На удивительные свойства магнетита, магнитной железной руды и знаменитого магнитного железняка (направляющего камня, или компаса), первыми обратили внимание, по-видимому, древние греки. Этот минерал, обладающий даже в природном виде способностью притягивать железо и сталь, добывался в греческой провинции Магнезия.
Мне остается сказать, по какому закону природы|
Может железо к себе притягивать камень, который
Греки «магнитом» зовут по названию месторожденья,
Ибо находится он в пределах отчизны магнетов.
Может железо к себе притягивать камень, который
Греки «магнитом» зовут по названию месторожденья,
Ибо находится он в пределах отчизны магнетов.
Это утверждение, однако, нельзя считать бесспорным. Согласно Плинию, магнит был назван по имени нашедшего его пастуха Магнеса, гвозди на подошвах и посох которого вонзились накрепко в магнит, когда он пас свое стадо.
Физика и метафизика
Магнитный железняк упоминается в сочинениях древних греков примерно с 800 г. до н.э., и их точка зрения на его свойства преобладала в рассуждениях всех авторов, затрагивавших позднее эту тему в течение 23 последующих веков.
Характерной чертой греческой философии является не объяснение и предсказание чудес природы, а попытка втиснуть их в заранее принятые схемы. Можно, пожалуй, сказать, что такова собственно цель и современной науки, но аналогия все же не полная. Чтобы понять различие между современными и классическими взглядами на этот предмет, достаточно подчеркнуть различие значений современного слова «наука» и его близкого греческого эквивалента «επιστημη». Мы представляем себе науку как особую деятельность, являющуюся самоцелью, деятельность, которую мы пытаемся не загрязнять «чуждыми» метафизическими понятиями. А "επιστημη" для греков означало знание, цели и методы которого неотличимы от методов философии.
Представители одной важной философской школы — анимисты обратили внимание на исключительные свойства магнитного железняка и приписали ему божественное начало. Фалес, а затем позднее Анаксагор и другие полагали, что магнитный железняк обладает душой. Эти воззрения воскреснут в XVII веке н. э.
Философскую школу механистов, или атомистов, не следует считать более научной, чем школу анимистов, так как теории и тех и других выводились из общих метафизических концепций, имеющих весьма отдаленное отношение к тому, что мы сегодня называем «фактами». Диоген из Аполлонии (около 460 г. до н. э.), современник Анаксагора, считал, что в железе имеется влага, которая питает сухость магнита. Предрассудок этот оказался живучим. Джон Баптиста Порта в XVI веке пытался проверить это утверждение. По этому поводу он писал:
«Я взял определенный вес магнита и зарыл его в кучу железных опилок известного мне веса, и когда я оставил их в таком положении на много месяцев, я обнаружил, что мой камень стал тяжелее, а железные опилки легче, но разница была столь мала, что в одном фунте я не нашел ощутимых откло¬нений; камень большой, а опилок много, так что я сомневаюсь в истине».
В наиболее запутанных теориях этого типа речь идет об испарении (effluvia) какой-то невидимой эманации или чего-то вроде динамического поля. Наиболее ранняя теория принадлежит Эмпедоклу, позднейшие варианты — Эпикуру и Демокриту. Мы приведем очаровательное объяснение, написанное римским поэтом Лукрецием, из которого ясно, что спустя четыре столетия после Эмпедокла, в век высокой цивилизации, теория ненамного продвинулась:
Характерной чертой греческой философии является не объяснение и предсказание чудес природы, а попытка втиснуть их в заранее принятые схемы. Можно, пожалуй, сказать, что такова собственно цель и современной науки, но аналогия все же не полная. Чтобы понять различие между современными и классическими взглядами на этот предмет, достаточно подчеркнуть различие значений современного слова «наука» и его близкого греческого эквивалента «επιστημη». Мы представляем себе науку как особую деятельность, являющуюся самоцелью, деятельность, которую мы пытаемся не загрязнять «чуждыми» метафизическими понятиями. А "επιστημη" для греков означало знание, цели и методы которого неотличимы от методов философии.
Представители одной важной философской школы — анимисты обратили внимание на исключительные свойства магнитного железняка и приписали ему божественное начало. Фалес, а затем позднее Анаксагор и другие полагали, что магнитный железняк обладает душой. Эти воззрения воскреснут в XVII веке н. э.
Философскую школу механистов, или атомистов, не следует считать более научной, чем школу анимистов, так как теории и тех и других выводились из общих метафизических концепций, имеющих весьма отдаленное отношение к тому, что мы сегодня называем «фактами». Диоген из Аполлонии (около 460 г. до н. э.), современник Анаксагора, считал, что в железе имеется влага, которая питает сухость магнита. Предрассудок этот оказался живучим. Джон Баптиста Порта в XVI веке пытался проверить это утверждение. По этому поводу он писал:
«Я взял определенный вес магнита и зарыл его в кучу железных опилок известного мне веса, и когда я оставил их в таком положении на много месяцев, я обнаружил, что мой камень стал тяжелее, а железные опилки легче, но разница была столь мала, что в одном фунте я не нашел ощутимых откло¬нений; камень большой, а опилок много, так что я сомневаюсь в истине».
В наиболее запутанных теориях этого типа речь идет об испарении (effluvia) какой-то невидимой эманации или чего-то вроде динамического поля. Наиболее ранняя теория принадлежит Эмпедоклу, позднейшие варианты — Эпикуру и Демокриту. Мы приведем очаровательное объяснение, написанное римским поэтом Лукрецием, из которого ясно, что спустя четыре столетия после Эмпедокла, в век высокой цивилизации, теория ненамного продвинулась:
Так как теперь это все установлено твердо и точно,
И основания все подготовлены нами, как должно,
То остальному уже не трудно найти объяснение,
И открываются все притяженья железа причины.
Прежде всего, из магнита должны семена выделяться
Множеством или же ток истекать, разбивая толчками
Воздух, который везде между камнем лежит и железом.
Только что станет пустым пространство меж ними, и много
Места очистится там, как тотчас же, общею кучей,
Первоначала туда стремглав понесутся железа;
Следом затем и кольцо устремляется всем своим телом.
Ибо нет вещи такой, чтобы первые в ней элементы
Были в столь тесной связи и так цепко держались бы вместе,
Как необорная мощь и пронзительный холод железа.
……………………………………………………………
Также бывает порой, что железо отходит от камня
Этого, то возвращаясь к нему, то оинть убегая.
Видеть случалося мне, что прыгают в модных сосудах
Самофракийские кольца с опилками вместе железа,
Бурно бушуя, когда под сосудом камень магнитный,
Словно скорей убежать они жаждут от этого камня.
И основания все подготовлены нами, как должно,
То остальному уже не трудно найти объяснение,
И открываются все притяженья железа причины.
Прежде всего, из магнита должны семена выделяться
Множеством или же ток истекать, разбивая толчками
Воздух, который везде между камнем лежит и железом.
Только что станет пустым пространство меж ними, и много
Места очистится там, как тотчас же, общею кучей,
Первоначала туда стремглав понесутся железа;
Следом затем и кольцо устремляется всем своим телом.
Ибо нет вещи такой, чтобы первые в ней элементы
Были в столь тесной связи и так цепко держались бы вместе,
Как необорная мощь и пронзительный холод железа.
……………………………………………………………
Также бывает порой, что железо отходит от камня
Этого, то возвращаясь к нему, то оинть убегая.
Видеть случалося мне, что прыгают в модных сосудах
Самофракийские кольца с опилками вместе железа,
Бурно бушуя, когда под сосудом камень магнитный,
Словно скорей убежать они жаждут от этого камня.
Это достаточно живое описание магнитной индукции — способности намагниченного железа притягивать к себе куски железа. Хотя этот факт был уже известен Платону, Лукреций был, вероятно, одним из первых, случайно заметивших способность магнитных материалов также отталкиваться. Понадобилось открытие существования двух магнитных полюсов, чтобы это явление получило свое объяснение.
Затем прошли века, не принесшие прогресса в этой области, те времена, когда грамотными были только монахи, а интерес исследований ограничивался теологическими рассуждениями.
Дата и место рождения первого практического применения магнита — компаса — до сих пор является предметом спора историков. Многие считают местом появления компаса Китай в период между 2637 г. до н. э. и 1100 г. н. э. (что отражает, без сомнения, «принцип неопределенности» в истории). В других же источниках, компас считается итальянским или арабским изобретением, ввезенным в Китай лишь в XIII веке н. э. В любом случае компас был, несомненно, известен в Западной Европе к XII веку н. э. Это был чрезвычайно полезный прибор, обладающий магическими свойствами. Эйнштейн писал в своей автобиографии:
«Чудо... Я приобщился к нему ребенком четырех или пяти лет, когда мой отец показал мне компас. То, что игла вела себя столь определенным образом, совершенно не соответствовало неосознанному миру моих представлений (там действия были связаны только с непосредственным «прикосновением»). Я все еще помню (а может, мне кажется, что я помню) — это событие произвело на меня неизгладимое впечатление».
