Майкл Фарадей родился в XVIII веке в бедной английской семье, и ничто не предвещало того, что именно он воплотит в жизнь мечту об освещенном и движимом электроэнергией мире. Этот человек был, вероятно, величайшим из когда-либо живших гениев экспериментальной физики и химии. Его любопытство и упорство позволили раскрыть множество тайн электричества и магнетизма, а также глубинную связь этих двух явлений. Фарадей изобрел электродвигатель и динамо-машину — два устройства, революционно изменившие промышленность, а также сделал другие фундаментальные открытия. Герой этой книги был самоучкой, он многое постиг экспериментальным путем, поэтому одной из его важнейших задач стало распространение знаний о своих открытиях среди коллег и современников.
Введение
Планеты сформировались из элементов, варившихся в звездном котле. Некоторые из этих элементов были металлами и скрывались в недрах мира. Именно расплавленное металлическое ядро своим вращением превратило нашу планету в гигантский магнит. Все, что находится на Земле, окружено невидимым магнитным полем, образовавшимся вследствие движения незримых волн. Некоторые культуры, например китайская в классический период, смогли обнаружить это невидимое поле и даже использовали часть его свойств для навигации, но его природа оставалась загадкой в течение многих веков.
В XIX веке все известные знания об этом невидимом и неуловимом поле радикально изменились благодаря оригинальному и удивительному вкладу человека, родившегося в 1791 году, за 100 лет до введения понятия электрона. Мы говорим об английском гении экспериментальной физики Майкле Фарадее.
Так же как и магнитное поле, сила электричества, несмотря на свою беспрестанную работу в течение более чем 13 миллиардов лет, оставалась для человечества тайной, для разгадки которой требовалось проникнуть сквозь атомы, составляющие все сущее. Хотя электрические эффекты можно было наблюдать повсюду, но поскольку положительные и отрицательные электрические заряды стремятся к взаимному равновесию, главное оставалось скрытым. Фарадей не только выявил электрические эффекты, но и показал их неразрывную связь с магнетизмом.
Этому ученому мы обязаны открытием закона индукции, носящего его имя. Согласно закону, переменное магнитное поле создает электрическое поле. Фарадей первым доказал, что магнитное поле может порождать электрический ток. Он изобрел электродвигатель и динамо-машину, навсегда изменившие жизнь человечества, он доказал, что между электричеством и химическим взаимодействием существует связь, он изучал влияние магнетизма на свет. Все эти достижения были совершены человеком, не получившим академического образования и не имевшим особых математических знаний. Фарадей представил все свои открытия в виде описаний с рисунками и схемами, ни разу не прибегнув к уравнениям.
Этот ученый был не только великим экспериментатором, но и просветителем. Он занимался распространением своих идей и даже читал Рождественские лекции для юношества, поскольку полагал, что наука не должна скрываться от народа в элитарных учреждениях. Эти рождественские лекции проводятся по сей день, в них участвуют многие ученые и просветители, такие как Карл Саган или Дэвид Аттенборо. На первой рождественской лекции в 1826 году говорилось об одном из самых популярных утверждений: свеча иллюстрирует все известные физические процессы. Пользуясь этим образом, можно сказать, что Фарадей был свечой для всей Англии, и даже больше — ослепительной искрой, навсегда принесшей свет в наш мир.
ГЛАВА 1.
В поисках Божественной искры
При рождении Майкла Фарадея мир представлял собой довольно темное место. Во-первых, в то время было очень мало источников искусственного света, а во-вторых, планету накрыло облако пепла от извержения далекого вулкана.
Ньюингтон-Баттс близ Лондона, где родился Майкл, был одним из самых грязных городков. Его окутывал дым машин, порожденных промышленной революцией, в ходе которой сельскохозяйственные рабочие перебирались в города, где трудились по многу часов подряд и практически не имели шансов на социальное и интеллектуальное развитие. Однако Фарадею удалось разорвать эту цепь и стать примером человека, сделавшего одну из самых блестящих научных карьер XIX века.
Часть его успеха можно связать с тем фактом, что Майклу посчастливилось найти работу переплетчика. В ту эпоху чтение книг было очень дорогим способом проведения досуга, однако Фарадей получил доступ ко всем книгам, которые переплетал, и он читал их с той же страстью, с какой ювелир рассматривает драгоценный камень.
Другая часть его успеха, наверное, опирается на религиозные убеждения ученого, который был сандеманианцем — членом протестантской общины, которая строго и буквально трактует Священное Писание.
СВЕТ СВЕЧИ
До прихода эры электричества в таком большом городе, как Лондон, средняя семья могла использовать одну свечу за ночь. Чтобы оценить такую освещенность, надо вспомнить, что свет одной свечи — это 1/100 света, испускаемого стоваттной лампочкой. Кроме того, свеча быстро сгорала.
Более обеспеченные классы использовали в качестве альтернативы газовые лампы, но они были очень дорогими, требовали постоянного ремонта, оставляли жирные пятна, загрязняющие одежду, и даже вызывали проблемы со здоровьем. Поэтому во многих книгах той и более поздней эпохи, например в издании
The American Woman’s Ноте («Дом американской женщины»,
1869) Кэтрин и Гарриет Бичер-Стоу, предлагали инструкции, как делать свечи.
