4.2. Майкл Фарадей (1791-1867)

4.2. Майкл Фарадей (1791-1867)

Фарадей — это тихая, ясная, добрая, аскетическая жизнь с минимумом социальных контактов, стимулированная религиозными традициями его семьи. Это ученый, который мог сказать (письмо к Х. Ханстену, 16 декабря 1857 года): «Я никогда не имел ни студента, ни ученика, которые бы мне помогали, и я всегда готовил и делал свои опыты Майкл Фарадей собственными руками, работая и (1791-1867) думая в одно и то же время. Мне кажется, я не смог бы работать в компании, или думать вслух или вслух объяснить мои мысли до времени». Он никогда не обсуждал свои мысли с кем бы то ни было, он публиковал их, зная, что если они имеют ценность, то войдут в тело науки, если нет — они должны быть и будут забыты. Квартира при Королевском институте и лаборатория — это все, что ему было нужно для жизни и счастья. Безмятежное спокойствие, которым светится его лицо, отражается также во всех его делах и, отчасти, является результатом гармонии в отношениях с женой и родственниками. Его истинная скромность и смирение возникали из чувства глубокого долга к Создателю. Но при этом он всегда осознавал свою гордость и свою честь. Понимание своей греховности делало его оценки работ и поступков других людей не более суровыми, чем своих собственных. Когда он говорил о других, всем было ясно, что он руководствуется только любовью к истине. «Мало людей, кто действительно вполне довольствуется мыслью, что потомки, а не современники, должны судить о результатах конкретной жизни, ориентированной на научную работу. Фарадей был таким... Бели какая-то часть истины, которой суждено быть найденной, будет найдена им, то он частично отплатит Богу за подаренную жизнь. Если он будет не прав, ну что же, — по крайней мере он сделал все, что мог». Так пишет С. Вильямс в книге «Майкл Фарадей». Фарадей умер так же просто и скромно, как жил. Его похороны были тихими в соответствии с его желанием, присутствовали только ближайшие родственники и друзья. На его могиле простой камень. Но нация справедливо определила место его захоронения — Вестминстерское аббатство, рядом с могилами Ньютона и Максвелла.

Майкл Фарадей родился в Лондоне в 1791 году в бедной, но дружной и мужественной семье кузнеца Джеймса Фарадея. Особенно трудный период семья переживала в период континентальной блокады, когда Джеймс был вынужден обратиться за общественной помощью, и десятилетнему Майклу из общественных фондов еженедельно выдавалась булка. Небольшая религиозная секта, к которой принадлежали Фарадеи (позже Майкл в разное время исполнял обязанности старосты этой секты), была основана Робертом Сандеманом. Ее последователи искали путь к спасению в имитации жизни и поведения Христа.

^{Майкл Фарадей (1791-1867)}

С 13-ти лет Майкл начал работать разносчиком книг, а потом — учеником переплетчика в магазине мистера Джорджа Рибо. Хозяин был наниматель весьма странный, из трех его рабочих один стал великим физиком-экспериментатором, другой — знаменитым комедиантом, а третий — преуспевающим профессиональным певцом. Чтобы выучиться на переплетчика, в то время требовалось семь лет. Для Фарадея это был период самообразования и самовоспитания. Он быстро стал книжным червем и вначале читал все подряд, от сказок «1000 и одной ночи» до Британской Энциклопедии. Интерес к естественным наукам начался у него после знакомства с популярной книгой Марсет «Беседы по химии». Майкл целенаправленно формировал свою личность и развивал свои способности. С 1810 года он посещает публичные лекции по естествознанию, в 1812 году по совету одного из ученых посетителей магазина мистера Рибо начинает слушать блестящие лекции по химии, которые в Королевском институте для широкой публики читал сэр Хэмфри Дэви (1778-1823). Чтение подобных лекций крупнейшими английскими учеными было одним из источников доходов Института. Дэви в то время уже завоевал мировую известность своими трудами по химии и электричеству. Но, как пошутил однажды Дэвис Гильберт, тогдашний президент Лондонского Королевского Общества, «из всех открытий, когда-либо сделанных Дэви, самым большим было открытие Майкла Фарадея».

