Сержио Рарра Кастильо Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
ГЛАВА 1. В поисках Божественной искры
жүктеу/скачать 1.83 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- * * * Последствия извержения Тамборы
- Кипящий котел Тамборы * * *
- ПЕРВЫЕ ГОДЫ МАЛЬЧИКА БЕЗ БУДУЩЕГО
- * * * Новая эра пара
- Чертеж к паровой машине Джеймса Уатта. 1784 год.
- ИСКРА ВДОХНОВЕНИЯ ПРОСТОГО САМОУЧКИ
- * * * Страница, вдохновившая Фарадея
- Книжная лавка Рибо, в которой Фарадой работал и начал ставить первые опыты с электричеством.
- * * * Королевский институт, колыбель британской науки
- Томас Хосмер Шеферд (1793–1864). Фасад Королевского института Великобритании (акварель, 1838 год). Колонны коринфского ордера построены по предложению Фарадея в конце 1830-х.
- * * * Гемфри Дэви, покровитель Фарадея
- ПЕРВЫЕ ИСКРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
- «Меняла — полотно Рембрандта, позволяющее оценить, насколько плохо освещались помещения в XVIII веке.
- Портрет Майкла Фарадея, появившийся в книге «Британское научное наследие» (Britain’s Herttage of Science), 1917 год.
- Схема опыта Луиджи Гальвани, использовавшего электричество для оживления трупов лягушек.
- * * * Ученые и вера в бога
- Квакер Джон Дальтон * * *
- * * * Религиозная вера как научное вдохновение
- Уильям Харви
ГЛАВА 1.В поисках Божественной искрыВ начале 1800-х годов ядовитый смог и недостаток света от уличного освещения превращали Лондон в неприветливый темный город. Тайна, окутывавшая природу электричества, не позволяла оценить его практические свойства. К счастью, в одной скромной семье рос мальчик, который очень скоро почувствует страстный интерес к электрическим и магнитным явлениям.
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 СВЕЧИДо 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 Darkness («Тьма», приводится в переводе И.С. Тургенева): Я видел сон… не все в нем было сном. Погасло солнце светлое — и звезды Скиталися без цели, без лучей В пространстве вечном; льдистая земля Носилась слепо в воздухе безлунном. Час утра наставал и проходил, Ho дня не приводил он за собою…
Темное лето 1816 года вдохновило и писателей: например, Мэри Шелли (1797–1851) создала литературный образ монстра Франкенштейна. Художники, включая Уильяма Тернера (1775–1851), писали на своих полотнах закаты в сумеречных тонах, однако сейчас нам известно, что эти картины представляют реальное лондонское небо того периода. Естественно, недостаток света стал причиной не только темноты, но и холода, особенно если учесть, что в ту эпоху климат был холоднее, чем сейчас. Камины были не слишком эффективны для отопления больших помещений, и Томас Джефферсон рассказывал, что однажды был вынужден прекратить писать, так как чернила в его чернильнице замерзли. Рассказывая о морозных зимах на большей части территории Северной Америки в не таком уж далеком 1866 году, мемуарист Джордж Темплтон записал в своем дневнике, что, несмотря на две печки и камины, температура в его доме в Бостоне не превышала трех градусов. * * *Последствия извержения ТамборыИз огромного количества вулканического материала, выброшенного Тамборой, из лавы, пепла и пемзы сформировались острова. Мельчайшие частицы поднялись выше 15 километров, некоторые попали даже в стратосферу, откуда начали свое медленное и неуклонное движение к самым отдаленным регионам планеты. По воле восточных ветров, господствующих на высоте, пепел Тамборы несколько раз облетел Землю. Насыщенность атмосферы вулканическими осадками была такой, что их обнаружили в снегах Гренландии и на заснеженном плоскогорье Антарктиды. Невероятный факт Всего за несколько месяцев частицы пепла достигли Англии и Испании, из-за чего померкло небо. Для людей, не подозревавших о существовании Тамборы, этот факт казался невероятным: мало кто мог предположить, что извержение далекого вулкана заставит померкнуть Солнце во всем мире. Например, в Испании понижение температуры, связанное с таким затенением, сильно повлияло на сельское хозяйство. Многие культуры не смогли вызреть, урожай был скудным и поздним. 
