Текст книги "Из грязи и золота (СИ)"

Автор книги: София Баюн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 20 страниц)

Побачити окремі гармонічні частоти, на яких одночасно коливаються струни музичного інструмента, складно, якщо взагалі можливо. Але я можу ефектно їх продемонструвати, під’єднавши мікрофон до осцилоскопа, який ви, можливо, бачили по телевізору або навіть наживо. Осцилоскоп показує на екрані вібрації (або коливання) у вигляді кривої, що то піднімається, то опускається відносно центральної горизонтальної лінії. Їх повно у відділеннях інтенсивної терапії та кабінетах невідкладної допомоги, де з їхньою допомогою відстежують серцебиття пацієнтів.

Я завжди пропоную студентам приносити на заняття свої музичні інструменти, щоб ми могли порівняти різні коктейлі з гармонік, які створює кожен з них.

Коли я підношу до мікрофона камертон, настроєний на ля першої октави, ми бачимо на екрані просту синусоїду для частоти 440 герців. Лінія чітка і надзвичайно правильна, тому що, як ми вже знаємо, камертон вібрує лише на одній частоті. Але коли я прошу студентку, яка принесла скрипку, зіграти ту саму ля, зображення на екрані стає значно цікавішим. Основний тон залишається — він відображається на екрані як основна синусоїда, але через наявність вищих гармонік крива тепер значно складніша. Картина знову зміниться, коли інший студент заграє на віолончелі. А уявіть, що відбудеться, якщо скрипаль зіграє на скрипці дві ноти одночасно!

Коли фізику резонансу починають демонструвати співаки, пропускаючи повітря через голосові зв’язки (точніше було б сказати «голосові складки»), останні коливаються і створюють звукові хвилі. Я прошу студентку заспівати, і знову та сама історія — на екрані нагромаджуються складні криві.

Коли ви натискаєте на клавішу фортепіано, молоточок вдаряє по струні, довжина, товщина й натяг якої підібрані так, що вона коливається на частоті першої гармоніки. Але якимось чином, як і у випадку зі скрипковими струнами й голосовими зв’язками, струна фортепіано коливається одночасно й на частотах вищих гармонік.

А тепер подумки полиньте в цілковито іншу сферу — у суб­атом­ний світ, і уявіть надзвичайно крихітні, значно менші за атомне ядро струни, наче в скрипки, які коливаються на різних частотах і мають різні гармоніки. Інакше кажучи, подумайте про те, що, можливо, у самій своїй основі матерія складається із цих крихітних струн, які, коливаючись на різних гармонічних частотах у багатьох вимірах, утворюють усі так звані елементарні частинки — наприклад кварки, глюони, нейтрино, електрони. Якщо ви змогли уявити таке, то щойно збагнули основне положення теорії струн — узагальнений термін, який застосовують до опису зусиль, яких докладають фізики-теоретики протягом останніх сорока років, щоб створити єдину теорію, яка пояснила б усі елементарні частинки та сили у Всесвіті. У певному розумінні це теорія «всього».

Ніхто не має жодного уявлення, чи підтвердиться теорія струн, а нобелівський лауреат Шелдон Ґлешоу запитав себе, «яка це теорія: фізична чи філософська». Але якщо основними елементами Всесвіту і справді є різні резонансні рівні немислимо крихітних струн, тоді, можливо, Всесвіт, його сили й елементарні частинки схожі на космічну версію чудових, дедалі складніших варіацій Моцарта на тему дитячої пісеньки «Сяй, маленька зіронько» («Twinkle, Twinkle, Little Star»)12.

Усі тіла мають резонансні частоти — від пляшки кетчупу у вашому холодильнику до найвисоченнішого у світі хмарочоса. Деякі із цих частот загадкові й дуже непередбачувані. Якщо у вас є машина, ви вже чули резонансні вібрації і навряд чи були від них у захваті. Упевнений, що вам не раз доводилося чути в дорозі шум, який припинявся, коли ви їхали швидше.