По окончании ученичества в октябре 1812 года Майкл поступил в переплетную мастерскую французского иммигранта Деляроша. На этот раз с хозяином не повезло — он оказался настоящим самодуром. И хотя Фарадей получал хорошую зарплату и имел надежды наследовать мастерскую, он чувствовал себя на новом месте крайне плохо. Пытаясь вырваться, он обращается к Дэви, выражая желание заняться научной работой. Дэви поначалу отговаривает Фарадея бросать выгодное переплетное дело. На замечание Фарадея о возвышенных переживаниях людей науки Дэви, по словам Фарадея, «улыбнулся и сказал, что предоставляет опыту нескольких лет исправить мои взгляды в этом отношении».

После колебаний, в конце концов Дэви берет Майкла лаборантом в Королевский Институт. Это происходит в начале 1813 года.

Уже в октябре Фарадей отправляется вместе с Дэви в длительное путешествие по Европе. Оно заняло более полутора лет. На континенте в разгаре политические страсти, Англия в состоянии войны, 16 октября Наполеон терпит поражение в битве народов под Лейпцигом, затем следуют локальные победы Наполеона в кровопролитной кампании начала 1814 года, но 30 марта 1814 года Париж капитулирует перед союзными армиями, 6 апреля Наполеон отрекается от престола. В марте 1815 года еще предстоит возвращение Наполеона, в июне — битва под Ватерлоо, а два англичанина спокойно путешествуют с октября 1813 по май 1815 года по городам Европы, ставят опыты, беседуют с единомышленниками, и в письмах Фарадея того времени нет почти ничего, кроме личных переживаний, описания впечатлений от городов, ландшафтов и встреч с учеными. Как трудно представить все это в современном мире! И как трудно отдать себе отчет в том, что вся окружающая политическая кутерьма не столь уж бесконечно важна по сравнению с тем, чем заняты Дэви и его лаборант. Во всяком случае, эта поездка ввела в большой мир и большую науку бывшего переплетчика, который до того ни разу не добирался до пригородов Лондона, а про химию и физику знал только из популярных источников.

В январе 1816 года Фарадей делает свой первый публичный доклад и в течение года еще пять докладов по частным проблемам химии. В 1817 году он публикует шесть, а в следующие два года — 37 статей и заметок.

В период с 1816 по 1821 год Фарадей в основном занимался химией и сделал в этой области несколько важных открытий. В 1824 году он избирается в Королевское Общество в основном за работы по химии. Но до того, в 1821 году, Фарадей обнаружил явление электромагнитного вращения: заставил двигаться рамку с током внутри подковообразного магнита. Фактически это означало создание прототипа электромотора. После опыта Эрстеда довольно очевидная возможность того, что проводник с током будет двигаться в магнитном поле, обсуждалась в Англии Уильямом Волластоном. (Волластон к этому времени был очень заметной фигурой. Он открыл два новых элемента: палладий и радий, обнаружил темные линии в спектре Солнца. Он был вице-президентом Королевского Общества.) Фарадей присутствовал во время бесед Дэви и Волластона, которые проходили в Королевском Институте. Вскоре Фарадей открыл эффект вращения, который, в действительности, оказался совершенно не похожим на то, что ожидали Дэви и Волластон. В человеческом плане ситуация была непростой. Волластон вел себя, как джентльмен, и не выдвинул никаких претензий, но Дэви был чрезвычайно недоволен. Этот трудный опыт в области человеческих отношений тяжело переживался Фарадеем.

Но были и радостные события. Много лет спустя он скажет: «Среди воспоминаний и событий 1821 года я выделяю одно, которое более, чем все остальные, послужило источником чести и счастья. Мы поженились 12 июля 1821 года». Его жена Сара Бернард, дочь лондонского ювелира, была верным другом и спутницей в течение 46-ти лет. Близко знавший Фарадеев Джон Тиндаль, член Королевского Общества, пишет: «Никогда, я думаю, не было более мужественной, более чистой и более постоянной любви...»

