Глава 17
Яркие искры

Думали ли вы когда-нибудь, что такое на самом деле вспышка молнии и почему следом за ней всегда раздается удар грома? Грандиозные явления, связанные с грозой, происходят обычно высоко в небе и выглядят очень впечатляюще, даже если вы знаете, что за ними кроется.

Но время от времени молнии ударяют в землю, и ученые в начале восемнадцатого века принялись думать о том, как бы заполучить электричество себе «в дом» и хорошенько изучить, разобраться с его загадками.

Другой большой научной проблемой того времени был магнетизм.

Древние греки знали, что если хорошенько потереть кусочек янтаря (желтоватый полудрагоценный камень), то он начнет притягивать маленькие объекты, расположенные по соседству. Но причину этой силы не могли объяснить ни они, ни люди Средневековья. Казалось, что она отличается от постоянной силы другого камня, магнетита, способного притягивать предметы, сделанные из железа.

Полярная звезда указывала путь, находясь на небе, магнетит помогал путешественникам, пребывая в их собственных руках: небольшой кусочек минерала определенной формы, помещенный так, что он мог свободно вращаться, всегда укажет на магнитный полюс. Магнетит также использовали, чтобы намагничивать иголки, и ко времени Коперника, в середине шестнадцатого века примитивные компасы использовались моряками, чтобы определять курс, поскольку намагниченная игла компаса всегда указывала на север.

Английский врач Уильям Гилберт писал обо всем этом в районе 1600 года, и тогда же появилось слово «магнетизм». И электричество, и магнетизм позволяли показывать разные фокусы, бывшие популярным развлечением не только во время научных лекций, но и на вечеринках в высшем свете.

Довольно быстро научились устраивать более эффективные трюки, вращая сделанный из стекла шар и натирая его в процессе вращения. В этом случае можно было чувствовать покалывание и даже видеть искры, возникавшие на стеклянной поверхности.

Это устройство позволило создать то, что мы именуем «Лейденской банкой»; название пришло от города в Нидерландах, именно там профессор местного университета и придумал ее около 1745 года. Банка была наполовину заполнена водой и с помощью провода присоединена к порождающей электричество машине.

Соединяющий материал был назван «проводником», поскольку он позволял таинственной силе переходить в банку, где она и могла храниться некоторое время. Ассистент профессора, коснувшийся бока сосуда и провода одновременно, получил такой электрический удар, что подумал – весь заряд перешел на него.

Отчет об этом эксперименте вызвал сенсацию, и Лейденская банка стала модной. Однажды десять монахов соединили руки, и когда первый коснулся сосуда и проводника, то разряд прошел через всех одновременно. Электрошок, по всей видимости, мог неким образом передаваться от человека к человеку.

Но что в этом случае происходило на самом деле?

Если отставить в сторону игры с искрами, то на кону стояли серьезные научные вопросы. Существовало множество теорий, объясняющих электричество и магнетизм, но хоть какой-то порядок в эту область исследований внес Бенджамин Франклин (1706–1790). Известен он в первую очередь как политический деятель эпохи образования США, помогавший писать Декларацию независимости (1776) после того, как бывшие колонии освободились от власти Британской империи.

Франклин был остроумен, популярен, обладал большой житейской мудростью, любил изречения типа «время – деньги» и «в этом мире нет ничего определенного, кроме смерти и налогов». В следующий раз, когда увидите человека в кресле-качалке или бифокальных очках, вспомните о Франклине, ведь именно он изобрел и то, и другое.

Он был по большому счету самоучкой, но знал очень много, в том числе и о науке. Чувствовал себя одинаково как дома и во Франции, и в Англии, и в Америке, и находился во Франции, когда провел свой самый знаменитый опыт с молнией.

Подобно множеству людей в середине восемнадцатого века Франклин интересовался Лейденской банкой и тем, что можно показать с ее помощью, и именно в его руках этот прибор раскрыл весь потенциал. Во-первых, он понял, что вещи могут нести либо положительный, либо отрицательный заряд – как это видно по маркировке на батарейках. Внутренности Лейденской банки, соединяющий провод и вода были электрически положительными, – утверждал он, в то время как внешняя поверхность несла отрицательный заряд. Плюс и минус имели одинаковую силу и уравновешивали друг друга.

Дальнейшие эксперименты убедили Франклина, что вся энергия банки сосредоточена в стекле, и он создал первый образец батареи (и изобрел слово), поместив кусок стекла между двумя свинцовыми пластинами. Когда он присоединил это устройство к источнику электричества, то оказалось, что его можно заряжать и разряжать.

К сожалению, дальнейших исследований в этом направлении он не проводил.

Франклин был не первым, кто пытался решить задачу о связи между искрами, созданными с помощью машин на земле, и огромными искрами в небесах, которые мы именуем молниями. Но он стал первым, кто приложил к проблеме знания, полученные при работе с Лейденской банкой, и попытался разобраться, как же связаны два явления.

Франклин замыслил хитроумный, но в то же время опасный эксперимент.

Он утверждал, что электричество атмосферы собирается на краях облаков точно так же, как в Лейденской банке оно сосредотачивается на стекле. И когда два скользящих по небу облака сталкиваются во время грозы, происходит разряд – вспышка молнии. Отправив к тучам летающего змея. Франклин мог доказать, что его гипотеза является верной.

Но человек, управляющий змеем, должен быть должным образом изолирован от электричества (с помощью покрытой парафином рукоятки, к которой привязана веревка) и «заземлен» (куском провода, прикрепленного к телу и уходящего в землю). Без всех этих предосторожностей электрошок может убить экспериментатора, и в самом деле один неудачливый ученый погиб, поскольку не следовал инструкциям Франклина.

