Текст книги "Электрическая Вселенная. Невероятная, но подлинная история электричества"

Автор книги: Дэвид Боданис

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 17 страниц)

Томсон вовсе не походил на великого экспериментатора – даже друзья его, называвшие Томсона «Джи-Джи», морщились, видя, с каким трудом он сооружает оборудование для опытов, с такой легкостью им спланированных. (Его легко узнать на официальной фотографии тогдашней Кавендишской лаборатории: вяло улыбающийся человек в толстых очках и съехавшем набок галстуке.) Однако ему удалось построить увеличенные версии электрических лампочек Эдисона и использовать магниты для того, чтобы проникать внутрь них и «управлять» тем, что вылетало из нитей накаливания. А затем и взвесить эти летучие частицы.

Вот так он и открыл электрон. Атомы вовсе не были сплошными шариками. Нет, какую-то часть атомов можно от них оторвать. Оторванные кусочки могли скакать и скользить, подобно шарикам еще меньшим, по любому лежавшему перед ними открытому каналу.

Эти-то оторванные кусочки – электроны – и катятся вперед внутри провода, создавая электрический ток. Только и всего.

Тихому, неловкому Джи-Джи удалось объяснить то, о чем лишь догадывались Ньютон и другие. Все оказалось таким простым! Мир состоит из мощных электрических зарядов, обычно они от нас скрыты, но мы можем их высвобождать. То, что изливается из металла батарей, полагал и Джи-Джи, и его коллеги, было просто миниатюрными флотилиями электронов, вырвавшихся на свободу после неисчислимых миллионов лет сидения взаперти.

Когда эти освободившиеся электроны скачут и сталкиваются внутри нити накаливания, их столкновения разогревают ее настолько, что она начинает светиться. Даже та черная точка Эдисона создавалась электронами, вырывавшимися из нити накаливания его лампы, – она представляла собой просто-напросто кумулятивный эффект их ударов о стекло.

Растянувшиеся на столетия попытки понять, что происходит внутри провода, казалось бы, увенчались успехом. Именно Дж. Дж. Томсон, а не Эдисон получил Нобелевскую премию и славу человека, объяснившего, что это на самом деле такое – электричество.

Однако в его объяснении присутствовал один колоссальный изъян.

Так ли уж верно, что работа электрических аппаратов обеспечивается катящимися внутри них электронами? Если бы это было верно, то человек, говоривший в Нью-Йорке по телефону с Бостоном, должен бы был проталкивать электроны одной лишь силой своего голоса по начинавшемуся в Нью-Йорке телефонному кабелю аж до самого Бостона. Но ведь это бессмыслица. И если бы ньюйоркец говорил достаточно долго, не давая бостонцу вставить хоть слово, разве в Бостоне не возникали бы огромные черные точки, порождаемые ударами множества электронов? Между тем этого никогда не происходило. В чем-то объяснение было неполным.

Во Вселенной должно было присутствовать что-то еще – некая незримая сила, которая определяет характер движения электронов, сила, совершающая чудеса, заставляя электроны направляться туда, куда их ничто не тянет. Но что она может собой представлять? Эдисон в существовании этой незримой силы не сомневался, он даже попытался вступить с ней в контакт. В полной тайне он изготовил маленький маятник, соединил его проводом со своим лбом и попытался сдвинуть маятник с места чистым умственным усилием. Ничего не получилось, и Эдисон, наполовину смущенный, наполовину озадаченный, дальше экспериментировать не стал, смирившись с тем, что открыть эту незримую силу предстоит кому-то другому, не ему.

На самом-то деле существовала целая группа ученых, пытавшихся выявить и понять еще неизвестные, связанные с электричеством силы. Они занимались этим уже многие годы, однако работа их была настолько теоретической, что большинство практичных изобретателей 1880-х ее просто игнорировали. Эти ученые были уверены в том, что все человечество окружено мощной сетью загадочных силовых полей. Согласно им люди разгуливали в этих полях уже многие тысячи лет – в Месопотамии и в Египте, в Китае и в Андах, – но, поскольку поля были невидимыми, никто их присутствия не замечал. Единственным намеком на их существование служили «оплошности» природы – искры, порождаемые статическим электричеством, или вспышки молний.

Эдисон имел кое-какие смутные представления об ученых, державшихся этих взглядов, и знал, что нечто важное для них произошло, когда он был еще ребенком, – в 1850-х, при осуществлении глубоко под поверхностью Атлантического океана загадочного технического проекта. Знал он и о том, что еще до этого проекта жил на свете великий английский ученый Майкл Фарадей, предсказавший существование этих самых невидимых полей.