Многие авторы в средние века давали метафизическое объяснение этому явлению. Однако ученый эпохи Ренессанса Уильям Гильберт писал:
«...масло их светильников и все усилия были потрачены напрасно, так как, не имея опыта в изучении Природы и будучи введены в заблуждение ошибочными физическими теориями, они без экспериментальной проверки полностью приняли почерпнутые только из книг выводы, покоящиеся на пустых рассуждениях и фактах, существующих лишь в бабушкиных сказках».
Его осуждение, безусловно, чрезмерно сурово. Еще до Гильберта (т. е. до XVI века) встречались отдельные попытки, правда немногочисленные, экспериментального подхода. Первая и наиболее важная принадлежит Пьеру Перегрину де Марикуру, более известному под латинским псевдонимом Петрус Перегринус. Его произведение «Epistola Petri Peregrini de Maricourt ad Sygerum de Foucaucourt Militem de Magnete», датированное 1269 г.н.э.,— наиболее ранний из известных нам трактатов по экспериментальной физике. Перегринус экспериментирует с шарообразным магнитом, который он называет тереллой. Помещая брусок железа на различные части тереллы, Перегринус проводил линии в направлении, в котором располагался брусок. Так он обнаружил, что эти линии окружают магнитный железняк подобно тому, как меридианы опоясывают Землю, пересекаясь в двух точках. Эти точки, по аналогии с полюсами Земли, были им названы полюсами магнита.
Затем прошли века, не принесшие прогресса в этой области, те времена, когда грамотными были только монахи, а интерес исследований ограничивался теологическими рассуждениями.
Дата и место рождения первого практического применения магнита — компаса — до сих пор является предметом спора историков. Многие считают местом появления компаса Китай в период между 2637 г. до н. э. и 1100 г. н. э. (что отражает, без сомнения, «принцип неопределенности» в истории). В других же источниках, компас считается итальянским или арабским изобретением, ввезенным в Китай лишь в XIII веке н. э. В любом случае компас был, несомненно, известен в Западной Европе к XII веку н. э. Это был чрезвычайно полезный прибор, обладающий магическими свойствами. Эйнштейн писал в своей автобиографии:
«Чудо... Я приобщился к нему ребенком четырех или пяти лет, когда мой отец показал мне компас. То, что игла вела себя столь определенным образом, совершенно не соответствовало неосознанному миру моих представлений (там действия были связаны только с непосредственным «прикосновением»). Я все еще помню (а может, мне кажется, что я помню) — это событие произвело на меня неизгладимое впечатление».
Многие авторы в средние века давали метафизическое объяснение этому явлению. Однако ученый эпохи Ренессанса Уильям Гильберт писал:
«...масло их светильников и все усилия были потрачены напрасно, так как, не имея опыта в изучении Природы и будучи введены в заблуждение ошибочными физическими теориями, они без экспериментальной проверки полностью приняли почерпнутые только из книг выводы, покоящиеся на пустых рассуждениях и фактах, существующих лишь в бабушкиных сказках».
Его осуждение, безусловно, чрезмерно сурово. Еще до Гильберта (т. е. до XVI века) встречались отдельные попытки, правда немногочисленные, экспериментального подхода. Первая и наиболее важная принадлежит Пьеру Перегрину де Марикуру, более известному под латинским псевдонимом Петрус Перегринус. Его произведение «Epistola Petri Peregrini de Maricourt ad Sygerum de Foucaucourt Militem de Magnete», датированное 1269 г.н.э.,— наиболее ранний из известных нам трактатов по экспериментальной физике. Перегринус экспериментирует с шарообразным магнитом, который он называет тереллой. Помещая брусок железа на различные части тереллы, Перегринус проводил линии в направлении, в котором располагался брусок. Так он обнаружил, что эти линии окружают магнитный железняк подобно тому, как меридианы опоясывают Землю, пересекаясь в двух точках. Эти точки, по аналогии с полюсами Земли, были им названы полюсами магнита.
Гильберт и Декарт
Среди ранних натурфилософов, изучавших магнетизм, наиболее знаменитым был Уильям Гильберт из Колчестера, «отец магнетизма».
Гильберт будет жить до тех пор,
пока магнит не перестанет притягивать,
или пока Британские флотилии
будут бороздить безбрежный океан.
пока магнит не перестанет притягивать,
или пока Британские флотилии
будут бороздить безбрежный океан.
Время благоприятствовало ему. Гильберт родился в 1544 г. (после Коперника и до Галилея) и жил в эпоху расцвета елизаветинского Ренессанса. Физика была его «хобби», медицина — профессией. Он получил известность в обеих этих областях и стал лейб-медиком королевы Елизаветы и президентом Королевского медицинского общества. Говорят, что, когда королева умерла, единственным оставленным ею лично наследством оказался фонд для исследовательских работ Гильберта. Но ему не удалось воспользоваться этими деньгами, так как спустя несколько месяцев после смерти королевы его унесла чума (1603 г.).
Гильберт еще за 20 лет до Френсиса Бэкона был убежденным последователем того, что теперь мы называем экспериментальным методом. Понимая, что даже «высокоинтеллектуальная личность, оторвавшаяся от эксперимента и практики, легко заблуждается и ошибается», он решил не доверять фактам, которые не сможет сам проверить. Он писал в течение 17 лет «De Magnete»— свой шедевр. Этот труд содержит почти все результаты, полученные до момента его выхода в свет в 1600 г. В нем Гильберт собрал все достоверные данные того времени по магнетизму, присоединив к ним и свой огромный вклад. Среди других экспериментов он приводит опыт Перегринуса с тереллой, проведенный за 300 лет до него. Но Гильберт понял, что терелла Перегринуса была по сути моделью Земли, и первый, таким образом, определенно установил, что Земля — магнит. «Это открытие не было оглашено ранее, чем оно было принято и одобрено лучшими умами как английскими, так и иноземными».
Теория магнитных полей Гильберта сформулирована следующим образом: «Магнитные лучи распространяются во всех направлениях в сфере; центр этой сферы находится не на полюсе (как считал Порта), а в центре камня или тереллы».
Гильберт рассеял суеверия, окружавшие магнитный железняк, часть которых пришла еще от древних. Бытовало, например, такое суеверие: «если магнитный железняк натереть чесноком или если вблизи него находится бриллиант, то магнит не притягивает железо». Некоторые из этих предрассудков были разоблачены еще Перегринусом в 1269 г. п ближайшим предшественником Гильберта — итальянским ученым Порта, основателем одной из наиболее ранних академий наук. Вот что рассказывает Порта:
«Среди моряков широко распространено убеждение, что лук и чеснок уничтожают действие магнита. Рулевой и те, кто имеет дело с компасом, не имеют права есть лук, ибо игла компаса будет метаться. Но когда я пытался это проверить, то обнаружил, что все это неверно: не только дыхание, но и отрыжка после того, как поешь чеснок, не ослабляет свойств магнитного железняка; даже если намазать целиком весь камень соком чеснока, он несет свою службу столь же исправно, как если бы его совсем не трогали. Да не подумают, что я хочу опорочить утверждение древних, но я не заметил почти ни малейшей разницы. Кроме того, когда я спрашивал моряков, действительно ли им запрещают из-за этого есть чеснок и лук, то они отвечали, что все это бабушкины сказки и нелепица и что они скорее умрут, чем не будут употреблять лук и чеснок в пищу».
Все же эти суеверия пережили опровержения Перегринуса, Порта и Гильберта и оставили свой след в современном языке. Но разница между предрассудками и обманом весьма невелика.
Галилей рассказывает, как природный скептицизм спас его однажды от некоего предшественника Маркони:
«Какой-то человек предложил мне продать секрет, дающий возможность разговаривать на расстоянии двух-трех тысяч миль с помощью некой магнитной стрелки. Я сказал, что готов купить этот секрет, но что прежде я хотел бы провести испытанно; я буду в одной комнате, а изобретателя помещу в другую. На это он мне ответил, что на таком коротком расстоянии действие невозможно успешно засвидетельствовать, тогда и его выставил, сказав, что для того, чтобы посмотреть его опыты, я не могу тотчас отправиться в Московию или Египет, но что, если он отравится туда сам, я останусь и буду ждать его в Венеции».
