О возможной связи тяготения и электричества

Старое и неизменное убеждение, что все силы природы зависят друг от друга, имея общее происхождение или, скорее, будучи различными проявлениями одной основной силы, часто заставляло меня думать о возможности доказать на опыте связь между тяжестью и электричеством и таким образом ввести первую в группу, цепь которой, включая магнетизм, химическую силу и теплоту, связывает вместе общими отношениями многие различные проявления силы. Хотя исследования, произведенные мной с этой целью, привели лишь к отрицательным результатам, но я думаю, что будет полезно краткое изложение этого предмета, как он представляется мне, и результата опытов, которые сначала внушали много надежд, но после тщательного исследования источников ошибок сохранили лишь ограниченное значение. Это будет общее изложение проблемы и побудит других к ее рассмотрению.

В поисках принципа, на котором могло бы быть основано опытное исследование для отождествления или связи обеих сил, казалось, что если существует такая связь, то в тяготении должно быть нечто, соответствующее двойственной или антитетической природе форм силы в электричестве и магнетизме. Мне казалось возможным, что подчинение действию силы или сближение тяготеющих тел, с одной стороны, и обратное действие силы или разделение тел – с другой, представляют возможные пункты соответствия, причем покой (по сравнению с движением) представляет нейтральное состояние. Конечная неизменность тяготения казалось не противоречила такому предположению, ибо действующие тела в покое всегда имеют ту же связь друг с другом, и только во время движения вперед и назад можно ожидать результатов, связанных с электричеством. Такие результаты, если они возможны, должны быть крайне малы, но если они возможны, т. е. истинны, то никакие слова не могут преувеличить значения связи, обнаруживаемой ими.

Мысль, на которой были основаны опыты, состояла в том, что когда два тела движутся друг к другу силой тяготения, то в них или в окружающей материи могут возникнуть электрические токи некоторого направления, а когда они добавочной силой движутся друг от друга против силы тяжести, то могут возникать токи обратного направления. Эти токи должны относиться к линии приближения и удаления, а не к пространству вообще, так что два тела, приближаясь друг к другу, должны иметь токи в противоположных направлениях к пространству вообще, но того же самого направления в отношении направления движения по линии, соединяющей их.

Излишне рассматривать далее предположения, которые возникают относительно этих пунктов или в связи с эффектом принудительных движений, совпадающих с земным тяготением или пересекающих его направление и многие другие вещи. Достаточно сказать, что так как ожидаемое действие должно быть чрезвычайно мало, то не было надежды добиться какого-либо результата иначе, как при помощи действия земного тяготения. Поэтому для опытов земля была взята в качестве одного тела, а определенная масса материи в качестве другого.

Прежде всего тело, предоставленное свободному падению, окружалось спиралью и затем исследовалось его падение. Тело могло падать вместе со спиралью или через нее. Изолированная медная проволока длиной в 350 футов, сматывалась в виде полой цилиндрической спирали длиной около 4 дюймов с внутренним диаметром в 1 дюйм и наружным в 2 дюйма. Она укреплялась на шнурке, проходящем по легкому блоку, так что спираль могла подниматься на 36 футов и затем падать с ускорением на весьма мягкую подушку, причем ее ось все время оставалась вертикальной. Длинные изолированные проволоки укреплялись на ее обоих концах и, будучи закручены друг около друга, прикреплялись к весьма чувствительному гальванометру, находившемуся в стороне от линии падения и на расстоянии около 50 футов от середины. Затем точность связи и направление иглы проверялись введением слабого термоэлектрического элемента в цепь тока. Такая спираль, поднимаясь или падая, не может вызвать отклонения гальванометра током, зависящим от земного магнетизма, ибо так как она остается параллельной себе во время падения, то линии равной магнитной силы, которые, будучи параллельны линии магнитного наклонения, пересекаются витками падающей спирали, перерезаются с одинаковой скоростью с обеих сторон спирали и, следовательно, не могут вызывать магнитоэлектрической индукции. Ни при подъеме, ни при падении эта спираль не обнаруживала следа действия на гальванометр, сохранялась ли все время связь с гальванометром или эта связь прерывалась как раз перед уменьшением или прекращением всякого движения, или же подъем и падение совпадали изохронно с колебаниями иглы гальванометра. Таким образом хотя в самой спирали не замечалось действие тяжести, однако в таком способе пользования ею не заключалось источника ошибок.