В молодые годы Эдисон пытался читать некоторые из работ Фарадея, однако теперь он был слишком занят лампочками, генераторами и электрическими двигателями, руководством колоссальным числом работавших на него людей и огромным личным состоянием, которое нужно было во что-то вкладывать, и потому найти время для столь сложного чтения ему было трудно. Он мог лишь время от времени пытаться вообразить, какие могучие новые машины поможет создать эта незримая сила – если ею когда-нибудь удастся овладеть.

Эдисон, Белл и прочие практичные изобретатели викторианской поры решили, что, высвободив древнюю мощь электронов, они докопались до самой глубины, до сути вещей. Однако они лишь царапнули по поверхности. А под нею крылось еще очень многое.

Часть II
ВОЛНЫ

Металлы, которые выбрасывались во Вселенную при взрывах древних звезд, обладали, падая на Землю, огромной силой. Каждый из скрытых в них электронов окружало незримое силовое поле.

При обычных обстоятельствах обнаружить это незримое поле было невозможно, однако внутри железа оно обладало большей обычного силой. Значительная часть древнего железа ушла глубоко под землю, а поскольку планета вращалась, оно вращалось вместе с ней.

И это вращение породило объемлющее всю Землю магнитное поле. Оно исходило из-под земли, и, хотя очень долгое время оставалось людьми не замечаемым, в пору классического Китая они его все-таки обнаружили. Китайцы использовали определенную часть его энергии для ориентации тонких стрелок компасов, с которыми они выходили в море.

Обитатели тогдашнего мира были в большинстве своем слишком бедны, а мыслители – слишком догматичны, чтобы попробовать разобраться в намеке, который давало им это всепроникающее магнитное поле. Но затем, в тринадцатом веке магометанской эры, или в двадцать четвертом веке со времени явления Будды, или в пятьдесят шестом веке еврейского календаря – иными словами, в девятнадцатом веке нашей эры, все изменилось, и фундаментальнейшим образом.

Глава 4
Бог Фарадея

Лондон, 1831

Майкл Фарадей, человек, сделавший больше всех прочих для открытия этой незримой силы, был курчавым лондонцем. Он родился в 1791 году – более чем за сто лет до открытия электрона – в семье рабочего. В отрочестве из него ключом била энергия, друзей, с которыми он бегал по лондонским улицам, юный Майкл веселил словесными играми, одну из которых Фарадей повторил позже в письме к своему другу Бенжамину Абботту:

– нет-нет-нет-нет-нет-правильно-нет, философия еще немертва-нет-нет-О нет-он знает это-спасибо-это невозможно-Ура. Эти строки, дорогой Абботт, содержат полный и явственный ответ на первую страницу вашего письма от28 сентября.

Даже получив работу лабораторного ассистента в величавом Королевском институте, он сохранил прежнее чувство юмора и в один памятный вечер тайком провел туда Абботта, чтобы нюхнуть вместе с ним закиси азота – веселящего газа, который директор института припас для одного из своих опытов.

Однако имелась в натуре Фарадея и сторона серьезная – его притягивали к себе те же тайны электричества, над которыми ломал голову Джозеф Генри. Как может свитая в спираль медная проволока служить магнитом и притягивать к себе куски металла? Ведь между проволокой и металлом нет ничего, кроме пустого пространства. С точки зрения общепринятой науки это было бессмыслицей. Поместите такой электромагнит над гвоздем, и гвоздь полетит вверх. А между тем его тянет вниз сила тяжести, создаваемая несчетными триллионами тонн камней и магмы – всей массой Земли.

Какое же притяжение, способное преодолеть эту огромную силу, источают обратившиеся в магнит витки медной проволоки?

Фарадея эта тайна зачаровывала, он мечтал раскрыть ее, однако ему годами почти не позволяли работать над такими проблемами. За спиной его распространялись слухи, согласно которым сие дитя трущоб, отпрыск простого кузнеца, к проведению серьезных исследований попросту не способен. Впрочем, в 1829 году директор Королевского института, чинивший Фарадею самые большие помехи, весьма кстати скончался. Фарадей, выразив свое искреннейшее почтение вдове директора, тут же забросил выполнение полученных им от директора заданий и постарался высвободить себе сколь возможно больше времени для самостоятельной работы. Он никак не мог выбросить из головы незримую притягательную силу магнита. Он долженбыл понять, как эта сила работает.