Приладова панель моєї останньої машини, схоже, потрапляла в резонанс щоразу, коли я зупинявся на світлофорі. Якщо я натискав на газ і розганяв двигун, навіть не рушаючи з місця, частота коливань машини змінювалася, і шум зникав. Інколи я ще деякий час чув гудіння, яке зазвичай щезало, коли я розганявся або сповільнювався. На різних швидкостях, тобто на різній частоті коливань, машина — разом з тисячами своїх деталей, з яких деякі, на жаль, були погано закріплені, — досягала резонансної частоти, скажімо, розхитаного глушника або зношених опор двигуна, і ті починали зі мною розмовляти. Вони всі повторювали одне й те саме: «Їдьмо до автомеханіка, їдьмо до автомеханіка», але я надто часто ігнорував це і тільки потім виявляв пошкодження, спричинені цими резонансними коливаннями. А коли я нарешті загнав машину в автосервіс, не зміг відтворити ці жахливі звуки майстрові й почувався трохи по-дурному.

Пам’ятаю зі своїх студентських часів, коли після вечері у братстві хтось виступав із промовою, яка нам не подобалася, ми брали свої келихи і вологими пальцями описували кола по вінцях, створюючи доволі дивний звук (таке можна легко повторити і вдома). Це була власна частота наших келихів. Звісна річ, коли таке одночасно робило сто студентів, звук був відразливий (урешті-решт, це братство), зате спосіб спрацьовував дуже ефективно, і промовець розумів, на що йому натякають.

Існує поширена думка, що коли оперна співачка досить гучно візьме потрібну ноту, скляний келих може тріснути. Тепер, коли ви знаєте про резонанс, подумайте: чому таке можливо? Усе прос­то, принаймні теоретично, чи не так? Що станеться, якщо взяти келих, виміряти його власну частоту коливань і створити звук такої самої частоти? Ну, в більшості випадків, судячи з мого досвіду, абсолютно нічого. Я ніколи не бачив, щоб оперні співаки робили таке. Тому я не запрошую їх на свої лекції. Я обираю келих, легенько цокаю по ньому й за допомогою осцилографа вимірюю його власну частоту коливань. Звісно, для кожного келиха вона буде своя, але для цього коливається десь у межах від 440 до 480 герців. Потім я за допомогою електронного пристрою створюю звук точно такої самої частоти (ну, звісно, точно такої самої частоти домогтися неможливо, але я намагаюся отримати максимально близьке значення). Я ставлю келих біля підсилювача і починаю потроху збільшувати гучність. Навіщо це робити? Бо що голосніший звук, то з більшою енергією звукова хвиля вдарятиметься об келих. А що більшою буде амплітуда коливань келиха, то більше скло вигинатиметься всередину і назовні, доки не трісне (сподіваємося).

Щоб показати студентам, як вібрує келих, я наводжу на нього камеру, збільшуючи її масштаб, й освітлюю стробоскопом, на­лаш­то­ваним на трохи інакшу частоту, ніж звук. Неймовірно! Ми бачимо, як «чаша» келиха починає вібрувати. Його стінки спочатку сходяться, потім розходяться, і відстань, на яку вони зміщуються, дедалі зростає, щойно я збільшую гучність динаміка, часом мені доводиться підправляти частоту і — бац! — келих розлітається. Студентам ця частина експерименту подобається найбільше: вони не можуть дочекатися, коли келих трісне. (Ви можете переглянути цей експеримент онлайн приблизно на сьомій хвилині 27-ї лекції мого курсу «Електрика і магнетизм» за цим посиланням: cutt.ly/TwrxlZK).

Також мені подобається показувати студентам так звані пластини Хладні, які демонструють резонанс дуже незвично і красиво. Це металеві пластини завширшки приблизно 30 сантиметрів, які бувають квадратними, прямокутними й навіть круглими, але найкращі квадратні. Вони кріпляться по центру до стрижня або підставки. Насипемо на пластину трохи дрібного порошку й проведемо смичком вздовж будь-якої її сторони, використовуючи всю довжину смичка. Пластина почне коливатися на одній або кількох резонансних частотах. У місцях, де розташовані гребені й западини хвиль, порошок зміститься і відкриється метал — він збереться у вузлах, де не відбувається жодних коливань. (Струни мають вузлові точки, а двовимірні об’єкти, наприклад пластини Хладні, — вузлові лінії).

