Михаил ФАРАДЕЙ

Доцент Б. ЧЕРНОМОРДИК

Широкий подъезд и массивная дубовая дверь особняка президента Королевского института сэра Жозефа Бенкса выглядели так строго и солидно, что молодой человек, приближавшийся к дому быстрой походкой, невольно замедлил шаг и остановился. Его смущение усилилось еще более, когда в ответ на нерешительный звонок дверь распахнулась и на пороге появился швейцар с суровым и надменным лицом.

— Я прислал вчера письмо сэру Бенксу. Нет ли на него ответа? — спросил молодой человек. — Моя фамилия Фарадей.

— Фарадей? — переспросил швейцар. — Нет. Впрочем, есть. Сэр Бенкс просил его не беспокоить.

С этими словами он захлопнул дверь, красноречиво давая понять, что аудиенция окончена.

Юноша не ожидал такого ответа, но не пришел от этой неудачи в отчаяние. Несмотря на свои молодые годы, он уже успел пройти суровую жизненную школу, которая научила его бороться и не сдаваться легко и быстро.

Он родился в семье кузнеца на окраине Лондона. Это было в 1791 г. Отец целый день был занят в кузнице, а мать — на кухне, и маленький Михаил был всегда предоставлен самому себе. Восьми лет его отдали в школу. Обучение в ней велось бесплатно, но учитель заставлял учеников выполнять различные поручения по домашнему хозяйству. За пять лет пребывания в школе ее питомцы едва выучивались писать и считать, и если бы не страстная любовь Фарадея к чтению, то и он недалеко бы ушел от своих товарищей.

Когда Михаилу исполнилось 13 лет, отец предоставил ему право выбрать профессию. Молодой Фарадей решил стать переплетчиком. Карьеру переплетчика он избрал себе потому, что надеялся, соприкасаясь с большим количеством книг, удовлетворить свою страсть к чтению. И действительно, все свободное время он отдавал книгам. Это было, конечно, беспорядочное чтение. С одинаковым увлечением он читал и знаменитую «Британскую энциклопедию» и сказки Шахерезады. Но особенное впечатление произвели на него популярные «Разговоры о химии» мисс Марсе.

Когда Фарадею было всего лишь 15— 16 лет, он самостоятельно проделал все опыты, описанные в книжке Марсе. С тех пор страстное увлечение наукой не оставляло его. Самостоятельное чтение уже не могло удовлетворить Фарадея. В то время различные научные общества устраивали популярные лекции для лиц, желающих пополнить свое образование. Но для рабочих эти лекции были почти недоступны. Один из заказчиков, заметив любовь Михаила к чтению, помог ему получить доступ на цикл лекций по физике проф. Татума. Посещение каждой лекции стоило шиллинг, и если бы не помощь старшего брата который, не сожалел для этого денег, Фарадей так бы и не попал в число слушателей этого курса.

За физикой следовала химия и другие науки. У Фарадея появились новые знакомые среди юношей, посещавших эти воскресные аудитории. Новые друзья помогли ему вступить в члены Философского общества, руководимого самим Татумом. Общество собиралось раз в неделю для совместных занятий по литературе и естественным наукам. Те же приятели помогли Фарадею проникнуть на лекции, устраиваемые Королевским институтом (высшее научное общество в Англии). Он услышал лекции по химии Гемфри Дэви. Эти лекции, прочитанные знаменитым ученым, так увлекли Фарадея, что он решил всю свою жизнь посвятить химии и физике. Конспект лекций Дэви, составленный Фарадеем, привел в восторг его друзей, что заставило молодого энтузиаста науки еще больше поверить в свои силы.

В наивной простоте Фарадей полагал, что стоит ему только захотеть отдаться научной деятельности, как найдутся десятки людей, которые ему в этом помогут. Этих людей, конечно, нужно было искать среди ученых, которые поймут порыв его молодой души, поймут его страстное желание учиться и посвятить себя раскрытию тайн природы. Фарадей решил написать о своем желании учиться самому президенту Королевского института — сэру Бенксу, наиболее почетному и знаменитому из тех, на кого он возлагал такие надежды. Но ответа на письмо не было. Эта неудача отрезвила Фарадея. Жизнь не так проста, как он думал. Придется бороться за осуществление своих желаний. И Фарадей чувствовал себя готовым к этой борьбе...