В 1821 году по просьбе Ричарда Филлипса, редактора журнала «Анналы Философии», Фарадеи начал готовить исторический обзор экспериментов и теорий электромагнетизма. Он делал основательно все, за что брался. В данном случае он просто повторил все важные опыты Эрстеда, Ампера, Араго и других и глубоко продумал существующие теоретические взгляды. После этого последовали обзор и статья «О некоторых новых электромагнитных движениях и теории магнетизма», где Фарадей описывает упомянутый эксперимент с вращением рамки с током.

Свой обзор Фарадей начинает словами: «Я столкнулся с серьезными трудностями в попытке получить ясную идею о том, что было сделано и кем, вследствие большого разнообразия данных, большого числа теорий, их смущающих следствий и пр.». Что-то столь сложное и требующее так много сил разного типа не могло быть верным. Только амперова «теория» (напомним, что она только возникла, идет 1821 год) заслуживала, с точки зрения Фарадея, своего названия. Но Ампер не объяснял, что такое ток. Фарадей пишет Амперу 2 февраля 1821 года: «...я скептик относительно теорий и Вы не должны сердиться на меня за то, что я не принимаю ту, которую Вы развили столь быстро. Ее изобретательность и приложения поразительны и точны, но я не могу понять, как производятся токи и, в частности, если нужно предполагать, что они существуют вокруг каждого атома или частицы, я буду ждать дальнейших доказательств их существования, прежде, чем приму их...». Математическое изящество теории для Фарадея ничего не значило, так как математикой он не владел совершенно (более тысячи страниц, написанных им в течение жизни в связи с исследованием электричества не содержат ни одной формулы!). 17 ноября 1825 года он пишет Амперу: «... что касается Вашей теории, то она так быстро становится математической, что сразу делается мне недоступной».

Другой особенностью Фарадея по сравнению с людьми, получившими университетское образование, была способность воспринимать вещи без вспомогательных теоретических лесов. Так, если объективно не менее сильный ум Ампера чувствовал необходимость все свести к действию центральных сил, чтобы сохранить ньютоновский взгляд на природу, то Фарадея, кажется, совсем не смущала идея циркулярной силы, так как благоговение перед ньютоновскими концепциями у него не было заложено с детства.

За десятилетие с 1821 по 1831 год в дневниках Фарадея почти нет записей об электромагнитных проблемах, хотя он делал безуспешные попытки вызвать ток с помощью магнитов, то есть пытался осуществить то, что не имело смысла в теории Ампера. К 1831 году Джозеф Генри в Нью-Йорке сконструировал мощные электромагниты, и вскоре было обнаружено явление изменения их полярности при быстром переключении питающих проводов. Используя новую технику и действуя чисто эмпирически, Фарадей смог 17 октября 1831 года обнаружить явление электромагнитной индукции: возникновение в цепи электрического тока при изменении внешнего магнитного поля. Фарадей, фактически, построил модель первой динамомашины, что через 100 лет должно было изменить облик Земли. Но эта сторона вопроса абсолютно его не интересовала. В течение последующих 25 лет он целенаправленно изучал только две вещи: способ, каким электрические и магнитные силы передаются в пространстве, и связь между этими силами и весомой материей. Начиная с первой серии «Экспериментальных исследований по электричеству», представленной Королевскому Обществу в ноябре 1831 года, его работа с перерывами продолжалась вплоть до 1855 года, когда появилась последняя, 30-я серия.

Хотя Фарадей называл себя «скептиком относительно теорий», на самом деле его серии «Экспериментальных исследований...» содержат постепенное возведение стройной теоретической концепции. К сожалению, она воспринималась большинством современников как чудачество великого экспериментатора. Взгляды Фарадея казались слишком наивными, несмотря на то, что они вели его сквозь лабиринты разнородных фактов и помогали находить правильные варианты постановки опытов, приводящих к открытиям. Но через 20 лет Максвелл первым счел нужным серьезно продумать теоретические высказывания Фарадея. Оказалось, что его формулировки просто и естественно переводятся на язык соответствующей математики. Не сильно утрируя ситуацию, можно сказать, что для создания окончательной теории электромагнитного поля потребовалось лишь образной символике Фарадея поставить в соответствие символику математическую, иначе говоря, записать в виде формул почти буквально то самое, что Фарадей говорил словами. Оговорка «почти» здесь не случайна — Максвеллу все-таки пришлось добавить в свои уравнения один (и стоит подчеркнуть, всего один!) дополнительный член, называемый «током смещения» (подробнее об этом позже). При этом эффекты от этого члена Фарадей вовсе не пропустил. Просто они не должны были проявляться в том круге вопросов, которые он изучал.