Лекари всех времен с энтузиазмом прибегали к магнетизму. В виде примера приведем месмеризм, или животный магнетизм, использующий магнитные флюиды (мы о них впоследствии вкратце расскажем), будто бы пронизывающие человеческое тело. Пытаясь опровергнуть такие гипотезы, Томас Альва Эдисон в 1892 г. в интересах науки подверг себя «совместно со своими сотрудниками и собакой» воздействию очень сильных магнитных полей. Эффекта не было.
Но как же практика может опровергнуть метафизику? Несмотря на свои обширные исследования, Гильберт и Порта сами были последователями философов-анимистов, и их теории и объяснения явлений, ими изучавшихся, были анимистическими. Послушайте в каких чувственных выражениях Порта описывает магнитное притяжение:
«...железо притягивается магнитным железняком, как невеста в объятия жениха, и железо горит таким же желанием соединиться с ним, как муж с женой, и также стремится встретиться с магнитом; если тому мешает его собственный вес, железо становится дыбом, как если бы оно протягивало с мольбой свои руки к камню... показывая, что оно не удовлетворено своим состоянием; но если оно прильнет поцелуем к магниту, желание его удовлетворяется, и тогда оно отдыхает; они так любят друг друга, что если один не может приблизиться к другому, то железо повисает в воздухе...».
Его объяснение, или теория этого явления, не менее антропоморфно:
«Я полагаю, что магнитный железняк есть смесь камня и железа..., пока один стремится победить другого, притяжение осуществляется в битве между ними. В этом теле больше камня, чем железа; поэтому железо, которое не может быть подавлено камнем, жаждет силы и общества железа. Оно не в состоянии самостоятельно противостоять камню, но при дополнительной помощи железа может защититься. Ибо все создания защищают свое существование».
На что Гильберт, вступив в диалог через 40 лет, возражает:
«Будто в магнитном железняке железо — отдельное тело, а не примесь, как и другие металлы в их рудах! И то, что другие металлы, будучи столь смешаны, будут бороться друг с другом и будут расширять свою ссору, и вследствие этой битвы появятся добавочные силы — все это, конечно, абсурд. Но железо само по себе, возбужденное магнитным железняком, притягивается к железу не менее сильно, чем сам магнитный железняк. Следовательно, вся эта борьба, интриги и заговоры в камне... просто бред болтливой старухи, а не теория выдающегося мага».
Сами по себе идеи Гильберта представляют забавную смесь науки и мистики. С одной стороны, он убедительно опровергает теорию магнетизма, привлекающую испарение (effluvia), хотя и признает, что теорию эфлувии можно применить к электричеству. Его аргументы довольно жалки: сила магнита может проникать в предметы и магнит притягивает железо не только через воздух, но и через твердые тела, непреодолимые для любого испарения. С другой же стороны, электричество сильно возбуждается всеми видами материи. Но когда Гильберт пытается сам объяснить магнитное притяжение, то он объясняет, что оно возникает потому, что «у магнита есть душа». Он полагает, что у Земли есть душа, и, следовательно, она есть и у магнитного железняка, так как он «является частью и любимейшим плодом своей живой матери Земли» |2].
Хотя теория Гильберта имела, безусловно, свои недостатки, заслуга его в том, что он положил начало экспериментальному методу в науке.
На другом полюсе стоит Рене Декарт (1596—1650). Этот философ игнорировал факты, но заслуга его в том, что он «изгнал душу» из магнитного железняка и развил рациональную теорию. Декарт был автором первой подробной теории магнетизма, изложенной в его труде «Principia» (часть IV, гл. 133 —183).
Гильберт еще за 20 лет до Френсиса Бэкона был убежденным последователем того, что теперь мы называем экспериментальным методом. Понимая, что даже «высокоинтеллектуальная личность, оторвавшаяся от эксперимента и практики, легко заблуждается и ошибается», он решил не доверять фактам, которые не сможет сам проверить. Он писал в течение 17 лет «De Magnete»— свой шедевр. Этот труд содержит почти все результаты, полученные до момента его выхода в свет в 1600 г. В нем Гильберт собрал все достоверные данные того времени по магнетизму, присоединив к ним и свой огромный вклад. Среди других экспериментов он приводит опыт Перегринуса с тереллой, проведенный за 300 лет до него. Но Гильберт понял, что терелла Перегринуса была по сути моделью Земли, и первый, таким образом, определенно установил, что Земля — магнит. «Это открытие не было оглашено ранее, чем оно было принято и одобрено лучшими умами как английскими, так и иноземными».
Теория магнитных полей Гильберта сформулирована следующим образом: «Магнитные лучи распространяются во всех направлениях в сфере; центр этой сферы находится не на полюсе (как считал Порта), а в центре камня или тереллы».
Гильберт рассеял суеверия, окружавшие магнитный железняк, часть которых пришла еще от древних. Бытовало, например, такое суеверие: «если магнитный железняк натереть чесноком или если вблизи него находится бриллиант, то магнит не притягивает железо». Некоторые из этих предрассудков были разоблачены еще Перегринусом в 1269 г. п ближайшим предшественником Гильберта — итальянским ученым Порта, основателем одной из наиболее ранних академий наук. Вот что рассказывает Порта:
«Среди моряков широко распространено убеждение, что лук и чеснок уничтожают действие магнита. Рулевой и те, кто имеет дело с компасом, не имеют права есть лук, ибо игла компаса будет метаться. Но когда я пытался это проверить, то обнаружил, что все это неверно: не только дыхание, но и отрыжка после того, как поешь чеснок, не ослабляет свойств магнитного железняка; даже если намазать целиком весь камень соком чеснока, он несет свою службу столь же исправно, как если бы его совсем не трогали. Да не подумают, что я хочу опорочить утверждение древних, но я не заметил почти ни малейшей разницы. Кроме того, когда я спрашивал моряков, действительно ли им запрещают из-за этого есть чеснок и лук, то они отвечали, что все это бабушкины сказки и нелепица и что они скорее умрут, чем не будут употреблять лук и чеснок в пищу».
Все же эти суеверия пережили опровержения Перегринуса, Порта и Гильберта и оставили свой след в современном языке. Но разница между предрассудками и обманом весьма невелика.
Галилей рассказывает, как природный скептицизм спас его однажды от некоего предшественника Маркони:
«Какой-то человек предложил мне продать секрет, дающий возможность разговаривать на расстоянии двух-трех тысяч миль с помощью некой магнитной стрелки. Я сказал, что готов купить этот секрет, но что прежде я хотел бы провести испытанно; я буду в одной комнате, а изобретателя помещу в другую. На это он мне ответил, что на таком коротком расстоянии действие невозможно успешно засвидетельствовать, тогда и его выставил, сказав, что для того, чтобы посмотреть его опыты, я не могу тотчас отправиться в Московию или Египет, но что, если он отравится туда сам, я останусь и буду ждать его в Венеции».
Лекари всех времен с энтузиазмом прибегали к магнетизму. В виде примера приведем месмеризм, или животный магнетизм, использующий магнитные флюиды (мы о них впоследствии вкратце расскажем), будто бы пронизывающие человеческое тело. Пытаясь опровергнуть такие гипотезы, Томас Альва Эдисон в 1892 г. в интересах науки подверг себя «совместно со своими сотрудниками и собакой» воздействию очень сильных магнитных полей. Эффекта не было.
Но как же практика может опровергнуть метафизику? Несмотря на свои обширные исследования, Гильберт и Порта сами были последователями философов-анимистов, и их теории и объяснения явлений, ими изучавшихся, были анимистическими. Послушайте в каких чувственных выражениях Порта описывает магнитное притяжение:
«...железо притягивается магнитным железняком, как невеста в объятия жениха, и железо горит таким же желанием соединиться с ним, как муж с женой, и также стремится встретиться с магнитом; если тому мешает его собственный вес, железо становится дыбом, как если бы оно протягивало с мольбой свои руки к камню... показывая, что оно не удовлетворено своим состоянием; но если оно прильнет поцелуем к магниту, желание его удовлетворяется, и тогда оно отдыхает; они так любят друг друга, что если один не может приблизиться к другому, то железо повисает в воздухе...».
Его объяснение, или теория этого явления, не менее антропоморфно:
«Я полагаю, что магнитный железняк есть смесь камня и железа..., пока один стремится победить другого, притяжение осуществляется в битве между ними. В этом теле больше камня, чем железа; поэтому железо, которое не может быть подавлено камнем, жаждет силы и общества железа. Оно не в состоянии самостоятельно противостоять камню, но при дополнительной помощи железа может защититься. Ибо все создания защищают свое существование».
