запланована випадковість

запланована випадковість

Давид Шарля, Хасапов Борис

Неординарним був шлях до цього відкриття. Близько сотні років блукали вчені багатьох країн поряд з істиною, але сталося те, що сталося. Наша розповідь про те, як невдалі гіпотези далеко відводять дослідників від істини і в той же час безглузді припущення призводять до блискучих результатів, підтверджуючи положення такої науки, як логіка, що з неправильних передумов можна прийти до правильних результатів.

В 1600 р родоначальник науки про електрику лікар У. Гільберт, запропонував речовини, що володіють властивістю залучати тяжінням до себе інші тіла, розділити на дві категорії - тіла електричні і магнітні як володіють кардинально різними властивостями. Натерті електричні тіла притягували до себе більшість з відомих речовин (вірніше, їх частинки), в той час як магнітні притягували тільки залізо і його руди. У науці така класифікація прижилася і ніяких заперечень не зустрічала.

Однак протягом двохсот років при вивченні цих явищ, а вивчалися вони інтенсивно, було помічено, що іноді властивості тел проявляються разом. І навіть більше того, дослідники стали розуміти, що електричні явища викликають магнітні. Це був настільки очевидний факт, що він увійшов в підручники фізики того часу як само собою зрозумілий. Наведемо кілька цитат з різних авторів і різних часів.

1. «Неодноразово було помічено, що блискавка, падаючи поблизу компаса, абсолютно змінює його напрямок» / П. Мюссенбрук. Голландія, 1729 г. /.

2. «Магнетизм - не що інше, як дія електричної матерії» / Д'Алібар. Франція. 1752 г. /.

3. «Розрядка батареї, проведене через сталеву стрілку, ону намагнічує» / Г. Адамс. Англія, 1784 г. /.

4. «Залізо і сталь стають від блискавки або від сильної іскри намагніченими» /Г.К. Ліхтенберг. Німеччина, 1789 г. /.

5. «Блискавка робить залізо магнетичним і теж виробляє штучне електрику» / А. Стойкович. Росія 1810 г. /.

Таких прикладів можна навести безліч. Цікаво відзначити, що деякі вчені навіть спеціально намагнічували компасні голки електрикою. Ось що пише в 1750 р з Америки Б. Франклін: «За допомогою електрики нам (тут, у Філадельфії) часто вдавалося повідомляти голках полярність і змінювати її на протилежну» [2].

Можна задатися питанням: що потрібно було ще зробити, щоб відкрити магнітні прояви електрики? Адже вони відкриті і з давніх пір є надбанням всіх натуралістів!

І все-таки відповідь на це питання існує. Суть його в тому, що вчені описуваного періоду неправильно пояснювали явища, що відбуваються в металевих провідниках при електричних і грозових розрядах. Для того щоб зрозуміти це, звернемося до історії виникнення лейденської банки.

Один з перших електрізаторов, які зазнали на собі дію електричного розряду від цього пристрою, лейпцігський професор І.Г. Вінклер так описав дійсно незабутнє враження, вироблене на нього. «Я займався рука була вражена ударом з такою силою, що все тіло здригнулося, як від удару блискавки. Незважаючи на те що посудина, зроблений з тонкого скла, що не розбивається і кисть руки зазвичай не зміщується при такому потрясінні, проте лікоть і все тіло уражаються настільки страшним чином, що я не можу висловити словами. Я думав, що все скінчено »[3].

Досвід Вінклера повторювали багато.

Експериментатори заявляли, що при електричному розряді через їхнє тіло вони відчували страшне «потрясіння». Те ж саме стверджують і наші сучасники, потрапивши під підвищена напруга. «Мене трясло», - кажуть вони. Фізики того часу вважали, що таке ж «трясіння» відчувають не тільки живі істоти, а й металеві провідники, через які тече електрику. Ось саме це помилка і стало причиною настільки запізнілого відкриття, зробленого Ерстед.