Кипящий котел Тамборы* * *Тогда еще никто не думал об электричестве, никто и не предполагал, что оно может иметь практическое значение. Луиджи Гальвани (1737–1798), используя простые батарейки, доказал, что электричество заставляет напрягаться мускулы мертвой крысы, из чего сделал вывод: оно является источником жизни. Его племянник Джованни Альдини (1762–1834) устроил целый спектакль: он «оживлял» отрубленные головы только что казненных преступников. Электричество использовалось для лечения запоров и неподобающей эрекции у мальчиков, но никто не мог и предположить, что его можно использовать для того, чтобы осветить и согреть мир. У молодого Фарадея чтение Гальвани вызывало особый интерес, особенно часть, касающаяся оживления мертвых, так как недавно у Майкла умер отец. Фарадей, как и Шелли в своем романе о Франкенштейне, написанном, когда тьма далекого вулкана закрыла небо, размышлял: правда ли, что Гальвани изобрел способ возродить жизнь? Правда ли, что он открыл искру жизни? Гемфри Дэви, будущий наставник Фарадея, в начале XIX века описал дуговой разряд между двумя угольными стержнями. Ho только в 1846 году человек по имени Фредерик Хэйл Холмс (прим. 1811–1870) запатентовал дуговую лампу. О биографии Холмса известно немного, но считается, что он отправился в Англию, чтобы разделить свое открытие с Фарадеем, сразу же осознавшим важность этой технологии для улучшения света маяков. Технологию впервые применили 8 декабря 1858 года для маяка Саут-Форленд близ Дувра. Позже этот же принцип был использован и на других маяках, но он оставался дорогостоящим и сложным. Для эксплуатации требовался постоянный технический контроль, были нужны электромагнитный двигатель и паровая машина. К сожалению, свет маяка был слишком сильным, а установка не подходила для бытового использования: требовалась еще нить накаливания, которая могла гореть в течение продолжительного времени.
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. * * *Новая эра параИзобретение паровой машины стало ключевым фактором, запустившим каток промышленной революции. Первая машина на основе парового котла, похожего на те, что использовались для приготовления пищи, была изобретена французским физиком Дени Папеном (1647-1712) и сконструирована английским инженером Томасом Севери (1650-1715). Ее широкое использование началось в 1700-х годах. В 1712 году конструкция была усовершенствована Томасом Ньюкоменом (1663-1729), сотрудничавшим с Севери, и не менялась в течение 50 лет, до изобретения Джеймсом Уаттом более эффективной модели. В 1774 году Уатт при поддержке крупного капитала смог поставить на коммерческую основу производство новых машин, и к 1800 году в Англии их работало около 500.
* * *Несмотря на все трудности, Фарадеи были счастливой семьей. Они принадлежали к общине сандеманианцев — течения, отделившегося от пресвитерианской церкви Шотландии и англиканской церкви. Сандеманианцы считали бедность достоинством человека, ведь сам Иисус, бывший бедным, говорил, что легче пройти верблюду сквозь игольное ушко, чем богатому войти в Царствие Небесное. По этой причине, а также и потому, что Фарадею пришлось с юных лет работать — сначала разносчиком газет, а затем в книжном магазине, — его исследовательская деятельность началась довольно поздно, в том возрасте, когда большинство ученых уже обычно совершают свои великие открытия. Фарадей с большим энтузиазмом относился к интеллектуальным занятиям. Например, ему очень нравилось придумывать разные игры в слова для своих друзей. Вот такой ответ он отправил Бенджамину Эбботту: «Нет — нет — нет — нет — никто — справа — нет философия еще не мертва — нет — О, нет — он знает это — спасибо — это невозможно — Браво. В этих строках, дорогой Эбботт, заключен полный и ясный ответ на первую страницу твоего письма от 28 сентября». Подросток почти не ходил в школу и все время проводил на улице, играя с друзьями в камушки в соседнем переулке от своей лачуги. Позже Фарадей будет сожалеть об этом: «Мое образование было самым обычным и состояло из зачатков чтения, письма и арифметики в самой простой и ничем не примечательной школе». В 13 лет Майкл Фарадей, бедняк, не получивший практически никакого образования, начал работать. Его отец предпочел бы, чтобы сын стал подмастерьем у кузнеца, но промышленная революция меняла общество. Хотел этого отец Фарадея или нет, но будущее было за паровыми машинами. Несмотря на то что у Джеймса была возможность устроить сына работать вместе с собой, Майкл временно поступил разносчиком книг к Джорджу Рибо, хозяину соседнего книжного магазина на Бландфорд-стрит, недалеко от Бейкер-стрит. Работа была очень простой: нужно было бегать по окрестностям, что не составляло труда для мальчика, проводившего на улице с друзьями большую часть времени. Такая работа даже не требовала умения читать. Ho при этом Фарадей умел читать, как и многие в то время: все больше людей тянулись к чтению, уровень грамотности в промышленно развитой Европе сильно возрос, отчасти благодаря механизированным прессам, существенно удешевлявшим процесс книгопечатания. Этот всеобщий интерес к книгам давал работу молодому Фарадею, и сам мальчик не мог не поддаться ему. Результат можно угадать: Майкл посматривал на книги, которые разносил, с растущим любопытством. Это любопытство распространилось и на заднюю комнату лавки, где сшивались страницы книг. Рибо в письме 1813 года так передает жажду Фарадея к изучению нового по книгам: «После рабочего дня он занимался в основном перерисовкой и копированием сборника Artist’s Repository («Коллекция художников »). номера которого получал еженедельно. […] Еще он часто читал произведение доктора Уоттса «Совершенствование разума », носил его с собой в кармане, когда с утра отправлялся на прогулку, шел смотреть какое-либо произведение искусства или искал какую-то редкость растительного мира или минерал. […] Если у меня была какая-нибудь любопытная книга моих клиентов с картинками, которую нужно было переплести, он копировал их, если они казались ему необыкновенными или занятными». ИСКРА ВДОХНОВЕНИЯ ПРОСТОГО САМОУЧКИВ 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. * * *Страница, вдохновившая ФарадеяПрочитав в энциклопедии Британника статью «Электричество», написанную Джеймсом Тайлером, Фарадей почувствовал, что обязан прояснить содержавшееся в ней противоречие. Тайлер, продолжая давно существовавшие теории, утверждал, что все электрические явления — как оптические, так и тепловые — могут быть объяснены вибрациями некой жидкости, флюида. Бенджамин Франклин говорил, что тела в обычном состоянии имеют электрический флюид, а отрицательный или положительный заряд соответствует уменьшению или увеличению этого флюида. Роберт Симмер (1707–1763) заявлял, что существуют два вида электричества, или флюидов, — положительный и отрицательный — и каждое тело имеет определенное количество флюида. Для проверки этих явлений Фарадей, используя старые бутылки и дерево, построил в задней комнате лавке Рибо маленький электрогенератор. Эта машина, принцип действия которой основан на трении, хранится в Королевском обществе в Лондоне как предмет, созданный великим экспериментальным гением эпохи. 
