было сделано различными способами, и работа не оказалась бесплодной, так как я изобрел несколько машин для обнаружения этой всегда отрицаемой пустоты» [3].
Пустоту Герике пытается получить иначе, чем Торичелли. Он конструирует механический вакуум-насос, чтобы посредством него создать пустоту в деревянной бочке. Однако он не достиг высокого вакуума, а бочка была раздавлена атмосферным давлением. Пораженный силой этого давления, Герике пробует его измерить. Для этого из кованой меди он мастерит сосуд сферической формы, состоящий из двух полушарий, впоследствии названных магдебургскими (рис. 1). Из двух сложенных вместе и ничем не стянутых половинок выкачивался воздух. Затем их пытались разнять разными способами. Часто опыты носили демонстрационный характер. Две упряжки цугом пытались разорвать полушария, сдавленные атмосферным давлением. Это им с трудом удавалось. Но были и чисто научные опыты с попыткой точно определить эту силу.
Полушария диаметром около 36 см на установке, изображенной на рис. 2, разрывались усилием 2 686 фунтов (т. е. более тонны).
В процессе опытов Герике приходит мысль проверить, а не атмосферное ли давление участвует в процессе притяжения и удержания некоторых натертых предметов, недавно изучавшихся Гильбертом. Идея была не нова. Еще Дж. Кардано (1501–1576), математик и врач, предположил следующее: сила притяжения натертого янтаря основана на том, что при натирании янтаря из его пор выходит нечто подобное газам, затем в порах наступает разрежение, а когда он охлаждается, то истечения возвращаются к янтарю и, прижимаясь совместно с легкими предметами к нему, действуют так же, как кровососная медицинская банка под влиянием силы огня. (Нынче почему-то неиспользуемый способ лечения. – Б.Х.). Гильберт проверил гипотезу Дж. Кардано, нагрев янтарную палочку. «Но под влиянием силы огня» притягивать легкие предметы янтарь «не хотел» [4]. Дело было в чем-то другом. И Герике решает это узнать.
Электрическая машина?
Отто Герике был первым инженером, который взялся за проведение электрических экспериментов, поэтому нет ничего удивительного в том, что он сразу пытается как-то облегчить утомительный труд при натирании тел. Ведь трение являлось единственным способом электризации при исследованиях в те далекие времена. Для этого он создает устройство, которое называет «globus machinuale accomodation», то есть «шар, приспособленный в качестве машинки».
Вот как описываетсть возьмет стеклянный баллон, величиной с детскую головку, наполнит его растолченной серой и расплавит ее; по охлаждении разобьет баллон, вынет и сохранит серный шар в сухом месте. Если угодно, можно в шаре просверлить отверстие, чтобы удобно было вращать его на вставленном железном стержне, как на оси» [5]. Внешний вид устройства по старинной гравюре приведен на рис. 3. Размеры его приблизительно соответствовали размерам современной домашней швейной машины, скопировано оно было, скорее всего, с настольного точила, применявшегося в то время ремесленниками.
Для натирания шара экспериментатор, судя по описанию, пользовался обеими руками. Поскольку на оси шар сидел свободно, то одной рукой, держась за шар, исследователь совершал возвратно-поступательные движения, или, что менее вероятно, вращал его. Шар натирался ладонью другой руки. После натирания шар с осью снимался с подставки и использовался как источник электрических зарядов.
Назвать такую установку машиной нельзя, потому что она в принципе ничем не отличается от охотничьего вертела для зажаривания дичи на костре, в отличие от точила, где вращаемый абразивный круг был частью установки. После натирания серного шара и снятия его для опытов от установки оставались лишь две рогатки-штатива. Так что к сообщениям в исторической литературе о том, что Герике создал первую электрическую машину, следует относиться с осторожностью. Тем не менее, с использованием такой примитивной установки Отто Герике делает в науке об электричестве ряд великих открытий.
При натирании шара исследователь заметил, что вращающийся серный шар сразу притягивал бумагу, перья и другие легкие предметы, увлекая их за собой. Затем они срывались и разлетались в разные стороны. Однако прежде чем перейти к открытиям, попытаемся ответить на ряд вопросов, возникающих при внимательном изучении установки. Например, почему для экспериментов Герике использует шар из серы, а не стеклянный, который через столетие будут широко применять в электрических машинах последующие поколения исследователей? Ведь полый стеклянный шар более легок, гигиеничен да и дешев!