Справа в тому, що аж до XIX в технологіях виготовлення магнітів для потреб науки і мореплавання існувало всього два способи. Один - натиранням сталі або заліза магнітами і інший - з використанням магнетизму Землі.

Ось як описував магнітних справ майстер виготовлення магнітів другим способом: «Головне засіб складається в порушенні магнітної сили за допомогою наголосів. Для цього я вживав м'яку сталь. Я брав сталеву кочергу або прут, тримав покоління було в вертикальному положенні і тихо ударяв цей прут по кілька разів, що доставляло оному магнітну силу »[4].

З огляду на ці фактори, вчені того часу легко могли уявити собі картину, як електричний розряд, проходячи, наприклад, по сталевий голці, стрясає її в магнітному полі Землі, від чого вона і намагничивается.

Ось що писав російський академік Ф. У. Епінус, до речі, що зважилася підготувати мемуари «Про схожість електричної сили з магнітними».

«Без сумнівів (! - Б.Х.), до числа тих причин, які можуть найсильнішим чином потрясти найдрібніші частинки заліза, відноситься електрична блискавка, або вироблена за допомогою лейденськоїбанки, або вириваються із хмари, що загрожує громом. Стверджуючи це, я не сумніваюся, що отримаю схвалення всіх тих, які коли-небудь піддавали своє тіло так званого електричному потрясіння. Неважко зрозуміти, чому виходить так, що залізні предмети досить часто стають магнітними »[5].

Однак, незважаючи на всю категоричність заяв Епінуса, в ньому присутній і частка скепсису. «Як мені здається, зі сказаного вище зрозуміла причина того, що завдяки електриці залізні дроту можуть стати магнітними; тому немає потреби шукати будь-яку іншу причину; мабуть, помиляються ті, які вважають, що цей досвід кидає певне світло на таємничу зв'язок між електрикою і магнетизмом. Але я готовий визнати, що це питання заслуговує нового розгляду шляхом дослідів ».

Із заяви видатного електрізатора слід, що все-таки існували сумніваються і серед колег-науковців, та й сам він хотів дослідів, які зроблять його «погляд абсолютно безсумнівним або (чегго хибність».

З розвитком науки про електрику і появою вольтова стовпа можливості дослідників розширилися. За справу взялися сотні ентузіастів. Серед них був і Х.К. Ерстед (14.08.1777 - 09.03.1851). Йому було зумовлено зробити відкриття, яке шокувало вчений світ, як розряд лейденської банки.

Сторінки біографії вченого

Початок життєпису Ханса Крістіана Ерстеда не віщує нічого неординарного. Народився він на одному з численних островів Данії в родині аптекаря. Його початкову освіту навіть не можна назвати домашнім. Німець-перукар навчає його німецькій мові і першим діям арифметики - додавання і віднімання (інших перукар не знав). Читання і лист хлопчик освоює за допомогою дружини перукаря. Поділу навчив його місцевий пастор, а міський суддя давав уроки французької мови. Серед інших його вчителів можна знайти недоучку-студента і просто старших товаришів по іграх.

З одинадцяти років Ханс Крістіан вже допомагає батькові в аптеці, де у нього пробуджується інтерес до природничих наук і виникає бажання вступити до університету.

Університет в столиці Данії Копенгагені заснований ще в 1478 р, але загальноосвітня культура його досить низька. Досить сказати, що з початку ХVIII століття кафедра фізики в ньому була ліквідована з тією метою, щоб посилити курс богослов'я [6].

Проте в 1794 р Ерстед в якості абітурієнта виїжджає в Копенгаген і цілий рік готується до іспитів, які потім успішно витримує. Після закінчення трирічного навчання в університеті Ерстед отримує звання фармацевта вищого ступеня. Втім, слово «вищий» ні про що не говорить. Фізику та хімію, ці фундаментальні для натураліста науки, викладав в університеті за сумісництвом професор медицини. Цілком зрозуміло, яким був рівень знань випускника. До речі, за час навчання Ерстед отримує за свої навчальні твори - роботи з естетики та медицині - дві золоті медалі.