Залежно від того, як і де ви «граєте» на пластині, проводячи по ній смичком, виникатимуть резонансні коливання різної частоти й на її поверхні утворюватимуться дивовижні й геть непередбачувані візерунки. На лекції я використовую більш ефективний, але менш романтичний спосіб — під’єдную пластину до вібратора. Щойно ми змінюємо частоту вібратора, як на наших очах з’являються й зникають приголомшливі візерунки. Ви можете побачити те, про що я розказую, переглянувши відео на YouTube: cutt.ly/3tLrrd. Лишень уявіть, яка математика криється в цих візерунках!

На своїх відкритих лекціях для родин я пропоную дітлахам провести смичком по краю пластини — вони обожнюють створювати прекрасні й загадкові візерунки. Саме таке почуття до фізики я й намагаюся донести.

Музика вітрів

Але ми забули про половину оркестру! Як щодо флейти, гобоя чи тромбона? У них же немає струн, які коливалися б, чи деки, яка посилювала б звук. Хоч перші духові інструменти було створено дуже давно — нещодавно я бачив у газеті фотографію вирізьбленої з кістки грифа флейти віком 35 000 років, — вони трохи загадковіші за струнні, частково тому, що їхній механізм невидимий.

Духові, звичайно, бувають різні. Деякі, наприклад флейта і блок-флейта, відкриті з обох кінців, тоді як у кларнета, гобоя і тромбона один кінець закритий (утім вони мають отвір, у який удмухують музиканти). Але всі вони утворюють звук, коли внаслідок нагнітання повітря, яке зазвичай вдувають через рот, виникає коливання стовпа повітря всередині інструмента.

Дути в духовий інструмент або нагнітати в нього повітря — це те саме, що щипати гітарну струну або проводити по струні скрипки смичком. Передаючи енергію повітряному стовпу, ви скидаєте в повітряну порожнину цілий спектр частот, а повітряний стовп сам обирає частоту, на якій він резонуватиме. Ця частота здебільшого залежить від його довжини. Як це відбувається, уявити складно, хоча умовно просто обчислити результат. Повітряний стовп усередині інструмента визначить свою основну частоту, а також кілька вищих гармонік і почне вібрувати на них. Коливання стовпа стискають і розріджують навколишнє повітря так само, як коливаються зубці камертона, посилаючи звукові хвилі до вуха слухача.

У випадку з гобоєм, кларнетом і саксофоном потрібно дмухати у так звану тростину, яка передає енергію повітряному стовпу, змушуючи його резонувати. У флейтах, блок-флейтах і флейтах-піколо резонанс виникає, коли музикант дме у край отвору або в мундштук. А щоб видобути звук з мідних духових, потрібно міцно стиснути губи і погудіти в інструмент — не маючи практики, зробити це вкрай складно. Я в підсумку лише наплював у цю штуковину!

У відкритих з обох кінців інструментах, таких як флейта чи флейта-піколо, повітряний стовп може коливатися на частотах своїх гармонік, кожна з яких кратна основній частоті, так само, як у випадку зі струнами. Щодо дерев’яних духових інструментів, закритих з одного кінця і відкритих з другого, то тут усе залежить від форми отвору. Якщо внутрішній канал має конічну форму, як у гобоя чи саксофона, то звучатимуть усі гармоніки. Проте якщо внутрішній канал циліндричний, як у кларнета, повітряний стовп резонуватиме тільки на непарних кратних частотах, вищих за основну у три, п’ять, сім, дев’ять разів тощо. Щоб не вдаватися в довгі пояснення, скажу лише, що всі мідні духові резонують на частотах усіх гармонік, як флейта.

