В поисках природы новой силы

Если в XVII веке большинство необъяснимых явлений природы, наблюдаемых на Земле, пытались отнести на счет воздушного давления, то сто лет спустя место давления заняло электричество. Ведь до Франклина представления большинства исследователей о природе электричества были чрезвычайно смутными.

Действию новой электрической силы пытались приписать, например, землетрясения. «Разве не могут пустоты и полости внутри Земли, заполненные водой, играть роль усилительных лейденских банок?» – спрашивали сторонники этой гипотезы. «Землетрясения происходят при выравнивании электричества между земной корой и атмосферой!» – утверждали другие. Третьи видели в электричестве причины испарения воды и выпадения дождя. Одна за другой возникло несколько теорий электричества, построенных на основе механических представлений.

Электрическое притяжение пытались объяснить истечением особых частиц. Потом вездесущий аббат Нолле изобрел чисто умозрительную теорию одновременного оттока и притока электрической материи. Его измышления не в состоянии были объяснить ни разницы между «смоляным» и «стеклянным» электричеством, ни работы электрической машины и лейденской банки. Англичанин Уильям Уотсон, обнаруживший, что кожаную подушку, натирающую стеклянный диск электрической машины, следует заземлять, заявил, что электричество рождается вовсе не от трения, а получается из земли и переходит с помощью натирающей поверхности на стеклянный диск.

Сам же Франклин предполагал, что «в природе существует особая «электрическая субстанция», отличная от обыкновенной материи в том отношении, что частицы последней взаимно притягиваются, а частицы первой взаимно отталкиваются друг от друга». Он полагал, что субстанция состоит «из чрезвычайно малых частиц, так как они способны проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой, как бы не встречая при этом сколько-нибудь заметного сопротивления».

При этом распределяется электричество только по поверхности тела, как растекающаяся жидкость, образуя в окружающем пространстве «электрическую атмосферу».

Против взглядов Франклина выступили аббат Нолле и многие его сторонники. Французам не нравилось появление в теории американца сил притяжения и отталкивания. Это придавало теории ньютонианский характер. Франция же в те годы воевала с англичанами в Индии, и все английское было на континенте мало популярным. Французские естествоиспытатели предпочитали видеть сущность электричества не в процессах, которые зарождаются и происходят в самих телах, а в том, что делается в окружающем эти тела пространстве.

Неожиданную поддержку теория Франклина получила в работе Франца Ульриха Теодора Эпинуса. В Берлине профессор астрономии и доктор медицины Эпинус вместе со своим учеником Иоганном Вильке исследовал турмалин и открыл его необычные электрические свойства. Так было открыто еще одно проявление загадочных электрических сил.

В начале XVIII века в брошюре с забавным названием «Курьезные спекуляции (или умозрения) любителя, который охотно всегда размышляет в бессонные ночи» появилось сообщение о том, что голландцы привезли с острова Цейлон камень турмалин, который, будучи нагрет, притягивает и отталкивает частички золы. Силу притяжения турмалина считали магнитной.

После серии опытов Эпинусу и Вильке удалось выяснить, что при неравномерном нагреве минерала на его противоположных сторонах возникают разноименные электрические заряды. Это означало, что притяжение турмалина имеет электрическую природу, а не магнитную.

Пройдут годы, и эффект, наблюдавшийся в турмалине, будет открыт еще раз в других веществах и получит название пироэлектричества от греческого слова «пиро» – «огонь».

В 1756 году уже в Петербурге, куда перебрался Эпинус, заняв после гибели Рихмана должность заведующего физическим кабинетом Академии наук, вышел его трактат «Опыт теории электричества и магнетизма». Во введении автор рассказывает, как открытый им эффект в турмалине натолкнул его на мысль о глубоком сходстве электрических и магнитных явлений. Ведь до этого только магнит имел всегда два полюса, а теперь и нагретый турмалин оказался обладателем дипольного эффекта. Вот только почему? В чем причина обнаруженного явления?

Ученый отказывался даже от обсуждения природы сил притяжения и отталкивания. Он ссылался на Ньютона, который также не занимался выяснением причин всемирного тяготения. Однако при более внимательном прочтении из текста «трактата» можно было понять, что силы притяжения и отталкивания, действующие на расстоянии, являются универсальным свойством электрических зарядов, точно так же как притяжение – универсальное свойство тел в механике Ньютона. За субстанцию, обладающую свойствами электрического притяжения и отталкивания, Эпинус принимал некую единую электрическую жидкость, предложенную Франклином.

По аналогии с гипотезами, высказанными в теории электричества, Эпинус строил и теорию магнетизма. Он предполагал существование магнитной жидкости, частицы которой взаимно отталкиваются. Все тела он делил на безразличные к частицам магнитной жидкости и притягивающие магнитную жидкость.

Правда, закон Ньютона утверждал, что все тела природы связаны друг с другом силами притяжения. По теории же Эпинуса частицы должны отталкиваться друг от друга. Это обстоятельство смущало всех, включая и самого автора теории.

Работы Эпинуса сразу же стали широко известны и оказали влияние как на взгляды физиков его времени, так и на дальнейшее развитие науки об электричестве. Эпинус едва ли не первым применил математику для описания электрических и магнитных явлений. И это позволило ему сделать много очень интересных предположений, предвосхитивших будущие открытия. На его выводы ссылались Кавендиш и Кулон, о его теории писали французские академики Лаплас, Кузен и Лежандр. О нем упоминали Вольта и Фарадей.

До появления работы Эпинуса физики были уверены, что взаимодействие наэлектризованных тел с ненаэлектризованными вполне возможно. Эпинус же утверждал, что лишь после того, как заряд одного тела вызовет появление заряда на другом, они приходят во взаимодействие. Это было совершенно новым представлением, которое пришлось весьма кстати впоследствии, когда были открыты явления электрической и магнитной индукции и поляризации тел.

