Лишь М.В. Ломоносов настаивал на единстве электричества, магнетизма и света, считая, что все эти явления есть процессы, происходящие в эфире. Если Эпинус развивал ньютоновское представление о дальнодействии, то Ломоносов стоял на принципах, примыкающих к близкодействию, предвосхищая в своих догадках на 100 лет идеи Максвелла. Высказывания Ломоносова не получили широкой известности, и даже на родине они не были поняты и оценены.
Итак, в XVIII в. господствовало убеждение, что электричество и магнетизм – это особые материальные субстанции; взаимосвязь электричества и магнетизма отрицалась; проблема передачи действия решалась в духе дальнодействия.
Позиции дальнодействия укрепляются еще больше после открытия закона взаимодействия зарядов. Изучая проблемы кручения нитей, французский ученый Шарль Кулон (1736-1806) обнаруживает, что угол закручивания нити пропорционален моменту приложенных сил, и это наталкивает его на создание точнейших крутильных весов (с чувствительностью 10 -7 г/град) для измерения сил по углу закручивания. С помощью этих весов он устанавливает закон взаимодействия зарядов и магнитных полюсов, характеризуемых так называемыми “магнитными массами” m. Открытые им законы поражали тем, что повторяли “по форме” закон тяготения Ньютона:
q 1 q 2 m 1 m 2
F ЭЛ. = k и F М = k`
r 2 r 2
(Как было не увериться еще раз в справедливости дальнодействия Ньютона!)
Начался XIX в., а понятия поля в физике еще не существовало и не только из-за господства дальнодействия, но и из-за незнания связи электричества и магнетизма. О связи между этими явлениями не знали потому, что изучали фактически области электро- и магнитостатики, а ведь электромагнетизм является динамическим эффектом, связанным с движением зарядов, т.е. с током. Но электрического тока как объекта изучения в физике еще не было, так как не существовало источника постоянного длительного тока – конденсатор же давал лишь кратковременный разряд. Начало изучения постоянного электрического тока связано с именами двух итальянских ученых – Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.
4. Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля.
Луиджи Гальвани (1737-1798) – анатом по профессии. Случилось так, что при препарировании лягушек в его лаборатории кто-то привел в действие электрическую машину. В момент проскакивания электрической искры мышцы препарированной лягушки, к которой в это время прикасались скальпелем, стали сокращаться. Как было не заинтересоваться этим – может быть электричество оживляет организм? Гальвани вывешивал препарированные лапки лягушки на открытом воздухе, чтобы проверить, будет ли возникать эффект под действием атмосферного электричества во время грозы. Мышцы во время грозового разряда сокращались. Но к удивлению ученого, они сокращались и при ясной погоде. Причина была в том, что лапки подвешивались на медных крючках к железной ограде и при контакте разнородных металлов возникала разность потенциалов, вызывающая раздражение нервов и потому сокращение мышц.
Гальвани же сделал вывод о существовании “животного электричества”, считая, что мышца и нерв есть своеобразная лейденская банка, источник электричества, замыкаемый проводником. Открытие Гальвани вызвало бурю страстей, сравнимую, по свидетельству современников, лишь с бурей, вызванной французской революцией. И не мудрено: если “оживают” ткани лягушек, так, может быть, можно воскрешать электричеством мертвых?
От искушения повторить опыты Гальвани не устоял и сорока шестилетний профессор А. Вольта (1745-1827), известный к этому времени ученый, изобретатель электрофора, талантливейший лектор, в аудиторию которого собирались не только со всей Италии, но и из других европейских стран. Он обратил внимание на то, что содрогание лапок лягушки наблюдается лишь тогда, когда нерв и мышцы соединяются разнородными материалами.
Первые опыты Вольта очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую – под него; при соединении их проволокой ощущался такой же вкус, как и при “пробовании на язык” проводов от известных в то время источников электричества. В результате ряда опытов Вольта убедился в том, что ткани организма не источник, а индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов. Открыв контактное электричество, Вольта создает к 1800 г. первый источник постоянного тока – “вольтов столб”, состоящий из стопы чередующихся цинковых и серебряных кружков, разделенных картонками, смоченными соленой водой. По его предложению получаемое таким образом, электричество называют гальваническим (в дань уважения к тому, чьи опыты натолкнули Вольта на открытия).
Эти открытия приносят Вольта необычайную славу. Наполеон приглашает его в Париж, где его осыпают почестями и наградами, избирают членом сената. Но к чести Вольта, почести не вскружили ему голову. Он чуждался всей той шумихи, которая создавалась вокруг него, предпочитая свою лабораторию дворцам и гостиным, и до конца своих дней сохранил честность, бескорыстие и прямоту.