В электромагнетизме Фарадей сделал три замечательных открытия, причем любого из них в отдельности было бы достаточно, чтобы его имя осталось в науке.

Первое — уже упоминавшееся открытие электромагнитной индукции.

Второе — открытие диамагнетизма, т. е. свойства всех без исключения веществ в природе приобретать во внешнем магнитном поле компоненту намагниченности против направления поля. До этого реакция на магнитное поле наблюдалась на протяжении сотен лет, но лишь у ограниченного числа веществ — парамагнетиков, которые относительно сильно намагничиваются по полю. (Кстати, слова «парамагнетик», «диамагнетик», а также всевозможные производные от них были введены Фарадеем, который, вообще, уделял большое внимание изобретению адекватной терминологии. От него в современную науку пришли анод и катод, электрод, электролит, электромагнетизм, положительное и отрицательное электричество и т. д.)

И, наконец, третье открытие Фарадея — вращение плоскости поляризации света в магнитном поле.

В каждом случае Фарадей устанавливал факт взаимодействия между сущностями, до того не связанными между собой. Сейчас для физика является общим местом утверждение о всеобщей связи явлений, вопрос лишь в точности, к которой следует стремиться, чтобы заметить эту связь. Но именно Фарадей в наибольшей степени способствовал утверждению таких взглядов. Нужно сказать, что ему сильно повезло. Во всех случаях он действовал слепо, заранее не зная на каком уровне, при каких интенсивностях полей можно ожидать появления новых эффектов. Более того, он не имел надежных представлений об их характере. В таких условиях открытия обычно делаются случайно и, в соответствии с законами вероятности, один раз в жизни. Но, как видно, к Фарадею эти соображения не относятся. Теория вероятности — для обычных людей.

Для нас интересны взгляды Фарадея на природу электромагнитных явлений, которые он выработал к концу своей творческой жизни. Они получали подтверждение и развитие в его же собственных опытах, но из опытов ни в коей мере однозначно не следовали. Более того, как уже упоминалось, они, в основном, не разделялись научным сообществом.

Начинал как химик, Фарадей, возможно, под влиянием Дали воспринял идею атомов Босковича. Иезуитский священник Роджер Боскович (1711-1787) пытался на философском уровне преодолеть трудности, имеющиеся в ньютоновской концепции неделимых и недеформируемых корпускул конечного размера. Представим себе два атома в виде абсолютно твердых биллиардных шаров. Как можно представить себе лобовое столкновение таких шаров? Ведь в момент удара усилие, возникающее в точке соприкосновения, должно мгновенно передаваться на периферию, для того, чтобы каждый шар как целое изменил направление движения на противоположное. Ясно, что без фантастических предположений такое трудно реализовать. Боскович считает разумной и самосогласованной только идею точечных бесструктурных атомов, каждый из которых рассматривается только как источник силы.

Два атома Босковича могут быть в равновесии, находясь рядом. При небольшом смещении одного атома под влиянием внешней посторонней силы возникает состояние натяжения, которое убирается за счет перемещения к положению равновесия при снятии внешней силы.

Фарадей представлял себе линии электростатической силы буквально, как линии молекул Босковича в состоянии натяжения. Начиная свою деятельность с исследования электрохимического разложения растворов, он убедился, что разложение происходит вдоль всей силовой линии электродвижущей силы (э.д.с.), — полюса батареи как таковые не нужны, чтобы предсказать, что произойдет в данной точке электролита, если величина э. д. с. задана. Атом Босковича, смещенный из положения равновесия, вызывает смещение соседа, сосед передает действие дальше, пока в цепи не возникнет состояние напряжения, которое разрядится электрическим током при замыкании цепи. Ни в один из моментов атомы не являются свободными — они всегда связаны с партнерами, которые могут меняться. Если электростатическая индукция, как считал Фарадей, подобна электрохимическому разложению, то отсюда должно следовать, что электростатическая сила, подобно электрохимической, передается от частицы к частице, а не действует на расстоянии. Теперь уже недостаточно считать, что закон Кулона полностью определяет электростатическую силу, а нужно знать коэффициент k, определяемый свойствами среды между зарядами. Таким образом, концепция поля, точнее, поля сил, распространяется на всю электростатику. Индуктирующее тело и тело, приобретающее индуктируемый заряд, являются просто концами линий электростатически напряженных частиц. К 1838 году электростатическая линия силы стала для Фарадея основной реальностью во всех электрических явлениях. Внутримолекулярное натяжение он назвал электротоническим состоянием. Тела по-разному ведут себя в таком состоянии — металлы, например, не выносят большого натяжения и, раз возникнув, оно тут же разряжается (если не будет снова восстановлено). Разрушение электротонического состояния выглядит как волна, бегущая по проволоке, она же есть электрический ток.