Вопрос не так сложен, как кажется. Ведь до Герике был только один авторитет в области электризации тел – У. Гильберт. В его труде можно прочесть, что янтарь, гагат, сера «притягивают после легкого трения. Они сильнее зовут к себе и дольше удерживают. Алмаз же, стекло и большинство других более твердых камней нужно сначала нагреть, затем подольше натирать и только тогда они начинают хорошо притягивать». Гильберт насчет стекла заблуждался, но мнение электрика номер один по всей видимости и предопределило выбор Герике [4, с. 95–96].
А вот почему Герике выбрал в качестве натираемого предмета шар, а не цилиндр или диск, остается только предполагать. Впрочем, ответ можно дать с достаточно высокой вероятностью. Герике, скорее всего, сделал электрическую «тереллу» (модель Земли, глобус), точно так же, как Гильберт для опытов изготовил магнитмогла объяснить причин появления центростремительных сил в астрономии, например Земли к Солнцу. Их взаимное притяжение пытались объяснить наличием у них электрических и магнитных сил. Ньютону в это время было всего 17 лет, и до открытия Закона всемирного тяготения было еще далеко.
Тем не менее, появление серного шара Герике нужно считать крупным шагом вперед в деле изучения проявлений электричества. Давно замечено, что переходы на новые параметры исследований (более высокие или более низкие температуры, потенциалы или давления) дают новые факты для исследователей и приводят к новым открытиям. Ведь посредством установки насколько проще и эффективней стало натирать серу, нежели это делал Гильберт, натирая кусочки или кристаллы серы и других камней.
Заметим, однако, что иллюстрации, приводимые Герике, не совсем точны, к ним надо относиться с осторожностью. Дело в том, что рисунки даны без соблюдения масштабов, и шар «величиной с детскую головку» на изображении в 2 раза больше головы пятидесятилетнего ученого. Да и шар, весящий около сорока килограммов, так бы легко исследователь не держал над головой.
Главный опыт
Механизировав процесс натирания и увеличив натираемый предмет, Герике получил более мощный источник электрических зарядов (термин появится через 100 лет!). При этом он сразу же обнаруживает никем не описанное и необъяснимое явление. Птичье перышко натертый шар активно притянул, но затем также резко отбросил. Экспериментатор взял это перышко рукой и снова поднес к шару. Хотя шар вторично не натирался, он снова притянул и отбросил перо! Было над чем задуматься!
Герике решает выяснить, а сколько времени может обладать отталкивающей силой натертый серный шар? Он натирает шар, снимает его с остова установки и подносит к нему перышко.
Оно привычно притягивается и тут же отталкивается, зависая в воздухе. Исследователь пытается поднести опять к нему шар, но перо, не прикасаясь к шару, снова отлетает на некоторое расстояние. Если приблизить шар снизу, можно было заставить перышко подниматься вверх и перемещать его в любом направлении. Герике запишет впоследствии: «перышко можно было носить по всей комнате».
До нас дошло графическое отображение опыта. Оно приводится во всех публикациях, посвященных истории электричества, но вот в большинстве из них почему-то отсутствует один из важнейших элементов эксперимента – птичье перышко. Мы приводим полное отображение рисунка, где парящее перышко обозначено греческой буквой «альфа» (рис. 1).
Так было сделано одно из величайших открытий в области электричества: электрическая сила, как и магнитная, может быть не только притягивающей, но и отталкивающей.
Но не все было просто при проведении опытов. Парящее в воздухе перышко снова притягивалось серным шаром, после того как оно случайно касалось постороннего предмета, будь то пол, стена или нос экспериментатора. Когда приближали к парящему перышку горящую свечу – то же самое. Это было непонятным. Эксперимент задал больше вопросов, чем дал ответов. Одно было ясно – причина электрического притяжения тел, указанная Гильбертом, то есть истечение чего-то там из натираемых тел, создание там вакуума и затем притяжение легких предметов, не есть сила, вызываемая пустотой.
Интересно отметить, что об опыте по парению заряженных тел в электрическом поле, сделанном Герике, вспомнили через 250 (!) лет, чтобы с использованием новой экспериментальной техники попытаться ответить на вопрос о величине электрического заряда электрона. И это удалось сделать сравнительно просто.