Зрозуміліше те, що зі збільшенням висоти повітряного стовпа знижується частота й висота звуку, який видає інструмент. Якщо поділити трубу навпіл, частота першої гармоніки подвоїться. Саме тому звук флейти-піколо такий високий, а фагота — такий низький. Це загальне правило також пояснює, чому труби органа мають такі різні довжини і діаметр: діапазон деяких органів — дев’ять октав. Щоб прозвучав основний тон частотою приблизно 8,7 герца (це нижче порога людського сприйняття, але ми можемо відчути вібрацію), потрібна довжелезна труба — 19,5 мет­ра (відкрита з обох кінців). У світі лише дві такі велетенські труби, тому що вони геть не зручні. Труба, в 10 разів коротша, дасть у 10 разів вищий основний тон — тобто 87 герців. У 100 разів коротша — основний тон частотою приблизно 870 герців.

Музиканти, що грають на духових, не тільки дмуть у свої інструменти. Вони також закривають і відкривають розташовані на інструменті отвори, практично скорочуючи або подовжуючи повітряний стовп і таким чином змінюючи частоту звуку. Саме тому, якщо закрити пальцями всі отвори дитячого свистка, збільшивши довжину повітряного стовпа, він звучатиме нижче. Те саме стосується і мідних духових інструментів. Що довший стовп повітря, навіть якщо йому доводиться рухатися по спіралі, то нижча нота, а отже, й частота всіх гармонік. Трубка туби з найнижчим строєм, яку називають контрабасовою тубою, або тубою в строї сі-бемоль, має довжину 6 метрів і основну частоту приблизно 30 герців. Допоміжні поворотні вентилі дозволяють знизити тон до 20 герців. Труба в строї сі-бемоль складається із трубки завдовжки 1,4 метра. Натискаючи на вентилі на трубі чи тубі, можна відкрити або закрити додаткові трубки та змінити висоту резонансних частот. Найкраще це демонструє тромбон. Якщо витягнути кулісу, тобто висувну трубку, довжина повітряного стовпа збільшиться, а резонансні частоти знизяться.

На лекції я граю на дерев’яному тромбоні «Jingle Bells», і студенти в захваті — я не кажу їм, що це єдина мелодія, яку я вмію грати. Якщо чесно, з мене такий собі музикант: хоч і читав цю лекцію безліч разів, а досі доводиться щоразу репетирувати. Я навіть зробив на кулісі позначки — цифри 1, 2, 3 і так далі: бо не навчився читати ноти. Але як я вже казав, відсутність музичних здібностей не заважає мені насолоджуватися музикою та з величезним задоволенням експериментувати з нею.

Пишучи це, я здійснюю цікаві досліди зі стовпом повітря в літровій пластиковій пляшці з-під газованки. Цей стовп аж ніяк не ідеальної форми, тому що її шийка поступово розширюється до повного діаметра пляшки. Фізика пляшкової шийки, як ви можете уявити, досить складна. Але тут усе одно виконується основ­ний принцип духових інструментів — зі збільшенням довжини повітряного стовпа резонансні частоти знижуються. Ви також можете спробувати здійснити цей дослід.

Наповніть майже до верху пляшку з-під газованої води або вина (водою!) і подмухайте над шийкою. З першого разу, може, не вдасться, утім через деякий час стовп повітря почне коливатися на своїх резонансних частотах. Спочатку звучатиме висока нота, але що більше ви відпиватимете (тому я й запропонував воду), то довшим ставатиме повітряний стовп, і висота основного тону знижуватимуться. Також я помітив, що зі збільшенням довжини повітряного стовпа звучання стає приємнішим. Що нижча частота першої гармоніки, то більше шансів, що виникнуть додаткові вищі гармоніки і звук матиме насиченіший тембр.

Вам може здатися, що цей звук видає пляшка, вібруючи, подіб­но до струни, і ви й справді відчуєте вібрацію пляшки, так само, як ви, можливо, відчували вібрацію саксофона. Але знову-таки — резонує тут стовп повітря всередині пляшки. Щоб добре це затямити, подумайте над такою загадкою. Якщо взяти два однакові келихи — один порожній, а другий наполовину повний і видобути з них звук, легко стукаючи по них ложкою або водячи по обідку вологим пальцем, котрий з них звучатиме вище і чому? З мого боку нечесно ставити таке запитання, бо я підвів вас до неправильної відповіді (вибачте!). Але, можливо, ви зможете розв’я­за­ти цю загадку.