На что Гильберт, вступив в диалог через 40 лет, возражает:
«Будто в магнитном железняке железо — отдельное тело, а не примесь, как и другие металлы в их рудах! И то, что другие металлы, будучи столь смешаны, будут бороться друг с другом и будут расширять свою ссору, и вследствие этой битвы появятся добавочные силы — все это, конечно, абсурд. Но железо само по себе, возбужденное магнитным железняком, притягивается к железу не менее сильно, чем сам магнитный железняк. Следовательно, вся эта борьба, интриги и заговоры в камне... просто бред болтливой старухи, а не теория выдающегося мага».
Сами по себе идеи Гильберта представляют забавную смесь науки и мистики. С одной стороны, он убедительно опровергает теорию магнетизма, привлекающую испарение (effluvia), хотя и признает, что теорию эфлувии можно применить к электричеству. Его аргументы довольно жалки: сила магнита может проникать в предметы и магнит притягивает железо не только через воздух, но и через твердые тела, непреодолимые для любого испарения. С другой же стороны, электричество сильно возбуждается всеми видами материи. Но когда Гильберт пытается сам объяснить магнитное притяжение, то он объясняет, что оно возникает потому, что «у магнита есть душа». Он полагает, что у Земли есть душа, и, следовательно, она есть и у магнитного железняка, так как он «является частью и любимейшим плодом своей живой матери Земли» |2].
Хотя теория Гильберта имела, безусловно, свои недостатки, заслуга его в том, что он положил начало экспериментальному методу в науке.
На другом полюсе стоит Рене Декарт (1596—1650). Этот философ игнорировал факты, но заслуга его в том, что он «изгнал душу» из магнитного железняка и развил рациональную теорию. Декарт был автором первой подробной теории магнетизма, изложенной в его труде «Principia» (часть IV, гл. 133 —183).
Декарт оказался одним из «первых иностранных умов», принявших гипотезу Гильберта, связывающую магнит и Землю, и его теория ферромагнетизма дополняет теорию геомагнетизма. Обе эти теории можно выразить следующим образом: в них первична неощутимая субстанция, которая есть не просто испаряющиеся частицы (effluvia), а скорее «винтики» (parties cannelees). Они проходят через Землю по нарезному каналу, входят через поры в один полюс и выходят из другого. Различаются два вида таких «винтиков»: те, которые могут входить только через северный полюс и выходить через южный, и те, которые совершают это путешествие в обратном направлении. Обратный путь в обоих случаях совершается по воздуху. Для «винтиков» этот путь не очень-то приятен, и они не упускают возможности пройти через любой магнит, встретившийся им на пути. Как бы то ни было, но если им посчастливится встретить магнит, они забывают о своей основной цели, остаются в этом магните и пересекают его снова и снова. Так создаются внутри и вокруг материала вихри. Магнитный железняк, железо и сталь — это единственные материалы, которые имеют нарезные каналы для про-пускания «винтиков»; объясняется это тем, что происходят они из самых глубин Земли. Наилучшие нарезные каналы — у магнитного железняка, железо же податливо и поэтому ворсинки, создающие нарезку канала, во время добычи разрушаются. Правда, «винтики», влетающие в железо с большой скоростью, могут восстановить положение ворсинок и таким образом намагнитить металл. Сталь тверже и лучше сохраняет намагниченность.
Вооруженный этой теорией Декарт считал, что способен объяснить все известные в его время магнитные явления. С высот современной науки трудно понять не только как он отверг возражения Гильберта против теории испарения, высказанные на поколение ранее, но и как его теория могла отвечать на вопросы, предъявляемые практикой и возникающие в умах тех, кто имел непосредственно дело с магнетизмом. Однако репутация Декарта заставила принять его теорию на веру и оказала влияние на все последующие рассуждения на эту тему не только в течение всего столетия, но и большей части XVIII века. Наиболее выдающимися последователями его в XVIII веке были известный швейцарский математик Леонард Эйлер и шведский мистик и физик Эммануэль Сведенборг.
Труды Декарта по физике и философии отметили переход от метафизики к научному мышлению. Во-первых, он восстановил веру в силу разума, что было абсолютно необходимо для рождения теоретической науки. Во-вторых, он провозгласил разделение души и тела, что открыло дверь к изучению природы как таковой. В этом он не был одинок. Начало XVII века отмечено механистической революцией в науке, вождями которой были Гассенди, Мерсен, Гоббс, Паскаль, Гюйгенс и др. Эти ученые часто шли еще дальше, чем Декарт, отделяя физику от метафизики. Декарт все еще полагал, что физика может быть выведена из постулированных первых принципов и его механицизм таким образом был близок к механицизму древних греков. Он привлекал метафизику для подтверждения своих научных убеждений. И аргументы его были таковы: «поскольку Бог создал и природу и наш разум, то мы можем уповать на то, что уверенность, вложенная Им в нас, соответствует истине».
Другие механицисты, однако, довольствовались более скромным подходом к природе. Давайте-ка описывать явления, говорили они, и не касаться сути вещей.
Вероятно, наиболее важным вкладом механицистов в современную науку является введение ими специального языка, пригодного для описания природы. Таким языком явилась математика.
Первые шаги в этом направлении были сделаны интуитивно. Еще в 1590 г. Галилей сказал:
«Философия написана в великой книге, всегда открытой нашему взору (я имею в виду Вселенную), но ее нельзя понять, не привыкнув понимать ее язык и не зная письмен, которыми она написана. Она написана математическим языком».
Почти 30 лет спустя та же идея озарила Декарта, но он не смог ее успешно применить. Приняв новый язык, физика получила новый стимул от изобретения дифференциального исчисления (Ньютоном и Лейбницем в 1680 г.) и от последующего развития математики. Интуиция Галилея и Декарта была прекрасно подтверждена тем, что математика заняла место метафизики в виде основных законов, из которых можно делать выводы и заключения.
В магнетизме количественное описание наблюдений Гильберта принадлежит другу Декарта французскому монаху Мерсену (1644г.) [9]. Прогресс в теории, однако, был невелик. Механицисты упорно не хотели заниматься сложными случаями, и поле деятельности было предоставлено неокартезианцам. Но и в этих условиях примерно к 1700 г. появился один (а позднее появятся многие) раскольничий голос, поющий новую песню. Принадлежал он Джону Кейлу — профессору астрономии в Оксфорде, который в одной из своих лекций в том году сказал:
Вооруженный этой теорией Декарт считал, что способен объяснить все известные в его время магнитные явления. С высот современной науки трудно понять не только как он отверг возражения Гильберта против теории испарения, высказанные на поколение ранее, но и как его теория могла отвечать на вопросы, предъявляемые практикой и возникающие в умах тех, кто имел непосредственно дело с магнетизмом. Однако репутация Декарта заставила принять его теорию на веру и оказала влияние на все последующие рассуждения на эту тему не только в течение всего столетия, но и большей части XVIII века. Наиболее выдающимися последователями его в XVIII веке были известный швейцарский математик Леонард Эйлер и шведский мистик и физик Эммануэль Сведенборг.
Труды Декарта по физике и философии отметили переход от метафизики к научному мышлению. Во-первых, он восстановил веру в силу разума, что было абсолютно необходимо для рождения теоретической науки. Во-вторых, он провозгласил разделение души и тела, что открыло дверь к изучению природы как таковой. В этом он не был одинок. Начало XVII века отмечено механистической революцией в науке, вождями которой были Гассенди, Мерсен, Гоббс, Паскаль, Гюйгенс и др. Эти ученые часто шли еще дальше, чем Декарт, отделяя физику от метафизики. Декарт все еще полагал, что физика может быть выведена из постулированных первых принципов и его механицизм таким образом был близок к механицизму древних греков. Он привлекал метафизику для подтверждения своих научных убеждений. И аргументы его были таковы: «поскольку Бог создал и природу и наш разум, то мы можем уповать на то, что уверенность, вложенная Им в нас, соответствует истине».
Другие механицисты, однако, довольствовались более скромным подходом к природе. Давайте-ка описывать явления, говорили они, и не касаться сути вещей.
Вероятно, наиболее важным вкладом механицистов в современную науку является введение ими специального языка, пригодного для описания природы. Таким языком явилась математика.
Первые шаги в этом направлении были сделаны интуитивно. Еще в 1590 г. Галилей сказал:
«Философия написана в великой книге, всегда открытой нашему взору (я имею в виду Вселенную), но ее нельзя понять, не привыкнув понимать ее язык и не зная письмен, которыми она написана. Она написана математическим языком».
Почти 30 лет спустя та же идея озарила Декарта, но он не смог ее успешно применить. Приняв новый язык, физика получила новый стимул от изобретения дифференциального исчисления (Ньютоном и Лейбницем в 1680 г.) и от последующего развития математики. Интуиция Галилея и Декарта была прекрасно подтверждена тем, что математика заняла место метафизики в виде основных законов, из которых можно делать выводы и заключения.