Американский физик Роберт Милликен в 1906 г. предположил, что если поместить в электрическом поле за
В специальную камеру пульверизатором П подаются мелкие капельки жидкости (масло, ртуть), которые заряжаются трением о сопло пульверизатора. Затем отдельные капли попадают между двух пластин заряженного воздушного конденсатора К. Через микроскоп М наблюдают за движением капелек. Вес капелек вычисляют, определяя под микроскопом их диаметр при известном удельном весе. Зная напряженность электрического поля и силу, удерживающую капельку в подвешенном состоянии (равную весу), можно было определить величину заряда. Милликен не отождествлял капельки жидкости с электронами.
Он просто определял электрические заряды капелек и обнаружил, что эти заряды ДИСКРЕТНЫ, т. е. не непрерывны, а кратны. Минимальный заряд, который только возможно было получить, должен был соответствовать согласно атомной теории заряду электрона.
«Установка Милликена для измерения заряда электрона дала столь убедительные результаты, что последние противники атомной теории вынуждены были сдаться» (Митчел Уилсон. Американские ученые и изобретатели. М., «Знание», 1964 г., с. 111).
Многочисленные опыты, и не только Милликена, привели к фундаментальному результату: тело может принимать или отдавать электрический заряд только порциями ЦЕЛОЧИСЛЕННО КРАТНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ ЗАРЯДУ, РАВНОМУ 1,6 x 10-19 кулонов. Несмотря на бесчисленные попытки, никогда не удавалось получить заряд меньше этой величины. Поэтому заряд е=1,60 x 10-19 Кл. называют ЭЛЕМЕНТАРНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАРЯДОМ, или «атомом электричества» [6]. А у истоков этого открытия стоял электрик номер два в истории электричества.
Жизнь Отто фон Герике богата событиями и даже приключениями, неординарна и вовсе не напоминает биографию кабинетного ученого. Родился он 20 ноября 1602 г. в немецком городе Магдебурге, первоклассной крепости на р. Эльбе. Город имел торговые привилегии со времен Карла Великого, поэтому был процветающим торговым центром, а также центром промышленных мануфактур.
Состоятельная семья Герике имела сельскохозяйственные угодья, дома и обладала правом пивоварения. Этот факт имеет прямое отношение к научной биографии ученого, так как, по словам историка науки Дж. Бернала, «он израсходовал на свои опыты 4000 фунтов стерлингов – сумму по тому времени астрономическую». Добавим, что без всякой надежды на возмещение расходов, только из любви к науке. Впрочем, это не единственный подобный случай – так поступали сверхбогатые люди Роберт Бойль, Генри Кавендиш и многие другие энтузиасты-исследователи.
С 1617 по 1622 гг. Герике обучался общеобразовательным предметам в университетах Германии – Лейпциге и Гельмштадте, а юриспруденции – в Иене. В 1623 г. он выехал в Голландию, где в Лейденском университете изучал механику и фортификацию, к которой в то время относилась и механика. Затем Герике совершает вояжи по научным центрам Авремени.
По возвращении в Магдебург в 1626 г. Герике женится, избирается на должность ратмана (городского советника) и фактически становится охранителем и военачальником Магдебурга. Инженерные знания советника помогают Магдебургу в ходе Тридцатилетней войны выдержать в 1629 г. семимесячную осаду немецкого полководца Валенштейна, но в 1831 г. Магдебург был взят австрийским генералиссимусом Тилли, представлявшим католических сторонников этой религиозной войны. Город был разграблен и сожжен, а руководитель обороны попал в плен. Собственное имущество Герике было растащено «ордами Тилли», слуги перебиты. Но его самого за выкуп в 300 талеров выпустили на свободу.
Оставшись без средств к существованию, Герике поступает на службу в войска Густава-Адольфа, короля могущественной тогда Швеции, в качестве генерал-квартирмейстера и военного инженера. По освобождении шведами Магдебурга Герике возвращается домой, чтобы получить назад свою недвижимость и там же начинает восстановительные работы в крепости, строит мост через Эльбу. Попутно он занимается дипломатической деятельностью и добивается некоторых успехов, в частности решает вопрос замены оккупационных войск местным гарнизоном.