Создание длительно действующего источника электричества позволило начать изучение действий постоянного электрического тока. Прежде всего устанавливается химическое действие (сначала разложение воды на кислород и водород, а затем выделение из щелочи новых элементов Na и K – Дэви, 1808 г.). Обнаруживается и тепловое действие (нагревание проводников током, электрическая дуга, полученная в 1803 г. петербургским профессором В.В. Петровым, который построил самую большую в то время батарею из 2100 элементов). А с 1820 г. начинается целая цепь открытий, знаменующих появление новой области – электромагнетизма, и вплотную подводящих физику к понятию поля.
Изучение электромагнетизма. Эрстед. Ампер.
В 1808 г. к причалу одного из французских портов едва добрался своим ходом полуразрушенный молнией военный корабль. На борт его поднялась комиссия, в состав которой входил Франсуа Араго, блестящий ученый, ставший в 23 года академиком, человек необычайного темперамента. Араго обратил внимание, что стрелки всех компасов были перемагничены в результате удара молнии. Подобных фактов к этому времени у Араго накопилось изрядное количество. Казалось бы, вывод о связи электричества и магнетизма напрашивается сам собой, но Араго не сумел его сделать: ведь электрическая природа молнии была не так давно доказана Франклином и это еще требовало осмысления.
Честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому ученому Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851). Диалектическая идея о взаимосвязи явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставляла его целенаправленно искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего открытия он пишет: “Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит”. Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.
15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника током. Вблизи установки находилась магнитная стрелка, и кто-то из наблюдательных студентов обратил внимание, что при прохождение тока стрелка поворачивалась (правда, это не единственная версия по поводу данного открытия). Эрстед тщательно изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение (21 июля 1820г.).
Открытие Эрстеда вызвало сенсацию. В августе 1820 г., через несколько дней после публикации Эрстеда, опыт производится на Женевском съезде естествоиспытателей, в котором участвует Араго. А 11 сентября на заседании Французской академии Араго уже ставит опыт Эрстеда. В числе других его с волнением наблюдает и Ампер (1775-1836), которому суждено было глубже других понять суть нового открытия и заложить основы электромагнетизма – учения, вершиной которого стала теория создания электромагнитного поля. Теперь счет истории создания нового направления исследований идет уже по дням. 11 сентября Ампер наблюдает опыт Эрстеда в исполнении Араго, а на следующем заседании академии – 18 сентября сам выступает с докладом, в котором выдвигает мысль о том, что поскольку ток вызывает ориентацию магнитной стрелки, то и ориентация стрелки компаса под действием земного магнетизма вызвана токами, текущими в Земле с востока на запад. Но тогда логично предположить, что и магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых токов, циркулирующих в магните в плоскостях, перпендикулярных его оси. А тогда взаимодействие магнитов есть, по сути дела, взаимодействие циркулирующих в них “молекулярных токов”, т.е. ток должен действовать на ток. Если выдвинутые гипотезы верны, то нет нужды в “магнитных жидкостях”, “магнитных истечениях”, с помощью которых по традиции и объяснялись магнитные взаимодействия.
Ампер смело выступает против освященных десятилетиями традиционных взглядов. Эта смелость идет не только от оригинальности и широты мышления гения, но и в значительной мере от мировоззрения Ампера. Он – сторонник ньютоновского метода принципов, согласно которому незачем выдумывать излишних гипотез. Руководствуясь идеей общности в явлениях природы и принципом “природа не излишествует в причинах”, он был против введения множества невесомых: “Разве надо для каждой новой группы
явлений придумывать специальный флюид!” Ампер видит задачу физики в том, чтобы “свести к минимуму число принципов, объясняющих физические явления”. Его исходная идея о том, что все многообразие явлений взаимодействия магнитов, магнитов и токов можно свести к взаимодействию токов, означала устранение излишних гипотез и сведение многообразия к единой основе. Но эта исходная идея нуждалась в экспериментальном исследовании, и вся неделя с 18 по 25 сентября была посвящена этому. 25 сентября Ампер продемонстрировал свои знаменитые опыты. Спираль с током действует на магнитную стрелку так же, как и полосовой магнит. Спираль ориентируется в магнитном поле Земли подобно стрелке компаса, а две спирали взаимодействуют подобно полосовым магнитам. Позднее он осуществил и взаимодействие прямых проводников с током. Ему возражали: “Это взаимодействие электрическое”, но он показывал, что одинаково заряженные проводники должны отталкиваться, а у него одинаковые по направлению токи притягиваются, т.е. он впервые разграничил электростатические и электродинамические явления (термины введены Ампером). Затем Ампер впервые вывел формулу для расчета силы взаимодействия двух элементов тока, на основе которой путем суммирования взаимодействия всех элементов можно получить формулы для определения сил взаимодействия конечных проводников с током любой конфигурации – знаменитый закон Ампера.