Ще в студентські роки Ханса Крістіана зацікавили питання філософії, результатом чого стала поява першої друкованої роботи «Метафізичні основи природознавства Канта» в одному зі столичних журналів в 1798 р Ця робота в розширеному варіанті принесла автору (без захисту) ступінь доктора філософії. Відзначимо даний факт як вельми значущий для історії ... електрики.

Випускник-фармацевт влаштовується тимчасовим керуючим однієї з модних столичних аптек, але сильне бажання викладацької діяльності приводить його до посади ад'юнкта при університеті. Йому доручається читання двох лекцій на тиждень без оплати праці. Отже, він повинен був продовжувати працювати в аптеці. Ця робота хоч і відволікала від науки, але дозволяла використовувати устаткування аптеки як дослідницької лабораторії. Тут же молодий вчений влаштовує собі портативний вольтів стовп, щоб демонструвати студентам гальванічні досліди.

Три роки викладання в університеті не проходять даром. Старанний ад'юнкт був помічений начальством і відправлений у закордонне відрядження для підвищення наукової кваліфікації. Спочатку Німеччина, де Ерстед близько знайомиться з деякими філософами і грунтовно вивчає філософію природи Шіллінга. Потім Париж, ика Шарля, хіміка Бертолле, натураліста Кюв'є. Велике враження на молодого вченого виробляють студентські лабораторії Паризької політехнічної школи. Адже в рідній Данії таких немає. І ось його висновок: «Сухі лекції без дослідів, які читають в Берліні, не подобаються мені. Всі успіхи науки повинні починатися з експериментів ». Нагадаємо, що це пише доктор філософії, науки, логічні побудови якої за традицією стоять на першому місці.

І все-таки саме в Німеччині відбулася зустріч відрядженого вченого з людиною, талант і розум якого вплинув на його наукові інтереси. Йдеться про «геніального фантазера» і навіжений, неординарному фізики і хіміка Йоганна Вільгельма Ріттера, принциповому прихильника натурфілософії Шеллінга, ідеї якої полягали в тому, що нібито всі сили в природі виникають з одних і тих же джерел. Ці положення і зацікавили Ерстеда.

Молоді вчені, погляди яких повністю збігалися, проводили не тільки спільні досліди, але і стали близькими друзями. Експерименти проводилися по темі зв'язку електрики з іншими фізичними явищами. Що було відомо про це науці того часу?

1. Електрику могло виробляти механічну роботу. (Натерта бурштин притягує легкі тіла. Явище відомо сотні років.)

2. Електрику давало світло і звук. (Електрична іскра.)

3. Електрика давало тепло. (Гальванічне розжарювання дроту.)

4. Електрику можна пробувати на смак, воно виробляє інші фізіологічні дії.

5. Електрику володіє хімічною дією. (Тут крім дослідів з розкладання води Ріттер як першовідкривач прекрасно знає про хімічне походження гальванизма.)

Все підходило під побудову положень філософії Шеллінга. Тільки магнетизм в ці рамки не вписувався. Звичайно, залізні провідники намагнічувалися іноді електрикою, але це відбувалося за поняттями науки ХVIII століття від механічних проявів електрики (струс частинок заліза).

Але згідно філософських побудов Шеллінга зв'язок між електрикою і магнетизмом повинна була існувати, і це треба було довести. Ось що записав тоді Ерстед: «Моє тверде переконання, що велике фундаментальне єдність пронизує природу. Після того як ми переконалися в цьому, подвійно необхідно звернути нашу увагу на світ різноманітності, де ця істина знайде своє єдине підтвердження. Якщо ми не зробимо цього, єдність саме по собі стає безплідним і порожнім міркуванням, провідним до неправильних поглядів ».