Приступив к изучению магнитных явлений, Фарадей использовал в начале аналогичные представления в отношении линий магнитного поля, но вскоре был вынужден от них отказаться. Прежде всего у магнитных силовых линий не было источников — не было магнитных зарядов. Удивительно, сколь оригинальны и просты были опыты, с помощью которых Фарадей обнаруживал фундаментальные факты. Например, использовался такой прибор: соленоид, плавающий в воде, и магнитные стрелки, наколотые на пробки, которые, свободно двигаясь на поверхности жидкости, вычерчивают направления линий магнитного поля. При этом пробки спокойно проплывают сквозь соленоид, наглядно демонстрируя непрерывность силовых линий. Явление электромагнитной индукции обнаруживалось в следующей конструкции: «цилиндрический полосовой магнит диаметром 3/4 дюйма и длиной 8 ? дюйма одним концом был вставлен в конец цилиндра с соленоидом; затем он был быстро внесен во всю длину и стрелка гальванометра отклонилась; далее он был удален и стрелка отклонилась в противоположном направлении». (Запись Фарадея в дневнике, 17 октября 1831 года.)

Исследование Фарадеем природы магнитных линий — это, помимо изобретательности, поразительный пример мужества и упорства. Ближе к 50-летнему возрасту Фарадей стал страдать тяжелым недугом. При отменном физическом здоровье он терял память. Переутомление теперь приводило к очень длительным и глубоким провалам. Болезнь прогрессировала, и в 1840 году Фарадей был вынужден полностью прекратить научные исследования; только в 1844 году он снова смог приступить к работе. Он постепенно отказывался от различных обязанностей, которые уже не мог выполнять параллельно, не скрывал и не стыдился своего недуга, а всячески пытался с помощью организации жизни использовать малейшие просветы, предоставляемые ему природой.

Странным образом ослабление памяти не отражалось на его изобретательности. В 1845 году он делает открытие, не менее важное для понимания электромагнетизма, чем электромагнитная индукция. Он обнаруживает явление диамагнетизма. Диамагнетизм проявляется в выталкивании линий магнитного поля из некоторых веществ. На рис. 1 случаи а, б, в отвечают соответственно вакууму, парамагнетику и диамагнетику во внешнем поле.

^Рис.1

Фарадей доказывает, что диамагнетик, помещенный в среду еще более диамагнитную, ведет себя, как парамагнетик. В нормальной ситуации вакуум занимает промежуточное положение между диа- и парамагнетиком. В дальнейшем Фарадей осуществляет обширную программу экспериментов по изучению магнитных линий в веществах и в июне 1852 года в двух публикациях: «О физическом характере линий магнитной силы» и «О физических линиях магнитной силы» делает важный вывод — присутствие весомой материи не является необходимым для существования физических линий магнитной силы. Формулируется это так: «Если они (линии магнитной силы) существуют, то не как результат последовательного расположения частиц, как в случае статической электрической индукции, ... но обусловлены пространством, свободным от таких материальных частиц. Магнит, помещенный в лучший вакуум, который мы можем создать, был ли тот вакуум ранее занят парамагнитным или диамагнитным телом, действует на магнитную иглу так же, как если бы он был окружен воздухом, водой или стеклом; и поэтому эти линии существуют в вакууме так же, как в веществе». Что возраст может сделать с сильным умом, — такова была реакция большинства современников!

