Естественнонаучная картина мира - [48]

Случайный опыт стал для Эрстеда отправной точкой планирования и проведения серии экспериментов. Магнитная стрелка располагалась на разных расстояниях от проводника, брался проводник разной длины и сечения, были испробованы различные металлы, источники тока разных параметров, проводник и компас помещались в различные среды, между ними помещались экраны из непроводящих материалов. Все результаты ученый тщательно фиксировал и протоколировал. Наконец, конкретные эксперименты перешли в новое качество: Эрстед приступил к обобщениям. Он действовал крайне аккуратно и старался ни на шаг не отступать от фактов, руководствуясь ньютоновской мудростью о неизмышлении гипотез. Выводы, которые сделал Эрстед, возможно, именно поэтому кажутся несколько скромными, однако для своего времени они стали настоящим прорывом, о чем прямо заявил, например, Андре-Мари Ампер, едва ознакомившись с ними. Выводы Эрстед сделал следующие. Во-первых, любой проводник из любого металла, подключенный к источнику переменного тока, обнаруживал свойства магнита. Этот результат сбрасывал с магнетизма столетиями окружавший его покров таинственности и проклятье «внутренних качеств» или «скрытых сил». Оказалось, что магнетизм может быть порожден внешним воздействием – движением электрического тока. Во-вторых, никакое экранирование не мешало проводнику воздействовать на магнитную стрелку. Это сильно отличалось от других похожих явлений, в которых проводник мог быть изолирован непроводящим веществом, ограничивающим распространение тока. В-третьих, Эрстед пришел к выводу, что магнитное воздействие подобно «вихрю» и распространяется перпендикулярно проводнику, тогда как распространение электричества происходит, как известно, вдоль проводника.

Несмотря на то, что последнее было не очень понятно в рамках существующей картины мира (как именно сила, действующая вдоль проводника, может порождать силу, действующую (на стрелку) перпендикулярно проводнику?), открытие Эрстеда произвело сильное впечатление на современников. Его труд был переведен на все основные европейские языки. Уже в ближайшие годы ряд ученых, среди которых были П. Лаплас и А.-М. Ампер, предложил несколько вариантов для дальнейшего развития этой гипотезы, в частности, рассмотрев взаимодействие двух проводников, вплотную подойдя к проблеме связи электрических и магнитных явлений в контексте их взаимопорождения. Однако здесь Ампера ждала неудача: его блестящая гипотеза, предвосхитившая гипотезу Майкла Фарадея, не прошла проверку экспериментом и, как позднее стало понятно, была изначально ошибочна. Ампер предположил, что магнитное поле, порожденное переменным током в проводнике, должно, в свою очередь, превращаться в электричество, то есть порождать ток во втором проводнике, внесенном в магнитное поле. Разумеется, результат был отрицательным, иначе, как тонко пошутил один из современных исследователей творчества великого французского ученого, А.-М. Ампер мог бы претендовать на открытие вечного двигателя.

С трудом Эрстеда в те же самые годы внимательно ознакомился и тот человек, которому предстояло сделать следующий серьезный экспериментальный шаг на пути исследования электромагнетизма – М. Фарадей.

Он относился к тому разряду ученых, которых условно относят к «эмпирикам», а не «теоретикам». Действительно, большая часть заслуг Фарадея – экспериментальные наблюдения, но наблюдения, удивительно точные, яркие и потому очень часто революционные. Не получивший систематического образования, талантливый самоучка Фарадей так и остался удачливым экспериментатором, сделавшим, правда, из эксперимента совершенство. Можно сказать, что на экспериментальном уровне проблема электромагнетизма была решена именно Фарадеем. Прочитав небольшую работу Эрстеда, он, как и многие его современники, включая А.-М. Ампера, сразу понял, куда нужно двигаться дальше, не совершив при этом типичных ошибок. Если, рассудил он, электрическая сила каким-то образом порождает магнитную, то и магнитная сила должна порождать электрическую (ведь действие равно противодействию, третий закон, так!). В своем научном дневнике он выразил вновь возникшую стратегию такими словами: «Превратить магнетизм в электричество».

Попытаемся воспроизвести основные шаги Фарадея в построении своего эксперимента. Известно, что если на лист бумаги насыпать тонким слоем металлические опилки и поднести снизу магнит, то опилки начнут выстраиваться в определенном порядке, образуя четкий рисунок линий – от положительного полюса магнита к отрицательному. Оставим вопрос, насколько данная визуализация показывает реальные физические объекты (например, «векторы магнитных сил» и т. д.) – просто обозначим данные линии как силовые линии магнитного поля. Теперь представим себе, что лист бумаги с опилками по некой геометрической оси пересекает проводник, скрученный в спираль вокруг этой оси и подключенный к источнику тока. Мы увидим на листе ту же картину, что и с вышеприведенным магнитом – опилки расположатся вдоль «силовых линий» от положительного полюса к отрицательному.

Второй пример является лишь одной из возможных иллюстраций к открытию Эрстеда. Однако, поскольку картина из опилок складывается почти идентичная, то можно предположить, что при вхождении магнита в спиральный контур (распространение электрической силы, как мы помним, должно быть перпендикулярно относительно магнитной) внутри него будет возникать электрический ток, точнее – некая сила, вызывающая электрический ток. Если проводник подключить, например, к гальванометру, то прибор покажет наличие в проводнике искомого тока. Собственно, это и был первый эксперимент Фарадея – эксперимент, окончившийся полной неудачей, отсрочившей долгожданное открытие почти на десятилетие. Как и положено экспериментатору, Фарадей не сдавался – он использовал все более и более мощные магниты, усовершенствовал проводниковый контур, интуитивно создав, по сути, индукционную катушку. Однако ожидаемый результат не приходил. Наконец, Фарадей с удивлением обратил внимание на следующий факт – прибор показывал наличие тока в проводнике только в двух случаях: а) когда магнит входил внутрь контура; б) когда магнит вынимался из контура наружу. Фарадей сделал вывод: ток в проводнике возникает только в том случае, если магнит со своими силовыми линиями перемещается относительно проводника, то есть магнитное поле не постоянно, а переменно. Таким образом, условием электромагнитной индукции (так назвал Фарадей наблюдаемое им явление возникновения тока в проводнике под действием магнитных сил) является механическое движение.