Город в знак признательности избрал Герике своим бургомистром в 1646 г. Тогда и началась научная деятельность военного инженера, широту интересов которого даже трудно охватить. Он занимается астрономией и высказывает мысли о возможности вычисления периода возвращения комет, а также химией – пытается разобраться в процессах брожения (пивовар!). Обнаруживает возможность намагничивания железа от земного магнетизма, а также проводит свои знаменитые атмосферические опыты: взвешивает воздух, изобретает термометр (вернее термоскоп), манометр и барометр (водяной), с использованием которого 9 декабря 1660 г. делает первый метеорологический прогноз – предсказывает ураган.
Нужно отметить, что свою главную задачу в науке – доказать существование «пустоты» посредством убедительных и наглядных опытов, доступных широкому пониманию публики, Герике с честью выполнил.
В 1666 г. император Леопольд именно за это возвел бургомистра Магдебурга в дворянское достоинство, после чего Герике изменил правописание своей фамилии на фон Герике, каковое иногда встречается и в русской переводной литературе.
На должности бургомистра О. Герике пробыл 32 года и в 1678 г. оставил ее по старости. Он умер 11 мая 1686 г. в Гамбурге в доме своего единственного оставшегося в живых сына, куда уехал от свирепствовавшей тогда в Магдебурге чумы. Был ли, как это предполагалось, его прах перевезен в родной город, который он прославил навек, осталось неизвестным. Такое случалось, как видим, не только в России.
Каскад открытий
Другое выдающееся открытие
О. Герике, ныне считающееся само собой разумеющимся, отмечено первым электриком России Г.В. Рихманом. Вот что записано в его тетрадях: Герике дал «отменный повод к дальнейшему расширько возбуждать электричество трением, но также СООБЩАТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ДРУГИМ ТЕЛАМ, не электризующимся путем трения» [7].
Действительно, а как наэлектризовать воду, металлы, песок, ту же пушинку или льняную нитку? Оказалось чрезвычайно просто. Герике отмечает, что при приближении к натертому шару капель воды они приходили в волнообразное движение, а льняной шнур, прикоснувшись к шару, заряжается и тоже начинает притягивать бумажные листочки. И неспроста по-видимому указывается длина этого шнура – «один локоть». Через многие десятилетия (1729) англичанин Грей начнет увеличивать это расстояние и сделает открытие, что электрический заряд передается практически на безграничное расстояние. Теперь можно было создавать электрическую машину (генератор), чтобы сообщать заряды любым предметам на любом расстоянии.
Весьма многообещающими были следующие наблюдения бургомистра Магдебурга. К скамейке была прикреплена деревянная стойка (по современным понятиям – изолятор), с верхней части которой спускалась льняная нитка. Натертый серный шар приближался на близкое расстояние к верхней части нити. Если поднести к нижней части нити палец, то нить ПРИТЯГИВАЛАСЬ К ПАЛЬЦУ, ХОТЯ ПРЯМОГО КОНТАКТА МЕЖДУ ШАРОМ И НИТЬЮ НЕ БЫЛО.
Следующее наблюдение было над перышком, подвешенным на нити. К натертому серному шару приближали висящее перышко в районе экватора. Интересным было то, что когда обводили его вокруг шара, то перышко оставалось обращенным к шару ВСЕГДА ОДНОЙ СТОРОНОЙ.
Истинное значение этих экспериментов, а это было большое открытие, осталось непонятым ни самим Герике, ни его последователями в течение столетия. А было это проявление электростатической индукции, объясненной уже в XVIII веке учеными Ф.У.Т. Эпинусом и И.К. Вильке.
Герике изучал и сам наэлектризованный шар. И здесь его наблюдательность принесла свои плоды. Натирая рукой шар в темноте, он наблюдал СЛАБОЕ СВЕЧЕНИЕ, а поднося шар к уху, слышал слабый треск. «Шар обладает способностью звучать, – пишет он, – потому что если поднести его к уху, держа в руке, то в нем слышится шорох и треск». Возможно, это и были первые наблюдения электрической искры, но, по мнению последующих электризаторов, это были звуки, которые издавали разрываемые кристаллы серы, нагреваемые трением руки [8, с. 162].