Затем в спираль был введен массивный медный цилиндр диаметром 8/4 дюйма и длиной 7 дюймов и тщательно укреплен в ней при помощи суконной обертки так, что он мог перемещаться, и эту сложную систему заставляли падать, как ранее. Получались весьма слабые, но замечательно правильные указания на ток в гальванометре, и их связь с тяготением представлялась тем более вероятной, когда оказалось, что при поднятии спирали или стержня появлялись такие же, но противоположного направления токи. Прошло известное время, пока я сумел отнести эти токи к их истинной причине, но, наконец, я открыл, что они связаны с действием части проволок, соединяющих спираль с гальванометром. Две проволоки обычно скручивались вместе, но благодаря частым падениям часть раскрутилась по середине, образуя нечто вроде петли, так что проволоки уже не были скручены подобно прядям каната, но расходились на протяжении 3 футов. При падении эта петля открывалась в той или иной степени, но всегда одинаковым образом, и в результате поперечная часть ее, наиболее удаленная от гальванометра, проходила большее пространство, нежели соответствующая более близкая к гальванометру часть. Но если бы они проходили равные пространства, то действие магнитных силовых линий земли на них было бы одинаково и не обнаружилось бы на гальванометре. На самом же деле образовались токи противоположных направлений, но неравной силы, и в результате возникал ток, равный их разности. Такой случай описан в моих прежних исследованиях о земной магнитоэлектрической индукции. Очевидно, что когда спираль и проволока поднимаются вверх, должен возникнуть ток обратного направления, и таким-то образом получился описанный обратный эффект. Поэтому введением медного стержня в спираль нельзя было получить позитивного доказательства в пользу первоначального допущения.

Медь была выбрана как тяжелое тело и отличный проводник электричества. Она заменялась висмутом в форме цилиндра тех же размеров, так как висмут чрезвычайно диамагнитен и дурной проводник среди металлов. Получались ненадежные эффекты, но при более внимательном и тщательном проведении опытов все эти эффекты исчезли, и подъем или падение висмута не оказывали никакого влияния на гальванометр.

Применялся также цилиндр из железа как магнитного металла, но если опыт проводился так, что исключалось всякое движение цилиндра относительно спирали, то получался тот же отрицательный результат, как в случае меди и висмута.

Применялись также цилиндры из стекла и шеллака как непроводящих веществ, но без успеха.

В других опытах спираль была укреплена неподвижно, и разные вещества в форме цилиндров диаметром 3–4 дюйма и длиной 24 дюйма пропускались через нее или поднимались также с ускорением, но ни в одном случае не было желаемого результата. Применялись стержни из меди, висмута, стекла, шеллака и серы. Эти стержни приводились в быстрое вращение до и во время падения. Придумывались и выполнялись много других условий, но всегда с отрицательными результатами, когда исключались или учитывались источники ошибок.

Первоначальное допущение о связи между силами рассматривалось также в отношении результатов, которых можно было ожидать при предположении наличия натяжения в частицах тела и вокруг них, которые, мы знаем, являются седалищем одновременно гравитационной и электрической сил и подвержены притяжению земли. Казалось вероятным, что торможение движения вверх и вниз по линии притяжения должно вызвать противоположные эффекты сравнительно с началом движения, безразлично, было ли торможение внезапным или постепенным. Когда движение вниз было быстрее сообщаемого тяготением, то действие было больше, чем в результате действия одного лишь тяготения, и соответственное увеличение скорости движения вверх давало пропорционально увеличенный эффект. При таких условиях была весьма полезна машина, могущая давать быструю смену движения вверх и вниз и таким образом производить много мелких единиц индуктивного действия в малом пространстве и в короткое время, ибо тогда с помощью надлежащих коммутаторов ускоренные и замедленные фазы каждой половины колебания могли бы разделяться и затем вновь сочетаться в один непрерывный ток; этот ток мог бы быть направлен через гальванометр тогда, когда его игла колебалась в некотором направлении, и затем обращен во время колебания в другом направлении. Такого рода смену можно было бы продолжить, пока эффект, если он вообще вызывается предполагаемой причиной, не становился бы заметным.