В магнетизме количественное описание наблюдений Гильберта принадлежит другу Декарта французскому монаху Мерсену (1644г.) [9]. Прогресс в теории, однако, был невелик. Механицисты упорно не хотели заниматься сложными случаями, и поле деятельности было предоставлено неокартезианцам. Но и в этих условиях примерно к 1700 г. появился один (а позднее появятся многие) раскольничий голос, поющий новую песню. Принадлежал он Джону Кейлу — профессору астрономии в Оксфорде, который в одной из своих лекций в том году сказал:
«...несомненно магнитное притяжение возникает благодаря существованию в магните структуры, ибо если магнит ударить достаточно сильно, то смещаются его внутренние части, а магнитные свойства тела изменяются. А если поместить магнит в огонь, с тем чтобы внутренняя часть его изменилась или полностью разрушилась, то магнит потеряет свое прежнее качество и едва ли будет отличаться от других камней... И то, чем обычно хвастают (речь идет об испарении) — весьма тонкий вопрос. Частицы, приспособленные к порам магнита, и т. п , ни в малейшей степени не ведут нас к ясному и определенному объяснению этих явлений; всем этим явлениям, как и вообще магнетизму, следует искать объяснение среди оккультных свойств».
Начало современной науки
Только во второй половине XVIII века начался современный подход к решению проблем магнетизма. Это время уже характерно гибким взаимодействием эксперимента и теории, основанной на разумных гипотезах. Некоторое время в теории разыгрывались вариации на тему флюиды. Еще Максвеллу пришлось плавать в этом потоке гипотез, и только после открытия электрона теория магнетизма могла стать на более твердую почву.
Теория флюидов была первоначально предложена в качестве объяснения явления электричества после того, как в 1729 г. Стефан Грей открыл, что электричество может быть передано от одного тела к другому. Оно передается через металл или другие
«неэлектрические» предметы, т. е. вещества, передающие электричество, но не аккумулирующие статический заряд. Ранним и наиболее известным сторонником «однофлюидной» гипотезы был Бенжамен Франклин. Он истолковывал электрический заряд как недостаток или утечку электрической жидкости. Один из его последователей, Франц Мария Эпинус (1724—1802), немецкий эмигрант, живший в Санкт-Петербурге, применил однофлюидную теорию к магнетизму. Его теория электричества и магнетизма появилась в книге «Teatamen Theoriae Electricitatis etMagnetismi», опубликованной в Санкт-Петербурге в 1759 г.. Это очень важный труд, так как в нем подробно рассматриваются многие идеи Франклина и с помощью математических и экспериментальных методов наносится окончательный удар теории испарения.
В 1733 г. Шарль Франсуа дю Фай, управляющий Французским Королевским ботаническим садом, открыл, что имеются два вида электричества. Он обозначил их как vitreous — стеклянный и resinous — резиновый. Каждый вид отталкивает себе подобный и притягивает противоположный. Так как идея Фая бросила вызов однофлюидной теории Франклина, то было потрачено много усилий и теоретических и экспериментальных для защиты каждой из этих двух теорий.
Через несколько лет после того, как электричеству приписали вторую жидкость, то же самое сделали и с магнетизмом. Две жидкости были названы austral — южной и boreal — северной в соответствии с двумя полюсами. Было сказано, что в естественно намагниченном состоянии обе жидкости одинаково насыщают железо, но намагниченность разделяет их и слегка разводит к соответствующим полюсам. Швед Джоан С. Вилке, бывший ученик и сотрудник Эпинуса, и голландец Антон Бругманс выдвинули эти двухжидкостные гипотезы независимо друг от друга в 1778 г.
Наиболее известным апостолом двухжидкостной теории был Шарль Августин Кулон (1736—1806), предложивший важную модификацию теории. Осуществленный им эксперимент обессмертил его имя. Его именем были названы единицы заряда и закон сил. С помощью изобретенных им крутильных весов он установил с определенной точностью закон, который носит теперь его имя: бесконечно малые элементы каждой из жидкостей, как электрической, так и магнитной, притягиваются или отталкиваются обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Установив этот закон в 1785 г., Кулон поставил много экспериментов по тепловым свойствам магнитов. Его главный вклад в теорию — это разъяснение того, что магнитные жидкости не свободны, они не могут течь так, как их электрические аналоги, а связаны с отдельными молекулами. Таким образом, он предположил, что каждая молекула в процессе намагничивания становится поляризованной.
Этот путь позволил объяснить, почему аналог эффекта Грея никогда не обнаруживался в магнетизме и почему при разделе магнита на две части всегда появляются два новых полюса. Кулон был убежден и в том, что открытые им законы сил неприменимы к атомам, что твердое тело не может находиться в устойчивом равновесии только за счет сил, обратно пропорциональных квадрату расстояния. Однако, касаясь неизвестных законов молекулярного отталкивания, притяжения и связи, ему пришлось написать: «Пожалуй, всегда более любопытно, чем полезно пытаться узнать их причину». Правильная (хотя и упадочническая) позиция, говорящая о почти полном незнании в те времена атомной структуры.
Симеон Денис Пуассон (1781—1840) — человек, со временем ставший лучшим истолкователем физических построений, созданных Кулоном, блестящий математик, чей научный успех, по-видимому, был предопределен еще ранними успехами в школе. Его учитель предсказывал ему успехи, цитируя басню Лафонтена:
Теория флюидов была первоначально предложена в качестве объяснения явления электричества после того, как в 1729 г. Стефан Грей открыл, что электричество может быть передано от одного тела к другому. Оно передается через металл или другие
«неэлектрические» предметы, т. е. вещества, передающие электричество, но не аккумулирующие статический заряд. Ранним и наиболее известным сторонником «однофлюидной» гипотезы был Бенжамен Франклин. Он истолковывал электрический заряд как недостаток или утечку электрической жидкости. Один из его последователей, Франц Мария Эпинус (1724—1802), немецкий эмигрант, живший в Санкт-Петербурге, применил однофлюидную теорию к магнетизму. Его теория электричества и магнетизма появилась в книге «Teatamen Theoriae Electricitatis etMagnetismi», опубликованной в Санкт-Петербурге в 1759 г.. Это очень важный труд, так как в нем подробно рассматриваются многие идеи Франклина и с помощью математических и экспериментальных методов наносится окончательный удар теории испарения.
В 1733 г. Шарль Франсуа дю Фай, управляющий Французским Королевским ботаническим садом, открыл, что имеются два вида электричества. Он обозначил их как vitreous — стеклянный и resinous — резиновый. Каждый вид отталкивает себе подобный и притягивает противоположный. Так как идея Фая бросила вызов однофлюидной теории Франклина, то было потрачено много усилий и теоретических и экспериментальных для защиты каждой из этих двух теорий.
Через несколько лет после того, как электричеству приписали вторую жидкость, то же самое сделали и с магнетизмом. Две жидкости были названы austral — южной и boreal — северной в соответствии с двумя полюсами. Было сказано, что в естественно намагниченном состоянии обе жидкости одинаково насыщают железо, но намагниченность разделяет их и слегка разводит к соответствующим полюсам. Швед Джоан С. Вилке, бывший ученик и сотрудник Эпинуса, и голландец Антон Бругманс выдвинули эти двухжидкостные гипотезы независимо друг от друга в 1778 г.
Наиболее известным апостолом двухжидкостной теории был Шарль Августин Кулон (1736—1806), предложивший важную модификацию теории. Осуществленный им эксперимент обессмертил его имя. Его именем были названы единицы заряда и закон сил. С помощью изобретенных им крутильных весов он установил с определенной точностью закон, который носит теперь его имя: бесконечно малые элементы каждой из жидкостей, как электрической, так и магнитной, притягиваются или отталкиваются обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Установив этот закон в 1785 г., Кулон поставил много экспериментов по тепловым свойствам магнитов. Его главный вклад в теорию — это разъяснение того, что магнитные жидкости не свободны, они не могут течь так, как их электрические аналоги, а связаны с отдельными молекулами. Таким образом, он предположил, что каждая молекула в процессе намагничивания становится поляризованной.
Этот путь позволил объяснить, почему аналог эффекта Грея никогда не обнаруживался в магнетизме и почему при разделе магнита на две части всегда появляются два новых полюса. Кулон был убежден и в том, что открытые им законы сил неприменимы к атомам, что твердое тело не может находиться в устойчивом равновесии только за счет сил, обратно пропорциональных квадрату расстояния. Однако, касаясь неизвестных законов молекулярного отталкивания, притяжения и связи, ему пришлось написать: «Пожалуй, всегда более любопытно, чем полезно пытаться узнать их причину». Правильная (хотя и упадочническая) позиция, говорящая о почти полном незнании в те времена атомной структуры.