В этих исследованиях Фарадей имел одно большое преимущество перед своими соперниками, работавшими в Англии и в других странах Европы. Все они прекрасно владели передовыми математическими методами, которые разработал в семнадцатом столетии сэр Исаак Ньютон. Ньютон прославился созданием картины холодной, словно бы заводной Вселенной, где раздельно катят планеты, похожие на гигантские биллиардные шары. В этой Вселенной, утверждала тогдашняя наука, нет места для невидимых сил, которые заполняли бы пространство между твердыми телами, удерживая от распада Солнечную систему, да и саму Вселенную тоже, – нет натянутой в небе незримой паутины. Да, гравитация существовала, однако она каким-то образом перескакивала от одного тела к другому. В такой картине мира она отнюдь не пронизывала пустоту, лежавшую между телами.

Все это означало, что, когда современники Фарадея пытались понять связи электричества и магнетизма, они исходили из того, что эти связи должна обеспечивать сила, которая проскакивает пустое пространство, реального существования в нем не обретая. Их Вселенная была по сути своей пустой. Когда силы действовали, считали они, осуществлялся некий холодный процесс мгновенного преодоления расстояния – процесс, который сам Ньютон называл «дальнодействием».

Ньютона Фарадей чтил, однако ему пришлось с двенадцати лет зарабатывать себе на жизнь, проведя не один год в подмастерьях переплетчика. И он научился думать самостоятельно; если бы он всегда придерживался общих мнений, то, верно, так до сих пор и сидел бы в переплетной мастерской. Кроме того, за годы ученичества он никакой математики, помимо элементарной арифметики, не освоил. И это давало Фарадею еще одно преимущество – он никогда не подпадал под очарование баховской красоты уравнений Ньютона. Но, даже если бы он не родился в бедности, даже если бы освоил математический анализ, существовала и другая причина, по которой Фарадей не мог поверить в пустоту пространства.

Семья его принадлежала к числу преданных сторонников кроткого религиозного меньшинства, именовавшегося сандеманианцами – близкой по духу к квакерам группы людей, питавших почти буквалистскую веру в Библию. И, даже начав работать в Королевском институте, Фарадей сохранил в себе эту веру, к тому же и жена его, и ближайшие друзья тоже были сандеманианцами.

Исповедуемая ими религия наделила Фарадея убежденностью в том, что пространство пустым быть не может, что в нем повсюду разлито Божественное присутствие. Его высмеивали за такие верования («Я принадлежу к очень маленькой, презираемой христианской секте», – однажды сказал он, вздыхая), и Фарадей научился держать свои взгляды при себе. Однако религия продолжала владеть всеми его помыслами, и однажды он, плывя в маленькой лодке по швейцарскому озеру, увидел то, что воспринял как доказательство правоты своих верований.

Это была обычная радуга, висевшая в воздухе у подножия водопада. Внезапно подул сильный ветер, порывы которого временами отбрасывали брызги воды так далеко, что радуга исчезала из виду. Когда это происходило, Фарадей просил своих гидов останавливать лодку и ждал продолжения. И всякий раз ветер, сменив направление, приносил брызги обратно, и радуга появлялась снова.

«Я оставался неподвижным, – писал Фарадей, – пока порывы ветра и облака брызг приносились… к тому месту и ударяли в скалу». Все выглядело так, чувствовал он, точно радуга всегда оставалась на месте, даже при том, что видна она была лишь время от времени. Так же, полагал Фарадей, обстоит дело и в науке. Мы видим лишь пустое пространство, однако что-то в нем неизменно присутствует.

И теперь, пытаясь найти связь между электрическими токами и магнитами, он сознавал, что должен сосредоточиться на том, что все пропускали мимо глаз, – на видимой «пустоте», разделявшей в его лаборатории различные объекты. А для того, чтобы проникнуть в нее, он воспользовался очень простым ключом.

Весьма популярный салонный фокус того времени выглядел так: вы насыпали вокруг магнита железные опилки и следили за тем, как они образуют кривые линии, которые тянутся от одного полюса магнита к другому. Фарадей видел в этом не просто трюк, способный позабавить детей. Ибо откуда на самом-то деле берутся эти дуги? Они, подобно той радуге, представляют собой знаки, оставленные незримой связующей тканью, которую он искал.

_{Майкл Фарадей}

Весь 1830-й и в особенности 1831-й Фарадей описывал круги над нужной ему добычей. Он был словно загипнотизирован силами, которые, казалось, совершают прыжки из одного места в другое. К примеру, когда поджигается облако газа, обычно говорят, что при этом мгновенно возникает огненный шар. Но Фарадей в это не верил. И, присмотревшись повнимательнее, понял, что можно увидеть, как пламя очень быстро распространяется из одной части занятого газом пространства в другую. Когда же он отправился на берег моря, в Гастингс – чтобы доехать туда экипажем, требовался целый день, – его жена увидела, как он опустился на колени и вгляделся в рябь на песке, пытаясь понять, как она распространяется. Эдисон на такого рода занятия времени не находил.