У 1804 рЕрстед повертається до Данії. Але з роботою в університеті у нього не все було гаразд. Він не міг розраховувати на державну оплачувану посаду. Однак, після того як Ерстед було доручено відати колекцією фізичних і хімічних приладів, що належать королю (зрозуміло, що за гроші), він вирішується читати приватні лекції з фізики і хімії.

Якщо врахувати, що в Парижі він, за його словами, «щодня ізучавиступленій був зрозумілий. «Мої лекції з хімії, - писав початківець лектор, - привертають стільки слухачів, що не всі можуть поміститися в аудиторії».

Саме цими лекціями Ерстед довів адміністрації університету своє право на оплачувану штатну посаду. У 1806 р він стає екстраординарним професором фізики, в функції якого входила обов'язок екзаменувати кандидатів з філософії, а також викладати фізику і хімію студентам-медикам і фармацевтам. «Відтепер, - писав уже штатний професор, - я отримав привілей заснувати фізичну школу в Данії, для якої я сподіваюся знайти серед молодих студентів багато талановитих людей».

Після цього призначення фізика була визнана повноправною дисципліною в Копенгагенському університеті. І через сто років один з його вихованців Нільс Бор (1855 - 1962) стане одним з творців сучасної квантової фізики. А з 1936 р Американська асоціація викладачів, з огляду на лекторські таланти Ерстеда, присуджує медаль Ерстеда «За видатні заслуги в викладанні фізики» найбільш видатним професорам всіх країн світу [7].

У 1812 р Ерстед знову виїжджає за кордон - до Берліна і Парижа. І там він пише роботу «Дослідження ідентичності електричних і хімічних сил», де намагається показати, що магнітний ефект проводиться електрикою. Ця робота свідчить про те, що автор продовжує керуватися своєю філософською концепцією, хоча, за словами істориків фізики, «ця філософія швидше гальмувала, ніж рухала вперед його науковий розвиток».

У 1815 році король Данії надав свою колекцію фізичних приладів у розпорядження університету. Неважко уявити собі радість Ерстеда: «Я володію тепер прекрасними приладами і можу вдало проводити будь-які експерименти». Нарешті таки з 1817 р тепер уже ординарний професор починає завідувати кафедрою фізики і стає членом правління університету.

Педагогічне навантаження у Ерстеда була надмірно великий. Матеріальна скрута змушували його брати додаткову викладацьку роботу понад основний. Цей факт зіграє свою роль у великому відкритті, однак і не заважає експериментальної роботи: «Мої фізичні дослідження йдуть паралельно моїм лекцій».

Ніщо не віщує відкриття. У 1818 - 1819 роках Ерстед досліджує мінерали острова Борнгольм, одночасно читаючи лекції в університеті і підробляючи вечорами на заняттях з аспірантами. На одному з таких занять 15 лютого 1820 р Ерстед демонструє слухачам досвід, де магнітна стрілка, подносімая до висновків вольтова стовпа, не реагує на електричний заряд полюсів. І тут у нього виникає думка «спробувати встановити вплив дроти, нагріти електричним струмом», на магніт [8]. Ерстед замикає провідником полюси вольтова стовпа і ... Тут свідчення очевидців розходяться. Одні кажуть, що швейцар інституту, інші - що один з аспірантів зауважив, що в момент замикання проводом полюсів стрілка що знаходився поруч компаса відхилилася (рис.1). Він був зайнятий маніпуляціями скручування проводів. А ось наглядова очевидець негайно доповів про це лектору. Тепер і сам викладач міг переконатися в виявив феномен.

Так відбулося відкриття, до якого вже солідний вчений йшов довгі роки.

Ефект легко відтворювався. І Ерстед вирішує продовжити дослідження в спокійній обстановці - в лабораторії.