Применяя в такой машине цилиндры из железа, меди и других веществ, можно получить электрические токи различными путями. Так, железо могло вызывать магнитоэлектрические токи вследствие его поляризации под влиянием земли. Эти токи легко обнаружить и разделить с помощью надлежащих магнитов, которые должны нейтрализовать или обращать линии магнитной силы, проходящие через железо. Подобного рода токи, индуцированные в медных цилиндрах и хороших проводниках, могли также вызываться действием земли. Но так как линии силы тяжести и силовые линии земного магнетизма наклонены друг к другу, то токи могли быть разделены по своему положению, и по-видимому, здесь не было такого источника ошибок, которого нельзя было бы устранить. Я не хочу тратить времени на описание способов исключения ошибок, но сразу перейду к главным выводам.

В машину помещался медный цилиндр, причем спираль неподвижно укреплялась около него так, что цилиндр был в вертикальном положении и двигался внутри спирали вверх и вниз, параллельно линии силы тяжести. Как бы быстро ни работала машина и каково бы ни было положение коммутатора, это не обнаруживалось в гальванометре. Применялись также цилиндры из висмута, стекла, серы, гуттаперчи и пр., но всегда с отрицательным результатом.

Затем спираль снималась с неподвижного суппорта и укреплялась на медном цилиндре так, чтобы двигаться вместе с ним; тогда получались весьма правильные и сравнительно сильные эффекты. Но вскоре обнаружилось, что их необходимо приписать другим причинам, чем тяготение, и именно следующего рода. Спираль укреплялась на одном конце рычага на среднем расстоянии в 22 дюйма от его оси и при 2 дюймах в диаметре, ее проволоки отстояли с одной стороны на 21 дюйм, а с другой на 23 дюйма от рычага оси. Тогда при колебании части спирали передвигались со скоростями и на расстояния, соответствующие отношению 21:23. Поэтому когда их пути пересекали линии магнитной силы земли, то в различных частях стремились образоваться электрические токи, пропорциональные по качеству или силе этим числам, и разности этих токов, собираемые постоянно коммутатором, обнаруживались в гальванометре. Это становилось очевидным, когда машине придавали такое положение, что при плоскости колебаний по-прежнему вертикальной спираль помещалась как раз под центром движения, и, следовательно, средняя линия спирали вместо вертикальной делалась горизонтальной. Теперь витки спирали пересекали линии магнитной силы наиболее благоприятным образом, и в результате не требовалось коммутаторов, так как простого движения спирали в одном направлении было достаточно, чтобы обнаружить на гальванометре индуцированные магнитоэлектрические токи. Если же плоскость движения делалась горизонтальной, то никакое количество движения не возбуждало тока, ибо, хотя спираль была горизонтальна также и не более, чем прежде, но части (верхние и нижние) витков, пересекавшие магнитные линии силы, двигались теперь с совершенно одинаковой скоростью, так что не получалось разностного эффекта.

Поэтому вышеуказанный слабый эффект, вероятно, зависел от действия этого рода, и это подтвердилось при таком расположении машины, что ось движущегося медного цилиндра и спирали в ее среднем положении была параллельна линии магнитного наклонения. И в этом случае не получалось результата. Другие тела в том же положении равным образом не вызывали ожидаемого эффекта.

На этом кончаются мои исследования в настоящее время. Результаты отрицательны. Они не колеблют моего глубокого убеждения о существовании связи между тяготением и электричеством, хотя и не дают доказательств такой связи.

Королевский институт, 19 июля 1850 г.