Такий само принцип використовується в іграшці з гнучкої гофрованої пластикової трубки завдовжки 80 сантиметрів. Очевидно, ви бачили таку або гралися нею. Пам’ятаєте, що треба робити? Коли ви розкручуєте трубку над головою, то спочатку чуєте низький звук. Звісно, ви вирішуєте, що це перша гармоніка, як і я, коли вперше грався із цією іграшкою. Проте чомусь я так і не зміг отримати першу гармоніку. Я завжди чую другу. Розкручуючи трубку швидше, можна отримати дедалі вищі гармоніки. Реклама в інтернеті стверджує, що з цієї трубки можна видобути чотири різні ноти, але, можливо, ви почуєте лише три: для четвертої ноти (п’ятої гармоніки) доведеться крутити дуже-дуже швидко. Я обчислив частоти перших п’яти гармонік для труби завдовжки 80 сантиметрів, і результати такі: 223 герци (цієї я так і не почув), 446, 669, 892 і 1115 герців. Висота звуку зростає досить швидко.

Небезпечний резонанс

Фізика резонансу аж ніяк не обмежується демонстраційними експериментами. Подумайте про те, яку безліч різних настроїв створює музика за допомогою такого різноманіття інструментів. Музичний резонанс звертається до наших емоцій, викликаючи радість, тривогу, спокій, шанобливий трепет, страх, щастя, сум... Недарма ми говоримо про емоційний резонанс, з якого можуть вирости насичені й глибокі стосунки, про нотки розуміння, ніжності й бажання. Навряд чи це випадково, що ми хочемо бути з кимось «у гармонії». І як прикро втрачати цей резонанс, тимчасово чи назавжди, коли те, що раніше здавалося гармонією, перетворюється на какофонію та емоційний шум. Згадайте Джорджа і Марту із п’єси Едварда Олбі «Хто боїться Вірджинії Вулф?». Вони влаштовують гучні сварки. Коли Джордж і Марта кидаються одне на одного, створюючи величезну напругу, їхні гості все ще спостерігають за «грою». Подружжя стає значно небезпечнішим, коли об’єднує зусилля, щоб зіграти в гру «дошкуль гостю».

У фізиці резонанс також може стати потужною руйнівною силою. Найвидовищніший у сучасній історії випадок деструктивного резонансу стався в листопаді 1940 року, коли боковий вітер врізався в центральний проліт мосту Такома-Нерроуз. Це диво інженерії (яке за свої розгойдування вгору-вниз отримало назву «Галопуюча Ґерті») потрапило в сильний резонанс. Через те що вітер збільшив амплітуду коливань мосту, конструкція стала вібрувати й вигинатися, і що далі, то сильніше, аж поки проліт не розірвався і не плюхнув у воду. Це феєричне падіння можна переглянути тут: cutt.ly/otLrgn.

За дев’яносто років до того у французькому місті Анже обвалився підвісний міст через річку Мен, коли по ньому строєм марширувало 478 солдатів. Їхні кроки викликали резонансні коливання мосту, від яких тріснуло кілька проіржавілих тросів. Тоді загинуло понад 200 солдатів. Через цю трагедію будівництво підвісних мостів у Франції було зупинено на двадцять років. У 1831 році, коли британські солдати стройовим кроком переходили через Бротонський підвісний міст, настил почав резонувати, з одного кінця випав болт, і міст обвалився. Ніхто не загинув, але за наказом британського командування всі військові від цього моменту переходили через мости вільним кроком.

У 2000 році в Лондоні відкрили міст Міленіум (або міст Тисячоліття), під час переходу якого багато тисяч пішоходів помітили, що його добряче хитає (через явище, яке інженери називають резонансом бічних коливань). За кілька днів влада закрила міст на реконструкцію аж на два роки, за які було встановлено демпфери, що не давали мосту розгойдуватися від кроків. Навіть величезний Бруклінський міст у Нью-Йорку неабияк налякав пішоходів, які зібралися на ньому, коли у 2003 році в місті внаслідок аварії зникло електропостачання. Полотно мосту почало розхитуватися, і декого навіть закачало.