Опыт со змеем убедил Франклина, что электричество молний во всем подобно электричеству Лейденской банки.

Сначала движение и притяжение, теперь электричество, вещи в небесах и на земле уже не в первый раз объяснялись с помощью одних и тех же принципов.

Работа Франклина с электричеством имела немедленные практические последствия. Он показал, что металлический шест с острым концом проводит электричество в землю и, если такую штуку поставить на крышу дома, да еще изолировать проведенный от нее к почве провод, ударившая молния не подожжет здание, а уйдет в землю без следа.

А в то время пожары во время гроз являлись серьезной проблемой, ведь строили большей частью из дерева, а крыши были тростниковые или соломенные.

Громоотводы, как назвали это устройство, действуют именно по этому принципу, и мы до сих пор используем слово «земля» для отрезка изолированного провода в наших розетках – его задача состоит в том, чтобы отводить избыточное электричество от таких приборов, как стиральные машины и холодильники.

Франклин поставил громоотвод на собственной крыше, и идея прижилась.

Таковы оказались первые важные результаты того, что ученые проникли в природу электричества.

Изучение электричества было одной из самых волнующих областей науки в восемнадцатом веке, и многие «электрики», как их называли, внесли достаточно серьезный вклад, чтобы он ощущался до сих пор.

Но три человека «наследили» куда больше остальных.

Первым был Луиджи Гальвани (1737–1798), врач, любивший возиться с электрическими устройствами и животными. Он практиковал медицину и учил одновременно анатомии и акушерскому делу (раздел медицины, связанный с рождением детей) в университете Болоньи, но свободное время посвящал исследованиям в области физиологии.

Исследуя связь между мускулами и нервами, он открыл, что мышцы лягушки можно заставить сокращаться, если подсоединить нервы к проводу, идущему от источника электричества. После дальнейших опытов он соединил мускулы с Лейденской банкой, способной генерировать разряд электричества.

Оно, по мнению Гальвани, оказалось важной частью живых организмов, и именно «животное электричество» – такой термин предложил ученый – выглядело для него ключевым элементом в функционировании организмов. И в этом Гальвани не ошибался.

Статические разряды, происходящие, когда разряжается электричество, собранное на поверхности некоего объекта, до сих пор именуют «гальваническим ударом». Электрики и ученые используют гальванометры для измерения силы тока.

Статьи Гальвани насчет «животного электричества» вызвали настоящую волну критики, и одним из критиков стал Алессандро Вольта (1757–1827), ученый из города Комо в северной Италии. Вольта был невысокого мнения о врачах, которые балуются физикой, и он решил доказать, что животное электричество не существует.

Вольта и Гальвани сошлись в публичных дебатах по поводу того, как нужно интерпретировать опыты последнего. В процессе работы, нацеленной на то, чтобы дискредитировать конкурента. Вольта изучал электрического угря, который, и это очевидно, производит электричество. Он верил, если показать, что даже это животное не обладает «животным электричеством» Гальвани, то вся его концепция развалится.

Но более важным оказалось то, что Вольта обнаружил – если последовательно расположить пластины цинка и серебра, разделив их прослойкой из сырого картона, можно получить постоянный поток электричества через все слои такого устройства. Ученый послал новость о своем изобретении, которое он назвал «столбом», в Лондонское королевское общество.

Подобно Лейденской банке Вольтов столб вызвал сенсацию в Англии и Франции.

В это время Франция была очень занята завоеваниями в Северной Италии, и французский император Наполеон Бонапарт наградил итальянского ученого за его изобретение, поскольку оно позволило создать надежный источник электричества для экспериментальных целей. Вольтов столб сыграл важную роль в химии начала девятнадцатого века, он стал практическим развитием идеи Франклина о «батарее», и в этом облике является значимой частью нашей повседневной жизни.

Мы помним Вольту еще и потому, что он оставил нам слово «вольт», обозначающее единицу измерения электрического напряжения – посмотрите в следующий раз на упаковку, когда будете покупать батарейки.

Третий великий «электрик» (и прекрасный математик) также дал имя одной из единиц измерения, связанных с электричеством: от Андре-Мари Ампера (1775–1836) произошло слово «ампер». Он жил в тяжелые времена Французской революции и того, что за ней последовало, его отец лишился головы на гильотине.

Личная жизнь Ампера тоже выглядела не особенно весело, его любимая первая жена умерла после рождения третьего ребенка, второй брак оказался неудачным и закончился разводом. Дети пошли по дурной дорожке, и ему постоянно не хватало денег.

Посреди этого хаоса Ампер сумел открыть фундаментальные вещи, связанные с математикой, химией и с тем, что мы называем электродинамикой. Эта область науки связывает вместе электричество и магнетизм. Она сложна, но простые и в то же время элегантные опыты Ампера показали, что магнетизм имеет электрическую природу.

Его работа стала основой для исследований Фарадея и Максвелла, и мы поговорим о ней подробнее, когда доберемся до этих гигантов электромагнетизма. Хотя ученые более позднего времени показали, что отдельные моменты в теориях Ампера не соответствуют действительности, он обеспечил точку отсчета для многих коллег, работавших в той же области, и важно помнить, что наука помимо прочего иногда заключается и в ошибках.

Ко времени Ампера электричество прошло долгий путь к тому, чтобы стать ручным. Эксперименты Франклина были любительскими, и, несмотря на всю их важность, американский ученый не может встать рядом с Гальвани. Вольтой и Ампером, они использовали более сложное оборудование и трудились в лабораториях.

В споре Гальвани и Вольты именно первый оказался победителем, поскольку сейчас мы знаем, что электричество играет важную роль во взаимодействии мускулов и нервов.