После этого было естественно пересмотреть и природу линий электрической силы и воспринимать их как самостоятельную реальность, существующую в каждой точке пространства независимо от весомой материи. К сожалению, Фарадей не прошел до конца по этому пути, так как не нашел контрольных экспериментов, подтверждающих такую точку зрения.

Фарадей не пытался искать механические модели для силовых линий в вакууме. Во всяком случае, у него нет ясных высказываний, где допускалась бы возможность того, что оптический эфир Френеля может иметь к ним отношение. Эфир как гипотетическая среда вообще не воспринимался Фарадеем серьезно, в его дневниках содержатся отрывочные мысли об эфире, относящиеся примерно к 1850 году, откуда видно, что он ясно представлял существо основных трудностей. Выглядит это так: «Эфир — его необходимость — доказали ли математики, что существует жидкость, в которой поперечные колебания происходят легче, чем продольные? Может ли такое быть в однородной жидкости?... Если натянутая струна представляет образ эфира и его поперечных колебаний, что обеспечивает сильное сцепление, такое как между частицами струны, от которого сам факт поперечных колебаний существенно зависит?... Что проходит через эфир? Продольные колебания в эфире — это свет или нет? Если да, каковы свойства этого света? Если нет — каков результат этих продольных колебаний? Не являются ли все вибрации света поперечными — тогда вообще нет продольных колебаний? Можно ли придумать жидкость, где бы не было продольных колебаний?»

После работ Френеля, особенно после статьи 1829 года «Элементарный взгляд на волновую природу света» (опубликованной в английском журнале «Quarterly Journal of Science»), в которой без математики, то есть в доступной форме, излагаются все существенные идеи, Фарадей не мог не искать аналогий между светом и электромагнетизмом. Обычно он был чрезвычайно аккуратен в своих высказываниях, но в 1832 году он совершает загадочное действие — оставляет запечатанный конверт под названием «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в архивах Королевского Общества», с указанием вскрыть через 100(!?) лет. Документ был обнародован в 1858 году. Среди прочего в нем имеется фраза: «Я пришел к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, которое окажется очевидно незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же способом... Я считаю возможным применять теорию колебаний к распространению электрической индукции». (Здесь Фарадей говорит, правда, об аналогии с волнами на воде, то есть о продольных волнах.) Очевидно, что Фарадей не нашел в дальнейшем путей для экспериментального подтверждения этой идеи, но ясно, что с самого начала его мысль работала в удивительной гармонии с природой.

Фарадей спокойно и тихо скончался 25 августа 1867 года, сидя за письменным столом. Последние годы у него уже не было сил для серьезных дел, но светлое состояние души не оставляло его. Еще в 1861 году он пишет другу: «Я благодарен, что в процессе того, как способности и другие вещи в этой жизни покидают меня — добрая надежда остается со мной. Это позволяет размышлять о смерти спокойно и без страха. Чего же бояться, если среди подарков Бога нам дан свыше еще этот мир в душе? Именно этот, невыразимый словами дар в Его излюбленном сыне, — есть основание для надежды, и в нем опора для тех, кто, как ты и я, влечемся здесь, внизу, к концу нашего жизненного пути».

Нам еще придется, рассказывая в следующей главе о Максвелле, постоянно возвращаться к тому, что сделал Фарадей в электромагнетизме. Дело в том, что сейчас объективный язык физики — это формулы, математические соотношения. Понятно, что за ними лежит физическое содержание, которое по необходимости выражается словами. Но слова, к сожалению, всегда не точны. Фарадей уникален, поскольку мыслил точно, как математик, не владея формальным аппаратом. Но без формул нельзя передать мысли достаточно однозначно, нельзя также предусмотреть все возможные следствия. Факты, которые установил Фарадей, стали фундаментом электромагнитной теории, но ее логическая структура стала строгой только после Максвелла. Поэтому если обсуждать не сами факты, а их последовательную интерпретацию, то лучше использовать четкий язык Максвелла, а не многословные и многозначные пояснения Фарадея.

Образы Фарадея, несмотря на их огромную эвристическую ценность, не эквивалентны природе. С Максвелла утверждается понимание, что истины в фундаментальной физической теории ровно столько, сколько в ней математики.