У таких ситуаціях пішоходи створюють більше навантаження на міст, ніж машини, які зазвичай ним проїжджають, бо сумарний вплив їхніх кроків, навіть якщо вони не синхронні, може викликати резонансну вібрацію (розхитування) мостового полотна. Коли міст відхиляється в один бік, вони ступають в інший бік, щоб зберегти рівновагу, посилюючи таким чином коливання. Навіть самі інженери визнають, що не зовсім розуміють, як натовп може впливати на мости. На щастя, їм добре відомо, як будувати хмарочоси, що витримують потужний вітер і землетруси, коли існує небезпека виникнення руйнівних резонансних коливань. ­Уявіть: явище, завдяки якому жалібно звучала давня флейта наших предків, може загрожувати монументальному Бруклінському мосту і найвищим будівлям у світі.

12 Ідеться про варіації на тему «Ах, я казала вам, мамо» (Ah vous dirai-je, Maman) — французької народної пісні, на мелодію якої пізніше було написано багато дитячих пісень, зокрема «Сяй, маленька зіронько». — Прим. пер.

Розділ 7

Дива електрики

Найкраще це робити взимку, коли повітря дуже сухе. Станьте в поліестеровій сорочці або светрі перед дзеркалом у темній кімнаті та почніть їх знімати. Ви очікуєте почути потріскування, як тоді, коли дістаєте білизну із сушарки (хіба що ви не користуєтеся цими неромантичними серветками з антистатиком, призначення яких — знімати цей заряд). Але тепер ви ще й помітите світло десятків манюсіньких іскорок. Я полюбляю так робити, бо це нагадує мені, як фізика тісно переплетена з нашим повсякденням, якщо ми тільки знаємо, де її шукати. І, як я завжди кажу своїм студентам, цей невеличкий дослід ще цікавіший, якщо робити його з кимось.

Ви знаєте, що коли взимку пройтися по килиму і взятися за дверну ручку, — ви вже здригаєтеся? — вас може вдарити струмом, і стається це через статичну електрику. Можливо, ви навіть якось ударили струмом подругу, вітаючися з нею за руку, або вас било, коли ви здавали пальто в гардероб. Чесно кажучи, таке враження, що взимку статична електрика всюди. Волосся під час розчісування відштовхується між собою, а часом навіть стає дибки, коли ви знімаєте шапку. Що ж такого в зимі, і чому літає стільки іскорок?

Щоб дати відповідь на ці запитання, почнімо з давніх греків, які першими назвали й описали явище, відоме нам як електрика. Ще задовго до початку нашої ери греки знали, що коли потерти шматочок бурштину (скам’янілої смоли, з якої вони та єгиптяни виготовляли прикраси) об тканину, він притягуватиме шматочки сухого листя. А якщо потерти гарненько, може навіть добре трусонути.

Якось я вичитав, що коли греки нудилися на бенкетах, їхні жінки натирали свої бурштинові прикраси об одяг і торкалися ними жаб. Жаби, звісно, стрибали, відчайдушно тікаючи від ошалілих гуляк, що, мабуть, неабияк розважало гостей. Ця історія безглузда. По-перше, як думаєте, чи на багатьох вечірках сидять повсюди зграями жаби, чекаючи, коли їх почнуть бити струмом оп’янілі ледарі? По-друге, із причин, які я поясню трохи згодом, статична електрика виявляється слабко впродовж тих кількох місяців, коли ймовірність зустріти жабу найбільша, а повітря має високу вологість (особливо у спекотній Греції). Правдива ця історія чи ні, але безсумнівний той факт, що слово «бурштин» давньогрецькою звучить як електрон; тому це греки дали назву електриці, як і багатьом іншим речам у Всесвіті — як великим, так і малим.