Момент істини

Ще з 1817 року в розпорядженні Ерстеда була велика гальванічна батарея, зроблена ним спільно зі своїм другом, радником королівського суду, Есмарха. Батарея складалася з 20 мідно-цинкових пластин, кожна площею 10 на 10 дюймів, т. Е. 650 см2. Ця батарея швидко розжарюється замикають її зволікання. Незабаром експериментатор помітить, що джерело струму може бути і менш потужний, а температура нагрітої дроту не позначається на результатах досвіду.

У досвідчених дослідженнях Ерстеда крім Есмарха беруть участь президент Датського королівського суспільства Влейгель, професор естетики Гаух, професор природної історії Рейнгардт, хімік-органік Цейзе. Втім, досліди виробляв в основному

Ерстед, а останнім демонстрував тільки ті, в яких йому «вдавалося спостерігати яке-небудь чудове явище» [9].

Для початку Ерстед повторив умови свого лекційного досвіду, а потім став їх міняти. І ось що виявилося. «Якщо відстань від дроту до стрілки не перевищує 3/4 дюйма, відхилення становить 450. Якщо відстань збільшувати, то кут пропорційно зменшується. Абсолютна величина відхилення змінюється в залежності від потужності апарату ». (Використовуючи дане повідомлення, А.М. Ампер незабаром запропонує на його принципі магнітоелектричних гальванометр, роль якого в розвитку електричної науки важко перебільшити.)

Далі почалися взагалі дива. Експериментатор вирішує перевірити дію провідників з різних металів на стрілку. Для цього беруться дроту з платини, золота, срібла, латуні, свинцю, заліза. І о диво! Метали, які ніколи не виявляли магнітних властивостей, ставали як би магнітними, коли через них протікав електричний струм.

Ерстед став екранувати стрілку від проводу склом, деревом, смолою, гончарного глиною, камінням, диском електрофора. Екранування не відбулися. Стрілка наполегливо відхилялася. Відхилялася навіть тоді, коли її помістили в посудину з водою. Не забарився висновок: «Така передача дії крізь різні речовини не спостерігалася у звичайного електрики та електрики вольтаіческого». Значить, це було не електричне, а чисто магнітне дію!

Коли сполучну дріт Ерстед ставив вертикально, то магнітна стрілка зовсім не вказувала на неї, а розташовувалася як би по діаметру кола з центром по осі дроту (рис. 2). Дослідник запропонував вважати дію дроту з струмом вихрові, так як саме вихором властиво діяти в протилежних напрямках на двох кінцях одного діаметра.

Уже в червні 1820 р Х.К. Ерстед друкує роботу під заголовком: «Досліди, які стосуються дії електричного конфлікту на магнітну стрілку». У ній вчений пише резюме: «Основний висновок з цих дослідів полягає в тому, що магнітна стрілка відхиляється від свого положення рівноваги під дією вольтаіческого апарату і що цей ефект проявляється, коли контур замкнутий, і він не проявляється, коли контур розімкнений. Саме тому, що контур залишався розімкнутим, не увінчалися успіхом спроби такого ж роду, зроблені кілька років тому відомими фізиками ».

Так ось де, виявляється, була собака заритий! І грозовий розряд, замикаючи ланцюг між зарядженим хмарою і «землею», утворював навколо себе магнітне поле і намагнічуватися предмети. Так само робив розряд лейденської банки, змушуючи текти електричні заряди через сталеву голку. Втім, в останньому випадку не все було так просто. Пізніше виявиться, що розряд лейденської банки має коливальний характер і це викликало труднощі. А з гальванічним елементами все було дуже просто. Ніяких складнощів. Май джерело струму, обривок дроту, компас і ... переконуйся у висновках Ерстеда.

Знаменними в роботі даного вченого є визнання, що свідчать про те, що його натурфілософські ідеї були зовсім ні при чому, коли він зробив відкриття. «Я абсолютно не буду входити в подробиці тих ідей, - пише Ерстед, - які керували мною при моїх дослідженнях, так як це не може сприяти з'ясуванню отриманого результату. Я обмежуся тільки фактами, які роблять цей результат очевидним ».