Симеон Денис Пуассон (1781—1840) — человек, со временем ставший лучшим истолкователем физических построений, созданных Кулоном, блестящий математик, чей научный успех, по-видимому, был предопределен еще ранними успехами в школе. Его учитель предсказывал ему успехи, цитируя басню Лафонтена:
Petit Poisson deviendra grand
Pourvu que Dieu lui prete vie.
Pourvu que Dieu lui prete vie.
Маленькая рыбка (poisson — рыба, франц.) станет большой,
если только Бог продлит ее дни.
если только Бог продлит ее дни.
Пуассон ввел в магнетизм понятие статического потенциала, который помог ему с успехом решать задачи по статическому электричеству. Изобретя математическую теорию магнитостатики, он с ее помощью решил большое число задач в этой области. Эти работы начались в 1824 г.— весьма захватывающий период в физике, о котором мы поговорим в следующем разделе. Но Пуассон игнорировал работы, появившиеся после экспериментов Кулона, и хотя он теоретически подтвердил все открытия изобретателя крутильных весов, тем не менее не включился в активное движение, начавшееся после работ Кулона и поведшее науку в совершенно новом направлении.
...
Пуассон, подобно Кулону, отказывался от каких-либо безответственных рассуждений о природе источников поля, т. е. магнитных жидкостей. Это откровенное нежелание обсуждать глубокую суть вещей было, конечно, резким отходом от метафизики. Подобное отношение само развилось во всеобщую философию Огюста Конта. Позитивизм, как была названа его философия, полагал, что в каждой области знания общие законы могут быть выведены из собранных фактов и что таким путем можно познать основные законы природы. Конт полагал, что только так может мыслить ученый. Но после Пуассона основные успехи в теории будут сделаны учеными, которые зададут вопрос «почему?», а не только «каким образом?», т. е. такими физиками, которые смогут выдвинуть гипотезы более обширные, более простые и более рискованные, чем позволяют сами факты. Четкий перечень уже полученных фактов отвечает на вопрос «каким образом?», а всеобъемлющая теория — на вопрос «почему?».
Электродинамика
Еще в XVII веке были основания связывать электричество и магнетизм. Так, в 1681 г. корабль, следовавший в Бостон, был поражен молнией. Наблюдения по звездам показали, что «компасы изменились»—«северная стрелка повернулась точно на юг». Судно было приведено в Бостон с «перевернутым компасом». «Жидкости» размножались и появилась необходимость найти между ними связь. Изобретенная примерно в 1800 г. гальваническая батарея позволила провести серию открытий, в результате чего был установлен относительный порядок в этом хаосе.
В те времена, когда Пуассон безмятежно наводил математическое изящество на теорию магнитной жидкости, новое волнующее открытие представило взору ученых еще одну науку — электродинамику. В апреле 1820 г. датский ученый Ганс Христиан Эрстед (1777—1851) натолкнулся на долго искомую связь между электричеством и магнетизмом. Сам Эрстед безуспешно искал такую связь еще с 1807 г., пока в один исторический день он посоветовал своему ассистенту Ханстену определить, влияет ли ток на свободно подвешенную поблизости иглу. Игла двигалась! Теория, которой он руководствовался в своих прежних исследованиях, подсказывала ему, что связь должна обнаруживаться наиболее ясно, когда цепь разомкнута, и не должна обнаруживаться в том случае, когда электрическая жидкость имеет возможность вытечь. Легко себе представить, как он был поражен, когда свершилось неожиданное. Лишь 21 июля 1820 г. он опубликовал статью на латинском языке (значительно более понятном в те времена, чем датский), которую послал отдельным ученым и научным обществам всего мира). В этой статье говорится «в прошлом году»; Эрстед хотел этим сказать «в прошлом учебном году», т. е. «в прошлом апреле». Это часто вносило путаницу и поэтому указывался неверно 1819 г. как год открытия. Переводы этой статьи публиковались на всех языках в журналах всех цивилизованных стран.
Реакция была лихорадочной; немедленно закипела работа, проверялись и набирались основные данные по электромагнетизму. Французские и английские ученые начали соревноваться в открытиях. Сначала впереди были французы. Во Французской Академии наук того времени были собраны звезды первой величины; кроме Пуассона, в ее составе числились такие имена, как Лаплас, Френель, Фурье, а также имена ученых, работающих непосредственно в интересующей нас области – Био, Савар. Араго и Ампер.
Доменик Араго (1786—1853) был первым, кто сообщил Академии новость об открытии Эрстеда. Это было 11 сентября 1820 г. Араго был замечательный ученый, он был избран в Академию за 12 лет до того, в возрасте 23 лет в награду за «смелость во славу науки». Историю его посвящения стоит рассказать. В 1806 г. Араго и Био подрядились произвести геодезическую съемку нескольких прибрежных островов Испании. Это был период, когда Наполеон пытался покорить Испанию, и население приняло ученых за шпионов. Совершив побег из тюрьмы, Араго добрался до Алжира, откуда на маленьком суденышке он попытался вернуться в Марсель. Но лодка с беглецом была захвачена почти в самом порту.
После тюрьмы и блужданий по Северной Африке Араго удалось наконец летом 1809 г. вернуться в Париж. Немедленно он сдал в Bureau de Longitudes бесценные материалы съемки, сохраненные им во всех превратностях его странствий. Он вел себя так, как того требовали великие традиции, и современные кабинетные ученые могут убедиться в том, что судьба их предшественников была полна приключений. Еще раньше, в 1753 г. Г. Рихман в Санкт-Петербурге, проверяя эксперименты Франклина, был убит молнией. О том, как воздействовало электричество на различные органы тела погибшего, было сообщено в ведущих научных журналах, и Пристли писал: «Не каждому ученому, занимающемуся электричеством, дано умереть такой славной смертью, как Рихману, которому мы поистине завидуем».
Вскоре после своего первого доклада Академии Араго ставит собственные эксперименты и устанавливает, что ток действует как обычный магнит. Ток притягивает железные опилки и способен индуцировать постоянный магнетизм в железных иглах.
Андре Мари Ампер (1775—1836) в докладе, прочитанном на заседании Академии через семь дней после сообщения Араго, высказал мысль, что внутренние электрические токи являются причиной ферромагнетизма и что эти токи текут перпендикулярно оси магнита. Возник вопрос, может ли стальная игла, намагниченная в соленоиде, показывать большую намагниченность, чем та же игла под воздействием отдельного кольца с током? Ампер выдвинул идею этого эксперимента перед Араго, и они вместе успешно ее осуществили, после чего Араго доложил результаты на заседании Академии 6 ноября 1820 г.
Англичане отстали лишь на самую малость. Уже 16 ноября 1820 г. сэр Хэмфри Дэви (1778—1829) доложил об аналогичных экспериментах. Все старались проделать важные эксперименты, опубликовать соответствующие данные и установить таким образом приоритет. По обе стороны Ламанша все прекрасно понимали важность открытия Эрстеда и его результатов.
После смерти Ампера среди его бумаг были найдены письма Френеля (одно письмо без даты, а другое датированное 5 июня 1821 г.). В этих письмах содержался намек на то, что «токи ампера», вызывающие магнетизм, должны быть скорее молекулярного, нежели макроскопического размера. В этом пункте Ампер колебался. Френель писал, что отсутствие джоулева тепла, а также доказательства, подобные тем, которые выдвинуты выше в связи с теорией Кулона, наводят на мысль о существовании элементарных атомных или молекулярных токов. По-видимому, это хорошо согласовалось с собственными идеями Ампера, и он провел некоторые (неопубликованные) вычисления на основе такой модели. Эту работу продолжал впоследствии В. Вебер (1804—1891), который предполагал, что молекулы стали и железа способны двигаться вокруг каких-то фиксированных центров. Эти молекулы в намагниченном железе или стали лежат в различных направлениях так, что поля нейтрализуют друг друга, но при приложении внешней силы они поворачиваются и их оси правильно ориентируются по отношению к внешним силам. Точно такое же положение было выдвинуто Ампером в письме к Фарадею от 10 июля 1822 г.; оказалось, что это положение лучше объясняет насыщение намагничивания, чем, скажем, теория Пуассона. Дальнейшую эволюцию этой идеи можно проследить до Ж. Эвинга (1855—1935). Он размещал крошечные магнитики в правильном геометрическом порядке так, чтобы они могли свободно вращаться, и образовывал разнообразные магнитные конфигурации. Допуская, что каждый из этих магнитиков представляет молекулу магнита, и сведя расстояние между ними до молекулярных размеров, можно было ожидать, что эксперименты Эвинга дадут как количественную, так и качественную информацию о ферромагнетиках. Задолго до этого в связи с тереллой Гильберта Дигби писал: «Человек, ставящий себе целью преуспеть в естественных науках, должен пытаться построить такую модель и использовать такие методы, которыми сможет оперировать по своей воле...». К чему это привело, мы увидим позднее.