Європейські фізики XVI–XVII століть, коли фізика називалася натурфілософією, нічого не знали про атоми чи їхні складники, але вони були чудовими спостерігачами, експериментаторами й винахідниками, а деякі ще й блискучими теоретиками. Тихо Браге, Галілео Галілей, Йоганнес Кеплер, Ісаак Ньютон, Рене Декарт, Блез Паскаль, Роберт Гук і Роберт Бойль, Готфрід Лейбніц, Християн Гюйгенс — усі вони робили відкриття, писали трактати, заперечували теорії одне одного і ставили середньовічну схоластику з ніг на голову.

У 1730-ті в Англії, Франції та, звісно, Філадельфії вже активно тривали справжні наукові дослідження електрики (на противагу салонним фокусам). Під час усіх цих експериментів з’ясувалося, що коли потерти скляну паличку об шовк, вона набуде заряду певного типу (назвімо його А). Але якщо те саме зробити з бурштином або каучуком, вони набудуть іншого заряду (поки що назвімо його Б). Дослідники знали, що заряди різні, бо коли вони взяли дві скляні палички, що мають заряд А, і наблизили їх одну до одної, вони відштовхувалися під дією якоїсь невидимої, але водночас відчутної сили. Тіла, що мали заряд Б, також відштовхувались одне від одного. Тоді як по-різному заряджені тіла, наприклад скляна (А) і каучукова (Б) палички, не відштовхувались, а притягувались.

Електризація тіл тертям — надзвичайно захопливе явище; воно має навіть чудову назву: «трибоелектричний» ефект, від грецького слова, що означає «тертя». Можна подумати, що заряд виникає за рахунок тертя між двома предметами, але це не так. Виявляється, що одні матеріали жадібно притягують заряд Б, тоді як інші прагнуть якнайшвидше позбутися його, набуваючи при цьому заряду А. Тертя дає такий ефект, бо збільшується кількість точок дотику між речовинами, що сприяє перенесенню заряду. Складено список матеріалів, які утворюють так званий трибоелектричний ряд (його легко знайти в інтернеті), і що далі на шкалі розташовані матеріали, то простіше вони взаємно електризуються.

Візьмімо пластмасу або твердий каучук, з яких зазвичай виготовляють гребінці. У трибоелектричному ряді ці матеріали розташовані далеченько від волосся людини, що пояснює, чому коли його розчісуєш узимку, воно швидко починає іскрити і ставати дибки — особливо моє. А ще подумайте над таким: воно не тільки іскрить, адже енергійно розчісуючись, я заряджаю і гребінець, і волосся, але оскільки волосся набуває однакового заряду (не має значення, якого саме), усі однойменно заряджені волосини починають відштовхуватися одна від одної, і я стаю схожим на божевільного професора. Коли ви човгаєте туфлями по килиму, то набуваєте заряду А чи Б залежно від матеріалу підошви й килима. І коли вас потім ударяє струмом дверна ручка, то ваша рука або приймає заряд від неї, або віддає їй свій заряд. Для вас, утім, це не має жодного значення — ви так чи інакше відчуєте удар.

Ідею про те, що всі речовини пронизані «електричним флюїдом, або «електричним вогнем», запропонував Бенджамін Франклін13 — дипломат, державний діяч, видавець, політичний філософ, винахідник біфокальних окулярів, ластів, переносного одометра і бездимної груби14. Його теорія видавалася переконливою, бо чудово пояснювала результати експериментів інших натурфілософів. Наприклад, англієць Стівен Ґрей продемонстрував, що металевий дріт передає електрику на великі відстані, тому ідея про зазвичай невидимий флюїд, або вогонь (урешті-решт, іскри таки нагадують вогонь), здавалася обґрунтованою.

Франклін стверджував, що коли «вогню» забагато, тіло має позитивний заряд, а в разі його нестачі — негативний. Також він започаткував традицію позначати заряд знаком «+» або «‒» і вирішив, що коли потерти шматочок скла об вовну або шовк (створюючи заряд А), у ньому утвориться надлишок «вогню», і тому цей заряд слід називати позитивним.