К весне 1831-го Фарадей уже подошел к цели очень близко, однако того, что ему требовалось, все еще не находил. Ему было тридцать девять лет, за многие годы, в течение которых директор Королевского института держал его на коротком поводке, он не сделал ни одного значительного открытия. Быть может, его критики, твердившие, что мыслитель он далеко не первоклассный, все-таки правы? Он сократил число читавшихся им лекций, стал приходить в лабораторию раньше прежнего. Временами Фарадея навещали там две его племянницы, однако они знали, что большую часть времени им придется провести, тихо сидя в углу – вырезая из бумаги узоры или играя с куклами, – пока дядя Майкл работает. Шли месяцы, коллеги гадали, что происходит в его лаборатории, а между тем работа перешла в завершающую стадию, и после нескольких очень напряженных недель одному из самых давних друзей Фарадея, Ричарду Филлипсу, передали от него короткую записку:

Дорогой Филлип!

…Я снова вплотную занялся электромагнетизмом и, думаю, зацепил нечто очень стоящее, однако точно сказать не могу: возможно, все мои старания увенчаются тем, что я выужу водоросль вместо рыбы…

Но это была не водоросль – прошло еще несколько дней, и Фарадей получил решающий результат. К октябрю он уже смог продемонстрировать его, причем в форме потрясающе простой. Он просто взял в одну руку детский стержневой магнит, а в другую проволочную спираль. И когда он вставлял магнит внутрь спирали, по проволоке начинал течь электрический ток. А когда удерживал магнит неподвижно, ток исчезал. Подвигай магнит еще раз – опять пойдет ток. И пока Фарадей двигал магнитом вблизи проволоки, он создавал электрический ток.

Никто и никогда прежде до этого не додумался. Фарадей создавал силовое поле! Что-то переносилось из магнита в проволоку. Однако, если пространство между ними было пустым, этого произойти никак не могло. Здесь, в холодной подвальной лаборатории Королевского института, под долетающий снаружи, из Лондона эпохи Регентства, стук лошадиных копыт и грохот карет Фарадей доказал, что электричество – это не некая шипящая жидкость, которая только внутри проволоки протекать и может, нет, его способна порождать невидимая сила, которая распространяется от движущегося магнита через пустое пространство.

Фарадей открыл дверь в нечто большее, чем кто-либо способен был вообразить. Если он был прав, то всякий раз, как его племянницы, играя, помахивали маленьким магнитом, они создавали незримую силу, которая выплескивалась из образующего магнит металла. По оценкам Фарадея, сила эта распространялась в бесконечность. Если он и его племянницы находились в здании, часть этого силового поля проникала через открытое окно – быть может, и сквозь стену – и уходила, совершенно невидимая, к Луне, а там и дальше.

Более того, из проведенных Фарадеем в подвале опытов следовало, что наш мир наполнен несчетными миллионами таких незримых, летучих силовых полей. В портах Лондона стояли сотни кораблей, по его улицам разъезжали тысячи карет, и всякий раз, как матрос или кучер вертел в руках магнитный компас и игла его двигалась, высвобождалось новое количество невидимых полей. Теперь, глядя на Лондон, Фарадей видел над ним отнюдь не пустое небо. Его пронизывало, изгибаясь, нечто незримое, но могучее.

«Книга природы, которую мы должны прочитать, – написал он однажды, – начертана перстом Бога». Он был прав и показал ныне, что Бог – это великолепный Титан, просквозивший Свое пространство живыми нитями, которые и доселе остаются невидимыми.

Открытия Фарадея образовали самое что ни на есть ядро современной технологии, а со временем позволили даже – как мы еще увидим – ответить, почему электроны не скапливаются целой кучей в конце длинной телефонной линии. Однако и при том, что он получил теперь видный пост в Королевском институте, избавиться от своего прошлого ему не удалось. Большинство английских коллег Фарадея считало его всего лишь толковым ремесленником. Эти коллеги знали об огорчительном отсутствии у него формального образования, видели, что он не способен перевести свои открытия на язык серьезной математики, которым сами они пользовались с такой легкостью. И потому все они, за небольшим исключением, сочли увлекательные теории Фарадея касательно незримых полей полностью необоснованными и вежливо отмахнулись от его идей.