Тот факт, что токовые петли, как обнаружил Ампер, ведут себя во всех смыслах как элементарные магниты, логически не подтверждает предположения, что ферромагнетизм обусловливается внутренними электрическими токами. Тем не менее, эта гипотеза была наиболее удобной из всех возможных и, как оказалось, стимулировала наибольшее число новых открытий, а также содействовала возникновению глубокого понимания «сути» магнетизма. И именно Ампер и его последователи, а не Пуассон и его школа работали в современном стиле, который можно охарактеризовать как гармоничное сочетание теории и эксперимента.
Современный научный метод, нашедший в электродинамике наиболее раннее свое применение, пытался каждому явлению найти место в общей математической теории или, как говорилось выше, ответить на вопрос «почему это получается?», а не только «как это случается?». Длинный перечень открытий, подаренных учеными, занимавшимися электродинамикой, уже сам по себе есть достаточная дань действенности этого метода, хотя потом и оказалось, что их объяснения природы магнетизма неверны. Если мы останавливаемся на этом, то лишь потому, что распространено ошибочное мнение, будто современная наука придерживается позитивизма. Это не соответствует методам, которыми двигается вперед современная наука. Эйнштейн писал: «Нет такого индуктивного метода, который мог бы привести к основным понятиям физики..., ошибаются те теоретики, которые считают, что теория индуктивно выводится из эксперимента».
Девятнадцатый век был столь богат взаимосвязанными теориями и открытиями во многих областях — атомное строение, термодинамика, электричество и магнетизм, что довольно трудно разобраться в них и четко выделить историю теории магнетизма. К счастью, имеется множество отличных обобщающих работ по научному прогрессу в ту эпоху, где о магнетизме говорится в соответствующей перспективе, как об одной из многих областей исследования. Здесь мы сосредоточим свое внимание лишь на том, чего достигли в формулировке понятий, и проведем грань между прогрессом в физической теории магнетизма и прогрессом в понимании природы магнитных сил.
Наука обязана очень многим интуиции и проницательности Фарадея (1791—1867), скромного ученого, которого часто называют величайшим гением эксперимента своей эпохи. Развивая эксперименты голландца Бругманса, который открыл, что (парамагнитный) кобальт притягивается, тогда как (диамагнитные) висмут и сурьма отталкиваются от одного и того же магнита, Фарадей изучал магнитные свойства разнообразных материалов и обнаружил, что все вещества, хотя обычно в очень малой степени, имеют одно из этих двух магнитных свойств. И именно в описании эксперимента с электромагнитом, в котором диамагнитный стержень устанавливается под прямым углом к магнитному потоку, Фарадей впервые употребил термин «магнитное поле» (декабрь 1845 г.). Он не обладал теоретическим складом ума и за всю свою жизнь не написал ни одного уравнения. Тем не менее его эксперименты недвусмысленно привели его к уверенности, что магнитные вещества действуют друг на друга посредством промежуточных полей, а не «дальнодействием». Это было объяснено Максвеллом:
«...я решил не читать никаких математических работ на эту тему, пока не прочту фарадеевскне Experimental Researches on Eleclricil.y («Экспериментальные исследования по электричеству»). Я был уверен, что существует различие между взглядом Фарадея на суть явления и точкой зрения математиком... По мере изучения работ Фарадея я постигал, что его метод... можно выразить обычными математическими выкладками... Например, Фарадей .мысленно видел силовые липни, пересекающие псе пространство, а математики видели там только центры сил, притягивающие на расстоянии; Фарадей видел среду там, где математики не видели ничего, кроме протяженности... Я обнаружил также, что некоторые из наиболее плодотворных исследовательских методов, открытых математиками, можно значительно лучше выразить с помощью идей, извлеченных из работ Фарадея, нежели из их первоначальных формул».
Принятое им понятие поля привело Фарадея к предположению о существовании влияния магнитного поля на свет. После множества неудачных экспериментов Фарадей, наконец, в 1845 г. открыл эффект, который получил его имя. Это — вращение плоскости поляризации света, проходящего через среду в направлении, параллельном наложенному магнитному полю. Кроме эффекта Фарадея, важную роль играют еще и другие магнито-оптические явления. Магнито-оптический эффект Керра аналогичен эффекту Фарадея в случае, когда свет отражается от поверхности магнита или намагниченного материала. Магнитная двойная рефракция, выразительным примером которой служит эффект Коттона — Мутона, — это двойная рефракция света, проходящего перпендикулярно направлению намагничивания. Однако эффект, которому суждено было получить фундаментальное теоретическое значение, был открыт Зееманом.
Поскольку гипотеза поля давала возможность предсказывать явления, то оно (поле) стало реальностью, которая существует и поныне.
Генри Адаме писал приблизительно в 1900 г.:
«Будущему исследователю история эксперимента Фарадея и изобретения динамомашины покажется невероятной; она обнажает состояние невежества и беспомощности человека перед простейшими силами, которые кажутся ему непостижимыми. Человек просто не мог себе представить того, что кто-то где-то сможет рассказать ему все о магните, стоит лишь найти соответствующую книгу».
И, однако, такая книга существовала: Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) обобщил исследования Фарадея, свои собственные уравнения и все, что было известно о свойствах электромагнитных полей и их взаимодействии с веществом.
В те времена, когда Пуассон безмятежно наводил математическое изящество на теорию магнитной жидкости, новое волнующее открытие представило взору ученых еще одну науку — электродинамику. В апреле 1820 г. датский ученый Ганс Христиан Эрстед (1777—1851) натолкнулся на долго искомую связь между электричеством и магнетизмом. Сам Эрстед безуспешно искал такую связь еще с 1807 г., пока в один исторический день он посоветовал своему ассистенту Ханстену определить, влияет ли ток на свободно подвешенную поблизости иглу. Игла двигалась! Теория, которой он руководствовался в своих прежних исследованиях, подсказывала ему, что связь должна обнаруживаться наиболее ясно, когда цепь разомкнута, и не должна обнаруживаться в том случае, когда электрическая жидкость имеет возможность вытечь. Легко себе представить, как он был поражен, когда свершилось неожиданное. Лишь 21 июля 1820 г. он опубликовал статью на латинском языке (значительно более понятном в те времена, чем датский), которую послал отдельным ученым и научным обществам всего мира). В этой статье говорится «в прошлом году»; Эрстед хотел этим сказать «в прошлом учебном году», т. е. «в прошлом апреле». Это часто вносило путаницу и поэтому указывался неверно 1819 г. как год открытия. Переводы этой статьи публиковались на всех языках в журналах всех цивилизованных стран.
Реакция была лихорадочной; немедленно закипела работа, проверялись и набирались основные данные по электромагнетизму. Французские и английские ученые начали соревноваться в открытиях. Сначала впереди были французы. Во Французской Академии наук того времени были собраны звезды первой величины; кроме Пуассона, в ее составе числились такие имена, как Лаплас, Френель, Фурье, а также имена ученых, работающих непосредственно в интересующей нас области – Био, Савар. Араго и Ампер.
Доменик Араго (1786—1853) был первым, кто сообщил Академии новость об открытии Эрстеда. Это было 11 сентября 1820 г. Араго был замечательный ученый, он был избран в Академию за 12 лет до того, в возрасте 23 лет в награду за «смелость во славу науки». Историю его посвящения стоит рассказать. В 1806 г. Араго и Био подрядились произвести геодезическую съемку нескольких прибрежных островов Испании. Это был период, когда Наполеон пытался покорить Испанию, и население приняло ученых за шпионов. Совершив побег из тюрьмы, Араго добрался до Алжира, откуда на маленьком суденышке он попытался вернуться в Марсель. Но лодка с беглецом была захвачена почти в самом порту.
После тюрьмы и блужданий по Северной Африке Араго удалось наконец летом 1809 г. вернуться в Париж. Немедленно он сдал в Bureau de Longitudes бесценные материалы съемки, сохраненные им во всех превратностях его странствий. Он вел себя так, как того требовали великие традиции, и современные кабинетные ученые могут убедиться в том, что судьба их предшественников была полна приключений. Еще раньше, в 1753 г. Г. Рихман в Санкт-Петербурге, проверяя эксперименты Франклина, был убит молнией. О том, как воздействовало электричество на различные органы тела погибшего, было сообщено в ведущих научных журналах, и Пристли писал: «Не каждому ученому, занимающемуся электричеством, дано умереть такой славной смертью, как Рихману, которому мы поистине завидуем».
Вскоре после своего первого доклада Академии Араго ставит собственные эксперименты и устанавливает, что ток действует как обычный магнит. Ток притягивает железные опилки и способен индуцировать постоянный магнетизм в железных иглах.