Книжная лавка Рибо, в которой Фарадой работал и начал ставить первые опыты с электричеством.* * *Единственное, что он мог себе позволить, это собрания дискуссионного кружка, состоявшего из молодых рабочих, желавших повысить свой социальный статус. Встречи проходили по средам в 8 вечера в доме преподавателя физики Джона Татума, за участие нужно было заплатить один шиллинг. Татум или члены кружка по очереди готовили небольшую лекцию, выбрав тему на свой вкус. Когда пришла очередь Фарадея, он рассказал об электричестве. Именно тогда начинающий ученый получил первые поздравления за свои научные занятия. Фарадей с удовольствием вел бы прежний образ жизни, однако дела у него дома шли непросто. Отец был серьезно болен, и семья вынуждена была переехать в квартиру получше, ближе к центру города, однако через несколько месяцев, когда Майклу только исполнилось 19 лет, Джеймс умер. Семья поселилась в скромном жилище на Веймут-стрит. Фарадей тосковал по отцу, и однажды ночью ему вспомнился давний случай, как отец спас ему жизнь, когда Майкл чуть не упал в дырку между досками старого амбара в Ньюингтоне. В этот момент Фарадей принял решение, что будет развивать свой ум насколько это возможно, чтобы стать великим натурфилософом. Он решил продолжать работу переплетчиком, чтобы содержать семью, но одновременно приложить все усилия для достижения великих интеллектуальных горизонтов, несмотря на свое скромное происхождение и надменность науки, признававшей только голубую кровь, в эпоху, когда впервые люди из низших слоев пытались улучшить свое социальное положение, выступая против сложившегося status quo. Искра жизни Гальвани, смерть отца, чтение в лавке Рибо книг, предназначенных для других, занятия с Татумом — все это подстегивало юношеские мечты Фарадея. Ho он должен был финансово помогать семье, и юноше нередко казалось, что судьба против него: все словно сговорились, чтобы он оставался простым переплетчиком, был еще одним колесиком огромного лондонского механизма. Мечта быть ученым становилась все призрачнее. Как только у Фарадея появлялось свободное время, он чувствовал, что должен не читать, а трудиться, ведь мать и братья зависели от него. Натурфилософы не могут работать в таких условиях. Значит, не стоило и мечтать о том, чтобы однажды стать одним из них. * * *Королевский институт, колыбель британской наукиКоролевский институт Великобритании был частным учреждением для высшего класса, неким научным Олимпом, который вмещал только ученых из высших слоев общества. При этом основной целью Королевского института было просвещение и распространение науки и способов ее применения в повседневной жизни, проведение публичных лекций и экспериментов. Его основателем был Бенджамин Томпсон, более известный как граф Румфорд, родившийся в Массачусетсе (США) в 1753 году. Научные достижения позволили ему вступить в Лондонское королевское общество в 1799 году. В том же году он и ботаник Джозеф Бэнкс предложили Георгу IN проект создания института, первым президентом которого стал Джордж Финч. Параллельно в Королевском химическом колледже и Правительственной школе горного дела и прикладных наук разрабатывались технические новшества. 
Томас Хосмер Шеферд (1793–1864). Фасад Королевского института Великобритании (акварель, 1838 год). Колонны коринфского ордера построены по предложению Фарадея в конце 1830-х.* * *Ho произошло одно из тех случайных совпадений, которые резко меняют обычный ход вещей. Однажды человек по имени Денс Джунр, член Королевского института, вошел в лавку Рибо. Джунр заинтересовался одной из книг, переплетенных Фарадеем: на страницах, заключенных во внушительный переплет, были пометки самого Фарадея, которые он делал на собраниях Татума. Джунр попросил книгу на некоторое время, и Рибо согласился. Через несколько недель книга вернулась в лавку, а среди ее страниц лежало четыре листка. Фарадей с большим удивлением обнаружил, что это были билеты на следующий цикл публичных лекций Гемфри Дэви. Это был подарок небес, который чудесным образом открывал Фарадею путь к его мечте. He зря считается, что жизнь Фарадея достойна литературного произведения, поэтому его биография занимает писателей гораздо больше, чем биография Ньютона, Эйнштейна или Мэрилин Монро. Гемфри Дэви был для Фарадея одним из самых великих натурфилософов. Фарадей с трудом сдержал свои эмоции, когда впервые ступил на порог Королевского института, чтобы прослушать лекцию элегантного Дэви. Это произошло 29 февраля 1812 года, и, возможно, это был самый волнующий день в жизни Фарадея. Чтобы никогда не забывать о нем, Майкл перед началом лекции, сидя в аудитории, открыл тетрадь и очень подробно записал все, что его окружало: «Писатели и ученые, практики и теоретики, синие чулки и модно одетые дамы, старики и молодежь — все эти взволнованные люди переполняли лекционный зал». Синие чулки, о которых пишет Фарадей, — это члены Общества синих чулок (Blue Stocking Society), интеллектуального кружка, собиравшегося в доме Элизабет Монтэпо, известной дамы той эпохи. Наконец, на кафедру вышел Дэви и, как всегда блестяще, прочел лекцию. Аудитория слушала его в полной тишине, а Фарадей старался не упустить ни единого слова из уст своего кумира и сделал ряд записей и зарисовок на 96 страницах.
|