Франклін не знав, що викликає електричний струм, але його теорія про «електричний флюїд» була блискучою, а також корисною, хоч і не зовсім правильною. Він запевняв, що коли перенести флюїд з однієї речовини в іншу, та, що його отримала, стане позитивно зарядженою, а та, що втратила, — негативно зарядженою. Франклін відкрив закон збереження електричного заряду, згідно з яким заряд не виникає нізвідки й нікуди не зникає. Створюючи певну кількість позитивного заряду, ви автоматично генеруєте таку само кількість негативного заряду. Електричний заряд — це гра з нульовою сумою. Мовою фізики це означає, що заряд залишається сталим.

Як і ми сьогодні, Франклін розумів, що однакові заряди (обидва позитивні або обидва негативні) відштовхуються, а протилежні (позитивний і негативний) притягуються. Як показали його експерименти, що більше «вогню» мали тіла і що меншою була відстань між ними, то сильніше вони притягалися чи відштовхувалися. Також він, приблизно одночасно з Ґреєм та іншими дослідниками, з’ясував, що одні речовини проводять флюїд, або «вогонь» (сьогодні ми називаємо їх провідниками), а інші — ні, тому їх називають непровідниками (діелектриками), або ізоляторами.

Єдине, чого не зрозумів Франклін, із чого складається цей «вогонь». Якщо це не «вогонь» і не флюїд, то що тоді? І чому його, з огляду на це, значно більше взимку, принаймні в моїх краях, на північному сході Сполучених Штатів, і воно б’є нас струмом з усіх боків?

Перш ніж зазирнути всередину атома, щоб розібратися із природою «електричного вогню», нам потрібно зрозуміти, що електрика проникла в наше життя значно глибше, ніж вважав Франк­лін — і ніж це уявляє більшість із нас. На ній не лише тримається левова частка наших щоденних справ. Тільки завдяки електриці можливе те, що ми бачимо, знаємо й робимо. Ми здатні думати, відчувати, розмірковувати й сумніватися лише тому, що електричні заряди щосекунди проскакують між незліченними мільйонами з майже 100 мільярдів клітин у нашому мозку. Крім того, ми можемо дихати тільки завдяки тому, що наші нейрони виробляють електричні імпульси, які змушують різні м’язи грудної клітки скорочуватися й розслаблятися у складній симфонії рухів. Наприклад, якщо геть просто, коли діафрагма скорочується й опускається, грудна порожнина розширюється і в легені заходить повітря. А коли вона розслабляється, то піднімається і виштовхує повітря з легенів. За кожним із цих рухів стоїть сила-силенна крихітних електричних імпульсів, які безперервно розсилають повідомлення по нашому тілу, в цьому випадку наказуючи м’язам скорочуватися, а потім розслаблятися, щоб почали працювати інші м’язи. Туди-сюди, туди-сюди — і так усе життя.

Ми бачимо тому, що крихітні клітини сітківки ока, палички й колбочки, які сприймають відповідно чорно-біле й кольорове зображення, реагуючи на стимул, передають зоровими нервами електричні сигнали в мозок. А мозок тоді визначає, що перед нами — ятка із фруктами чи хмарочос. Більшість наших машин їздить на бензині, хоча в гібридах дедалі частіше використовують електрику, але жоден бензиновий двигун не зможе працювати без електричного струму, що йде від акумулятора через запалювання до циліндрів, де електричні іскри викликають керовані вибухи — тисячі за хвилину. Молекули утворюються в результаті дії електричних сил, які поєднують між собою атоми, тому хімічні реакції, наприклад, горіння бензину, були б неможливими без електрики.

Завдяки електриці скачуть коні, хекають собаки й потягуються коти. Через електрику зминається харчова плівка, склеюється скотч, а целофанова обгортка ніяк не відлипає від коробки цукерок. Цей перелік аж ніяк не повний, але все, що ми можемо уявити, існує завдяки електриці. Ми навіть думати без неї не можемо.

Те саме можна сказати, якщо перемкнути увагу на частинки, які менші за мікроскопічні клітини нашого тіла. Уся матерія на Землі складається з атомів, і щоб по-справжньому зрозуміти електричні явища, потрібно зазирнути всередину атома й побіжно розглянути його складові — поки що не всі, щоб занадто не ускладнювати, а лише ті, які нам цікаві зараз.