Андре Мари Ампер (1775—1836) в докладе, прочитанном на заседании Академии через семь дней после сообщения Араго, высказал мысль, что внутренние электрические токи являются причиной ферромагнетизма и что эти токи текут перпендикулярно оси магнита. Возник вопрос, может ли стальная игла, намагниченная в соленоиде, показывать большую намагниченность, чем та же игла под воздействием отдельного кольца с током? Ампер выдвинул идею этого эксперимента перед Араго, и они вместе успешно ее осуществили, после чего Араго доложил результаты на заседании Академии 6 ноября 1820 г.
Англичане отстали лишь на самую малость. Уже 16 ноября 1820 г. сэр Хэмфри Дэви (1778—1829) доложил об аналогичных экспериментах. Все старались проделать важные эксперименты, опубликовать соответствующие данные и установить таким образом приоритет. По обе стороны Ламанша все прекрасно понимали важность открытия Эрстеда и его результатов.
После смерти Ампера среди его бумаг были найдены письма Френеля (одно письмо без даты, а другое датированное 5 июня 1821 г.). В этих письмах содержался намек на то, что «токи ампера», вызывающие магнетизм, должны быть скорее молекулярного, нежели макроскопического размера. В этом пункте Ампер колебался. Френель писал, что отсутствие джоулева тепла, а также доказательства, подобные тем, которые выдвинуты выше в связи с теорией Кулона, наводят на мысль о существовании элементарных атомных или молекулярных токов. По-видимому, это хорошо согласовалось с собственными идеями Ампера, и он провел некоторые (неопубликованные) вычисления на основе такой модели. Эту работу продолжал впоследствии В. Вебер (1804—1891), который предполагал, что молекулы стали и железа способны двигаться вокруг каких-то фиксированных центров. Эти молекулы в намагниченном железе или стали лежат в различных направлениях так, что поля нейтрализуют друг друга, но при приложении внешней силы они поворачиваются и их оси правильно ориентируются по отношению к внешним силам. Точно такое же положение было выдвинуто Ампером в письме к Фарадею от 10 июля 1822 г.; оказалось, что это положение лучше объясняет насыщение намагничивания, чем, скажем, теория Пуассона. Дальнейшую эволюцию этой идеи можно проследить до Ж. Эвинга (1855—1935). Он размещал крошечные магнитики в правильном геометрическом порядке так, чтобы они могли свободно вращаться, и образовывал разнообразные магнитные конфигурации. Допуская, что каждый из этих магнитиков представляет молекулу магнита, и сведя расстояние между ними до молекулярных размеров, можно было ожидать, что эксперименты Эвинга дадут как количественную, так и качественную информацию о ферромагнетиках. Задолго до этого в связи с тереллой Гильберта Дигби писал: «Человек, ставящий себе целью преуспеть в естественных науках, должен пытаться построить такую модель и использовать такие методы, которыми сможет оперировать по своей воле...». К чему это привело, мы увидим позднее.
Тот факт, что токовые петли, как обнаружил Ампер, ведут себя во всех смыслах как элементарные магниты, логически не подтверждает предположения, что ферромагнетизм обусловливается внутренними электрическими токами. Тем не менее, эта гипотеза была наиболее удобной из всех возможных и, как оказалось, стимулировала наибольшее число новых открытий, а также содействовала возникновению глубокого понимания «сути» магнетизма. И именно Ампер и его последователи, а не Пуассон и его школа работали в современном стиле, который можно охарактеризовать как гармоничное сочетание теории и эксперимента.
Современный научный метод, нашедший в электродинамике наиболее раннее свое применение, пытался каждому явлению найти место в общей математической теории или, как говорилось выше, ответить на вопрос «почему это получается?», а не только «как это случается?». Длинный перечень открытий, подаренных учеными, занимавшимися электродинамикой, уже сам по себе есть достаточная дань действенности этого метода, хотя потом и оказалось, что их объяснения природы магнетизма неверны. Если мы останавливаемся на этом, то лишь потому, что распространено ошибочное мнение, будто современная наука придерживается позитивизма. Это не соответствует методам, которыми двигается вперед современная наука. Эйнштейн писал: «Нет такого индуктивного метода, который мог бы привести к основным понятиям физики..., ошибаются те теоретики, которые считают, что теория индуктивно выводится из эксперимента».
Девятнадцатый век был столь богат взаимосвязанными теориями и открытиями во многих областях — атомное строение, термодинамика, электричество и магнетизм, что довольно трудно разобраться в них и четко выделить историю теории магнетизма. К счастью, имеется множество отличных обобщающих работ по научному прогрессу в ту эпоху, где о магнетизме говорится в соответствующей перспективе, как об одной из многих областей исследования. Здесь мы сосредоточим свое внимание лишь на том, чего достигли в формулировке понятий, и проведем грань между прогрессом в физической теории магнетизма и прогрессом в понимании природы магнитных сил.
Наука обязана очень многим интуиции и проницательности Фарадея (1791—1867), скромного ученого, которого часто называют величайшим гением эксперимента своей эпохи. Развивая эксперименты голландца Бругманса, который открыл, что (парамагнитный) кобальт притягивается, тогда как (диамагнитные) висмут и сурьма отталкиваются от одного и того же магнита, Фарадей изучал магнитные свойства разнообразных материалов и обнаружил, что все вещества, хотя обычно в очень малой степени, имеют одно из этих двух магнитных свойств. И именно в описании эксперимента с электромагнитом, в котором диамагнитный стержень устанавливается под прямым углом к магнитному потоку, Фарадей впервые употребил термин «магнитное поле» (декабрь 1845 г.). Он не обладал теоретическим складом ума и за всю свою жизнь не написал ни одного уравнения. Тем не менее его эксперименты недвусмысленно привели его к уверенности, что магнитные вещества действуют друг на друга посредством промежуточных полей, а не «дальнодействием». Это было объяснено Максвеллом:
«...я решил не читать никаких математических работ на эту тему, пока не прочту фарадеевскне Experimental Researches on Eleclricil.y («Экспериментальные исследования по электричеству»). Я был уверен, что существует различие между взглядом Фарадея на суть явления и точкой зрения математиком... По мере изучения работ Фарадея я постигал, что его метод... можно выразить обычными математическими выкладками... Например, Фарадей .мысленно видел силовые липни, пересекающие псе пространство, а математики видели там только центры сил, притягивающие на расстоянии; Фарадей видел среду там, где математики не видели ничего, кроме протяженности... Я обнаружил также, что некоторые из наиболее плодотворных исследовательских методов, открытых математиками, можно значительно лучше выразить с помощью идей, извлеченных из работ Фарадея, нежели из их первоначальных формул».
Принятое им понятие поля привело Фарадея к предположению о существовании влияния магнитного поля на свет. После множества неудачных экспериментов Фарадей, наконец, в 1845 г. открыл эффект, который получил его имя. Это — вращение плоскости поляризации света, проходящего через среду в направлении, параллельном наложенному магнитному полю. Кроме эффекта Фарадея, важную роль играют еще и другие магнито-оптические явления. Магнито-оптический эффект Керра аналогичен эффекту Фарадея в случае, когда свет отражается от поверхности магнита или намагниченного материала. Магнитная двойная рефракция, выразительным примером которой служит эффект Коттона — Мутона, — это двойная рефракция света, проходящего перпендикулярно направлению намагничивания. Однако эффект, которому суждено было получить фундаментальное теоретическое значение, был открыт Зееманом.
Поскольку гипотеза поля давала возможность предсказывать явления, то оно (поле) стало реальностью, которая существует и поныне.
Генри Адаме писал приблизительно в 1900 г.:
«Будущему исследователю история эксперимента Фарадея и изобретения динамомашины покажется невероятной; она обнажает состояние невежества и беспомощности человека перед простейшими силами, которые кажутся ему непостижимыми. Человек просто не мог себе представить того, что кто-то где-то сможет рассказать ему все о магните, стоит лишь найти соответствующую книгу».
И, однако, такая книга существовала: Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) обобщил исследования Фарадея, свои собственные уравнения и все, что было известно о свойствах электромагнитных полей и их взаимодействии с веществом.
...
"Но довольно; здесь столько дичи мелькает пред нами, что я в растерянности, не знаю, какую преследовать".
Джон Драйден («Кэнтерберийский пилигрим»)
Джон Драйден («Кэнтерберийский пилигрим»)
[Д. Маттис. Теория магнетизма. Введение в изучение кооперативных явлений. М.: 1967]
Использованные источники:
Неплохой материал. В первоисточнике рисунок и два десятка формул, которые я поленился сюда грузить. Но основная "гумунитарная" фактура перед вами.