Интересно и его утверждение о том, что электрическая материя существует только в телах и отсутствует в пространстве, где действуют электрические силы. Здесь Эпинус довольно близко подходит к понятию электрического и магнитного поля, которое возникло и получило развитие в физике следующего столетия в работах Максвелла.

Сам Эпинус недолго занимался в России научной деятельностью. По желанию Екатерины II он в 1765 году принял на себя заботу о воспитании великого князя Павла Петровича. И с тех пор занимался государственной деятельностью в столичном бюрократическом аппарате.

Занятый придворными интригами, участник множества начинаний, Эпинус мало внимания уделял своей должности профессора физики в академии. Это приводило его к частым столкновениям с Ломоносовым. Взаимоотношения обоих ученых оставляли желать лучшего на протяжении всего их совместного существования в академии.

Когда люди знают мало, они придумывают гипотезы. А если впереди гипотезы шествует еще и теория, то, значит, люди об этом вопросе знают еще меньше. Справедливости ради нужно рассказать о возникновении еще одной теории электричества, очень сходной с теорией Дюфе, но родившейся независимо и не во Франции, а в Англии. Эта теория сыграла немаловажную роль в установлении взглядов на природу электричества.

Случилось это так. Во время одного из заседаний Лондонского королевского общества сэр Роберт Симмер показал коллегам вовсе не значительный опыт: электрической искрой он пробил бумагу. Края отверстия оказались загнутыми в обе стороны. Почему?

Джентльмены пожали плечами. Что же, по-видимому, это еще одна загадка таинственного электричества. Многие явления пока что не находят толкований, а если и объясняются как-то существующими теориями, то настолько туманно, что даже сами авторы теорий пишут эти объяснения неохотно.

– Я могу вполне ясно объяснить любое из указанных явлений, джентльмены, – спокойно ответил сэр Роберт, поднимаясь со своего места и подходя к столу. – Но сначала еще один опыт…

Он взял стул и поставил его на стол. После этого естествоиспытатель с великим кряхтением, ибо был он человеком уже немолодым, взобрался туда же, утвердился на стуле и попросил погасить свечи.

Заинтересованные члены общества столпились вокруг. Сэр Роберт снял башмаки. А когда он начал стягивать с ног чулки, кое-кто из присутствующих подался назад. Странное чудачество? Впрочем, англичане уважают чудаков. Даже считают, что чудаки движут прогресс.

Сэр Роберт носил две пары шелковых чулок. На одной ноге у него было два белых чулка, а на второй под белым скрывался черный. Присутствующие не без удивления заметили, что при стаскивании одного чулка с другого между ними пробегали электрические искорки. Впрочем, что же удивительного? Ведь сэр Роберт трением наэлектризовал свою одежду. Но вот чулки сняты!…

– Прошу свет!

Свечи были зажжены и поставлены на стол. И все увидели, что снятые чулки надулись, как бычьи пузыри, так что их можно было поставить стоймя. Но главное было не в этом. Симмер поднес два белых чулка друг к другу. Они оттолкнулись и стремительно разошлись в разные стороны.

– Точно так же отталкиваются друг от друга и черные чулки, – лаконично поведал он присутствующим.

Однако стоило ему поднести белый чулок к черному, как тот к нему немедленно притянулся.

– В чем причина различного поведения чулок, отличающихся только цветом, джентльмены?

Ошеломленные джентльмены молчали. Тогда сэр Роберт продолжил:

– По-видимому, в составе краски?.. Но кто не знает, что черную краску получают красильщики из чернильных орешков и железного купороса? Где же здесь причина притяжения и отталкивания?.. А вот не означает ли продемонстрированный опыт, что в своем естественном (ненаэлектризованном) состоянии все тела содержат в себе два рода электричества – положительное и отрицательное, которые и переходят при трении с тела на тело. И если на теле скопился избыток одного из видов электричества, оно проявляет действия наэлектризованного.

– Браво, сэр Роберт! Это предположение действительно объясняет причины притяжения и отталкивания наэлектризованных разными родами электричества тел.

Так возникла еще одна теория о существовании двух противоположных и нейтрализующих друг друга видах электричества – положительном и отрицательном. Ведь Роберт Симмер не знал, что за двадцать лет до него французский естествоиспытатель Жан Дюфе уже выдвигал подобную гипотезу.

Вначале ученые считали, что унитарная и дуалистическая гипотезы примерно одинаково объясняют наблюдаемые электрические явления. Но скоро обнаружилось, что с помощью взглядов Дюфе-Сим-мера легче объяснить целый ряд явлений, не поддающихся теории единой жидкости. Легче оказалось понять индукцию, то есть электризацию через влияние. А растолковать непонятное до сих пор отталкивание отрицательно заряженных тел с помощью двух видов электричества просто ничего не стоило. Нет, нет, определенно очень многое из того, что являлось непреодолимым для унитарной гипотезы, дуалистическая гипотеза объясняла запросто. Были и другие проблемы, разрешившиеся с введением новых взглядов.

Однако время гипотез закончилось. Все острее ощущали исследователи необходимость научиться измерять и рассчитывать силы, определяющие взаимодействие между наэлектризованными телами. «Современные теории, – писал известный английский ученый Джозеф Пристли в 1767 году в своей ранней работе «История электричества», – не могут дать нам ничего лучшего, как лишь навести нас на новые эксперименты». Для того чтобы двигаться дальше, нужно было открыть количественные законы, которым бы подчинялись электрические силы. Нужно было научиться считать!..