Необыкновенное свечение заинтересовало ученых. Изучение необычных источников света было в большом ходу у ученых XVII столетия. В 1630 г. некий башмачник Каскариоло, производя алхимические опыты, заметил, что тяжелый шпат, находящийся близ г. Болоньи, побывав на солнце, излучает затем свет в темноте. Эту загадку пытается разрешить Г. Галилей. В 1669 г. гамбургский купец, пытавшийся алхимией поправить свои торговые дела, открыл светящийся фосфор. В 1675 г. французский астроном Жан Пикар, ночью перенося с места на место ртутный барометр, обратил внимание на свечение ртути в торичеллиевой пустоте. Свечение Герике и свечение Пикара впоследствии оказалобыкновенные источники света интересовали И. Ньютона, работающего в то время над своей «Оптикой». Непосредственно же выяснением причин появления света в опыте Пикара занялся технический помощник Ньютона Ф. Гауксби, построивший для этого специальную машину с натираемым полым стеклянным шаром. Наука получила при этом мощный и удобный источник электрических зарядов. Машину Гауксби можно было использовать как электрический генератор [2, с. 138].
Как недальновидно отнеслись к трудам Герике – великого немецкого естествоиспытателя – в области электричества, свидетельствует фраза одного его соотечественника: «К сожалению, Герике в этом вопросе не уделили того внимания, которое оказали его воздушному насосу и магдебургским полушариям. Профаны не могли следовать за ним в этой области, а ученые дали открытиям Герике покрыться пылью забвения» [9]. Горькие, но справедливые слова.
У порога большого открытия
Приводимый ниже опыт О. Герике не совсем относится к числу электрических. Тем не менее приводим его именно здесь. Почему? Обратимся к книге итальянского историка физики М. Льоцци, где можно прочитать следующее: «Мы хотим специально напомнить об одном опыте, который тогда остался незамеченным, но был вновь повторен и использован Вильсоном в одном из наиболее ценных приборов ядерной физики. Герике соединил перемычкой два сосуда, снабженных кранами, из которых нижний был откачан , а верхний содержал воздух. Затем он открыл краны, связав между собой эти сосуды» (рис. 3). В верхнем сосуде образовалось, – как писал Герике, – «маленькое небо», которое сначала было покрыто тучами, а потом медленно прояснилось» [10].
Это важнейший опыт термодинамики. Если водяные пары не насыщены, то есть не очень близки к переходу в жидкое состояние, и их внезапно расширить (адиабатически, без доступа тепла извне), то они доходят до насыщения и внутри пара образуются капельки воды, совокупность которых представляется в виде тумана. Это и наблюдал Герике.
А в 1897 г. английский физик Чарльз Вильсон (1869 – 1935) открыл, что в воздухе с насыщенным водяным паром электрически заряженные частицы становятся центрами конденсации пара: ион (электрон) притягивает к себе молекулы пара и начинаются образования воды, которые в отличие от пара видны человеческому глазу (пар бесцветен). Так что вдоль всего пути частицы образуется полоска тумана, которая хорошо видна. Если ее ярко осветить, то можно сфотографировать и таким образом получить изображение пути частицы, его длины и формы. На этом и основан прибор – камера Вильсона, за создание которого Ч. Вильсон, впрочем, как и Р. Милликен, за определение заряда электрона, были удостоены Нобелевской премии.
Если бы у Герике находился какой-нибудь радиоактивный элемент и он поместил его в верхний шар своей установки, то тоже смог бы наблюдать пути альфа-частиц, как это изображено на рис. 4 [11].
Список литературы
1. Аристотель, Сочинения в 4-х томах. Т.З. – М., Мысль. – 1991, с.95, с. 355.
3. Жизнь науки. Антология вступлений к классике естествознания. – М.: Наука, 1973, с. 81.
4. Гильберт В. О магните, магнитных телах и о большом магните Земле. – М.: АН СССР, 1956, с. 86.
5. Шарле Д, Серный шар бургомистра. Connect! Мир связи, 2000, № 2. с. 117–119.
6. Дуков В.М. Электрон. История открытия и изучения свойств. М., Просвещение, 1960, с. 157–165.
7. Рихман Г.В. Труды по физике. – М., АН СССР, 1956, с. 230.
8. Розенбергер Ф. История физики, часть 2. – М-Л., 1933, с. 162.
9. Даннеман Ф. История естествознания. Т. 2. – М-Л., 1936, с. 92–93.
10. Льоцци М. История физики. – М.. Мир, 1970, с. 104.
11. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 1. Изд. 7. – М-Л., 1933, с. 465–466.