Он сделал еще немало открытий, его принимали премьер-министры, он заслужил огромное уважение своими популярными лекциями. Было время, когда его находками в области электричества увлеклась, полагая, что они способны помочь ей в ее исследованиях, блестящая молодая женщина. То было одно из случающихся в истории великих «быть может», ибо женщина эта приходилась дочерью покойному лорду Байрону и звали ее Ада, графиня Лавлейс. Именно она впервые выдвинула идеи о том, что мы теперь называем компьютерным программированием. Никакая технология ее времени построить то, что она предвидела, не позволяла, но кто знает, что могло оказаться в запасе у Фарадея? Ада, судя по всему, очаровала его, однако вскоре он отказался от участия в ее исследованиях – вероятно, потому, что не хотел ставить под угрозу свой брак.

И все-таки он не сдавался. Когда его критиковали за религиозные верования, он обращался в поисках утешения к Библии. Ныне, критикуемый подавляющим большинством ученых за теорию силовых полей, он обратился к Исааку Ньютону. О Ньютоне говорили, что он придерживался совершенно иных взглядов на пустое пространство, но, быть может, это вовсе не так? Ньютон был величайшим из мыслителей, каких когда-либо знала наука. И даже намек на правоту Фарадея, если бы таковой удалось отыскать в сочинениях Ньютона, оказался бы весьма утешительным.

На первый взгляд это казалось невозможным, однако Ньютон и вправду выразил однажды сомнение в тех взглядах, которые он исповедовал публично, хоть и случилось это уже в его старости, в недолгий миг успокоения. В 1693 году Ньютон написал любознательному кембриджскому теологу Ричарду Бентли, что Вселенная, возможно, и не пуста. Напротив, возможно, в ней действительно присутствуют силы, подобные гравитации, которые протягивают свои, так сказать, щупальца через кажущееся пустым пространство. Мысль о том, что «…одно тело может действовать на другое на расстоянии без посредничества чего-то еще… – отважно писал Ньютон, – представляется мне такой великой нелепостью, что я не сомневаюсь: ни один человек, обладающий достаточными для занятий философией способностями, никогда в это не поверит».

Бентли пришел в волнение и снова написал великому ученому в надежде выяснить, что тот имеет в виду. Однако Ньютон от объяснений воздержался. Это всего лишь размышления старика, и больше о них сказать нечего. Идти дальше было попросту опасно, поскольку в то время религиозных еретиков все еще сжигали на кострах. Власти могли неправильно истолковать веру Ньютона в то, что пространство не является пустым, решить, что он не верит в могущество Бога, достаточное для того, чтобы преодолевать пустое пространство, – а после этого власти могли заинтересоваться и его частными религиозными сочинениями, в которых ересей определенно было хоть отбавляй. Переписка прервалась, а о выраженном Ньютоном в этом письме к Бентли коротком намеке на сомнения Ньютона в правоте своих взглядов скоро забыли.

Однако теперь, 140 лет спустя, Фарадей, искавший подтверждения того, что он хоть в чем-то прав, нашел это очень старое письмо Ньютона к Бентли. И понял – он не одинок. Компанию ему составлял сам Ньютон.

_{Джеймс Клерк Максвелл}

Однако дальше этого Фарадей пойти не сумел. В старости, когда память уже начала изменять ему, он написал своему молодому другу, одаренному шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу:

Королевский институт, 13 ноября1857

Мой дорогой сэр!

…Существует одна вещь, о которой мне хотелось бы вас спросить. Когда математик погружается в исследование физических действий и в результате приходит к собственным заключениям, нельзя ли выразить их на обычном языке так же полно, ясно и определенно, как и математическими формулами? Если да, разве возможность выражать их так не была бы большим благом для нам подобных, давая им возможность переводить эти заключения с языка иероглифов, что позволило бы затем ставить необходимые опыты…

Максвелл старательно ответил ему, но Фарадей так и остался в числе отстающих. Слабость по части математики помогла ему приступить к великому исследованию, однако встать во главе дальнейшей разработки полученных им результатов он уже не смог.

И все же, заглядывая в будущее, Фарадей отыскивал в нем утешение. Он не сомневался, что когда-нибудь появятся и практические изобретения, основанные на том, что он увидел. И когда это

наконец произошло, даже те, кто отмахивался от него, вынуждены были признать верность его догадок.

Чего Фарадей не сознавал, пока годы шли и он приближался к шестидесятилетнему возрасту, так это того, что ему суждено прожить достаточно долго и своими глазами увидеть, как это случится. Вскоре глубоко под поверхностью океана должно было начаться осуществление колоссальной инженерной авантюры. И когда она была успешно завершена, появились новые волнующие доказательства того, что все его фантазии насчет незримых силовых полей были чистой воды правдой.