Дійсно, факти - вперта річ, і після дослідів Ерстеда вони ставили науку в скрутне становище. Здавалося, все просто, але з експериментів випливало, що сила, що діє між магнітним полюсом і струмом в провіднику, спрямована не за що сполучає їх прямий, а по нормалі до цієї прямої, т. Е. Перпендикулярно. Цей факт під сумнів всю ньютоніанская систему побудови світу. Це відчули відразу перекладачі, які перекладали на французьку, італійську, німецьку та англійську мови латинський текст датського вченого. Найчастіше, зробивши буквальний переклад, який представлявся їм неясним, вони приводили в примітках латинський оригінал [10].

У своїй знаменитій праці автор намагається виробити правило, за допомогою якого можна було б заздалегідь визначити напрямок магнітного дії сил, що виникають в провіднику при проходженні по ньому електричного струму. Передбачити подія, яка повинна відбутися за певних умов, - це і є завдання фундаментальної науки.

Ось це правило: «Полюс, який бачить негативне електрику входять над собою, відхиляється на захід, а полюс, який бачить його входять під собою, відхиляється на схід».

Прочитавши таке правило, сучасна людина буде відчувати легке замішання. Мало того, що у магнітів два полюси - північний і південний, а тут не написано - який, так ще виходить, що ці полюси можуть бачити. Ерстед і сам розуміє недосконалість формулювання і пише далі: «Щоб ясно уявити собі цей закон і бачити, як він узгоджується з фактами, повторення дослідів краще будь-яких пояснень».

Ну а як же бути із зором у магнітних полюсів? Теж нічого містичного. Просто Ерстед намагається дати мнемонічне правило для кращого запам'ятовування процесу. Воно не вийшло у нього чітким, зате удосконалювалося наступними поколіннями.

Післямова

Погане знання передісторії відкриття Ерстеда послужило приводом до неприємного інциденту, що стався в академічному журналі «Успіхи фізичних наук».

У грудневому номері журналу (1950, тому 42, вип. 4) була надрукована стаття «Відкриття зв'язку електричних і магнітних явищ І.А. Двигубського ». Автор статті В.І. Лебедєв, посилаючись на підручник московського професора І.А. Двигубского 1808 р видання, наводить опис досвіду намагнічування залізної стрілки при розряді лейденської банки і робить висновок: «Таким чином, можна стверджувати, що перші експерименти, що лежать в основі вчення про електромагнетизм, були здійснені в Росії».

Спростування не забарилися. Автору і редакції журналу було зазначено читачами, що «досліди по намагничиванию сталевих голок розрядом лейденської банки проводилися багаторазово протягом усієї другої половини ХVIII століття. Не підлягає ніякому сумніву, що І.А. Двигубский був знайомий з цими роботами і ніколи не дозволив би собі претендувати на настільки застаріле відкриття, та й не претендував на нього зовсім ». Вся справа в тому, що дослідники того часу, «хоча і спостерігали дію розряду на магнітний стан стрілки, що не виводили з цього ніякої залежності».

Наведені рядки належать радянському професору Я.Г. Дорфманом, згодом автору двотомної «Всесвітньої історії фізики». Наведемо також заключний абзац листа до редакції історика фізики.

«Стаття В.І. Лебедєва може бути використана виключно на шкоду питання про пріоритет російських вчених; це треба сказати з усією ясністю. Історія науки є теж наука, яка вимагає кропіткої і ретельної роботи над першоджерелами. Гонитві за легкою сенсацією не місце в радянській історичній науці ». Для 50-х років це були дуже сміливі слова. Ще були живі Сталін і Берія, а в ті часи стаття з такими «пріоритетами» не була єдиною.

Редакція журналу вважає «своїм обов'язком принести вибачення читачам за приміщення неперевірених матеріалів».