В начале XVIII века люди боялись выходить ночью из дома, а если это было необходимым, пользовались услугами мальчиков, которые освещали дорогу толстыми факелами, пропитанными смолой или другими горючими веществами. Эта ситуация сохранялась довольно долгое время. Даже в 1850-е годы, когда для уличного освещения использовались газовые фонари, ночью было так же мрачно: такое освещение давало света меньше, чем современная лампочка на 2,5 Вт. К тому же самих фонарей было очень немного — соседние лампы разделяли не меньше 30 метров тьмы. Кроме освещения улиц, некоторые фонари в Лондоне выполняли и другую функцию: они служили своеобразными указателями, чтобы не заблудиться. Таким ненадежным образом практически половина города была освещена вплоть до 1930-х годов. Использование газовых ламп в помещениях негативно влияло на здоровье: работники в конторах с таким освещением жаловались на головную боль и тошноту.
Несмотря на все эти недостатки, молодой Майкл Фарадей в 19 лет, выходя из дома профессора Татума, не мог не остановиться, с удивлением глядя на только что установленные на Дорсетт-стрит газовые фонари. Благодаря им ходить по освещенным улицам стало немного безопаснее. Ho для полной победы над тьмой требовалось больше света. Фарадей ходил на занятия к профессору Татуму, потому что не мог позволить себе учебу в университете, но стремился узнать столько, сколько было возможно. Хотя Майкл этого и не мог еще знать, он учился для того, чтобы однажды на темных улицах засиял свет.
Тьма, царившая в Лондоне, сгустилась еще сильнее в 1815 году, когда начал извергаться вулкан Тамбора на далеком острове Сумбава. Это было крупнейшее извержение за последние 10 тысяч лет, эквивалентное взрыву 60 тысяч атомных бомб, таких как хиросимская. Около 150 миллионов тонн частиц пепла поднялись в небо и с помощью ветра несколько раз облетели Землю, окутав всю планету. Небо над далекими от вулкана Лондоном и Парижем померкло, температура в мире понизилась на несколько градусов, так что Темза замерзла. Все это напоминало Апокалипсис и повлияло на развитие романтизма. Байрон (1788–1824) в 1816 году написал стихотворение
ПЕРВЫЕ ГОДЫ МАЛЬЧИКА БЕЗ БУДУЩЕГО
В сентябре 1791 года в Ньюингтон-Баттсе, к югу от Лондона, родился Майкл Фарадей. Его родители, Джеймс и Маргарет Фарадеи, принадлежали к бедному классу. Джеймс был кузнецом, а Маргарет — дочерью фермера. Джеймс с детства работал в поле, но сельскохозяйственные угодья вокруг большого города в связи с промышленной революцией, начавшейся в 1733 году, постоянно сокращались. Первыми жертвами революции стали работники текстильной промышленности: паровые машины отнимали у них рабочие места. В связи с расширением текстильной отрасли производители хлопка стали поставлять больше сырья. В конце XVIII века Эли Уитни (1765–1825) изобрел хлопкоочистительную машину, работавшую в 200 раз быстрее человека. Люди, занятые в поле и на других этапах обработки, подвергались жестокой эксплуатации или были уволены хозяевами, предпочитавшими новейшие машины, которые позволяли быстрее разбогатеть.
Тенденция к постепенному уменьшению спроса на рабочие руки заставила семью Фарадеев в поисках работы переехать в Ньиюнгтон, расположенный близко от Лондона. Той же осенью в семье родился третий ребенок, Майкл, что очень тревожило его отца: чтобы прокормить еще один рот, ему необходимо было заработать больше денег.
Фарадеи получали от английского правительства пособие: семье выделялся хлеб на неделю, и располагая только этой помощью, в поисках постоянного заработка, они были вынуждены в 1796 году переехать в северный район Лондона, на Веймут-стрит. Юный Майкл практически не ходил в школу: во-первых, сама школа была плохой, а скудные средства родителей не позволяли рассчитывать на большее, а во-вторых, его родители не слишком верили в необходимость образования.
ИСКРА ВДОХНОВЕНИЯ ПРОСТОГО САМОУЧКИ
В 1805 году Фарадей решил стать учеником переплетчика, работавшего в задней комнате книжной лавки Рибо. До этого Майкл не переступал порога библиотеки, но сейчас он оказался в помещении, где хранилось множество книг, хоть и не переплетенных, и сам участвовал в процессе их создания. В то время машины еще не были настолько точны, чтобы заменить ручной труд переплетчика, требующий большой осторожности. Страницы сшивались, обрезались гильотиной, закреплялись на кожаной обложке, которая также делалась вручную. Эта работа позволила Фарадею с головой погружаться в книги, которые он держал в руках.
Майклу было 14 лет, и книги все больше увлекали его. Ему удалось прочитать несколько научных статей — и он почувствовал жадный интерес к науке. Для молодого Фарадея чтение составляло часть работы, так как переплетчик должен проверить готовую книгу. Вначале это было для него утомительно, но упорство помогло преодолеть все затруднения, и за несколько месяцев он восполнил все годы, когда не посещал школу.
Сшивая последнее издание
энциклопедии Британника,
Фарадей на странице 127 прочел статью об электричестве. Эта статья явилась для него вдохновением и открытием: электричество до сих пор оставалось загадкой. Ho электричество было создано Творцом, и единственный способ понять Бога заключался в объяснении всех тайн природы, включая феномен электричества.
Перед юношей была огромная коллекция книг, предназначенных в основном для высшего английского общества, — это и стало первой искрой. В течение 15 лет чтения книг, не обладая обширными знаниями в области математики, не зная дифференциального исчисления, Фарадей начал ставить первые опыты. Нехватка знаний компенсировалась удивительной легкостью, с которой он чертил графики и придумывал эксперименты. Дело в том, что Фарадей был больше экспериментатором, чем теоретиком. Например, во время работы у него появилась идея, которую поддержал и Рибо, находивший мечты Фарадея о разгадке тайн природы прекрасными: часть книжной лавки была переоборудована в импровизированную лабораторию, занятиями в которой Майкл наслаждался после окончания трудового дня. Лаборатория была весьма примитивной, но после первых экспериментов, вдохновленный чтением книг, Фарадей чувствовал себя настоящим ученым. Он смог сконструировать электростатический генератор — механическое устройство, испускающее искры статического электричества.
Королевский институт располагался неподалеку от книжной лавки Рибо. Именно там читал публичные лекции знаменитый химик и директор института Гемфри Дэви, в скором времени ставший интеллектуальным авторитетом первой величины для молодого Фарадея. Однако Майкл был так беден, что не мог позволить себе купить билет на эти лекции. В ту эпоху стать ученым было практически равнозначно тому, чтобы стать, например, принцем: наукой интересовалось в основном высшее общество, и эти занятия не оплачивались, таким образом, были доступны только хорошо образованным и обеспеченным людям. Как мы знаем, Фарадей в их число не входил.
ПЕРВЫЕ ИСКРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Впервые у Фарадея появилась возможность изучить, что такое электричество. Такая же цель была и у физика, жившего в Дании, Ханса Кристиана Эрстеда (1777–1851).
В 1820 году Эрстед открыл, что под действием электрического тока стрелка компаса немного двигается, как будто бы сам ток ведет себя как магнит. Это открытие не смутило Фарадея, а напротив, подтвердило его убеждение в глубинной связи магнетизма и электричества. Все указывало на то, что обе силы взаимозаменяемы, но пока не было понятно, что в них общего. Если электричество может действовать как магнит, нужно было доказать, что магнетизм действует как электричество. Возможно ли получить электричество с помощью магнита?
Фарадей в те годы был очень живым и веселым юношей, и это подтверждает одна из историй, случившихся с ним в институте. Однажды вечером 1813 года он вместе со своим другом Эбботтом пробрался в лабораторию к запасам директора, чтобы подышать окисью азота — газом, вызывающим смех (или веселящим газом). При всем этом на работе Фарадей был очень серьезен и быстро показал себя как любознательный экспериментатор, трудолюбивый и аккуратный сотрудник, способный пойти ради дела на личные жертвы, что, вероятно, было следствием его религиозных взглядов. Однажды друг Фарадея Ричард Филлипс попросил его написать историческую справку об открытиях в области электричества для журнала
Annals of Philosophy.
Любой другой ограничился бы изучением нескольких библиографических источников, но Фарадей с невиданным энтузиазмом проштудировал все статьи, опубликованные по теме, а затем воспроизвел все описанные эксперименты. He ставя никаких далекоидущих целей, а лишь в ходе подготовки статьи Фарадей получил исчерпывающую информацию об электричестве, начал осознавать теоретические и экспериментальные границы знаний в этой области и задумался о новых исследованиях.
В ту эпоху было известно, что одинаковые электрические заряды отталкиваются. Также было известно, что электрический ток может создать магнитное поле: проходя по проводнику, он производит магнетическое действие, которое можно отследить с помощью компаса. Ho физики еще ничего не знали о природе электричества. Фарадей со своей незамутненной, как у ребенка, любознательностью предположил, что ближайшие исследования должны выявить связь между магнетизмом и электричеством. Это любопытство, а также сами поставленные цели могли бы возмутить ортодоксального ученого, но Фарадей, в отличие от современников-ученых, не был отягощен ни грузом академического образования, ни излишней привязанностью к математике, в развитие которой внес значительный вклад Исаак Ньютон в конце XVII века. Ньютонова вселенная работала как часы, в ней не было пустого пространства между твердыми телами, не было невидимой паутины связей между предметами.
Кроме того что разум Фарадея не был подвержен влиянию существовавшей научной парадигмы, у него было и другое преимущество перед современниками: Майкл был сандеманианцем, обладавшим безграничной любознательностью и искавшим Бога в законах природы. Он полагал, что законы должны быть понятны, и это стало для него еще одной искрой вдохновения.