Обрывки этих воспоминаний теснились в голове Фарадея, пока он все дальше и дальше удалялся от дверей негостеприимного дома. Шумные и нарядные улицы города остались уже далеко позади. Вокруг него теснились старые лачуги — приют ремесленников и нищих столицы. Сегодня окончился его контракт с хозяином, и Фарадей впервые почувствовал себя «свободным». В кармане у него не было ни гроша, а имущество состояло из груды книг, купленных на деньги брата.

— Есть новости, — услышал Фарадей знакомый голос позади себя.

Фарадей обернулся. Эго был один из его новых друзей — Дансе, не раз помогавший ему проникать на лекции Дэви и других ученых.

— У меня есть для вас прекрасные новости, — повторил тот.

— Это очень кстати, — печально сказал Фарадей, — так как я только что потерпел поражение у дверей самого сэра Бенкса.

— А я только что был у Дэви, — продолжал Дансе, — он сказал, что освободившееся место ассистента химической лаборатории будет передано вам. Администратор института Пипис хотел предложить вам мытье химической посуды, но Дэви, уже немного знакомый с вами, решительно отказался от этой комбинации. Итак, вы — сотрудник Королевского института!

*

В 1813 г. бывший переплетчик Михаил Фарадей появился в стенах Королевского института в скромной должности ассистента химической лаборатории. Эта должность лишь на одну ступень возвышалась над той, которую предлагал ему Пипис. Фарадей должен был подготавливать все необходимое к занятиям по химии, которые проводил Дэви. Он должен был приносить приборы в аудиторию, подавать Дэви необходимые химикалии, посуду и т. д. Но зато в качестве сотрудника института Фарадей получил доступ на все лекции, а в свободное от службы время мог сам производить интересные опыты, помогая Дэви в его исследованиях.

Осенью того же года Дэви предложил своему новому ассистенту сопровождать его в путешествии по Европе. Фарадей, никогда не выезжавший из Лондона, принял это предложение. Однако, выехав в качестве «помощника натуралиста», он вскоре перешел к обязанностям слуги, так как за несколько дней до отъезда из Англии камердинер Дэви отказался от поездки, а на подыскание заместителя уже не было времени. Но расстаться с Дэви Фарадей не хотел, так как боялся лишиться Королевского института — единственного места, где он мог удовлетворить свою жажду к научной работе.

Однако два года, проведенные в постоянных разъездах, не пропали даром для молодого Фарадея. Он жадно знакомился с нравами и обычаями стран, в которых ему пришлось побывать, замечая и записывая в своем дневнике все, что останавливало на себе его внимание. Путешествие дало ему возможность видеть и слушать многих замечательных ученых того времени, среди которых были Ампер, Араго, Гей-Люссак, Вольта и др. Когда в 1815 г. Фарадей вновь появился в химической лаборатории, это был уже взрослый человек с большим теоретическим багажом, с установившимися взглядами, способный и созревший к серьезной научной работе.

Это поняла администрация института, и Фарадею была предоставлена возможность вести самостоятельную работу по химии.

Скоро в журналах института начали появляться сообщения Фарадея о проделанных им работах и исследованиях. Так, в 1816 г. была напечатана первая работа Фарадея о химическом анализе тосканской едкой извести. В 1818 г. он завоевал себе уже известный авторитет среди членов Королевского института, когда ему удалось закончить свое первое исследование из области физики — о так называемом «поющем пламени».

Если до сих пор на Фарадея еще смотрели как на способного самоучку, то после этой работы все признали в нем подлинного ученого. Этот период деятельности Фарадея закончился большим мемуаром о новых соединениях хлора с углеродом и иода с водородом и углеродом. Работа получила всеобщее признание и была напечатана в журнале Королевского института.

К этому времени относится также начало его популяризаторской деятельности. Фарадей помнил, с каким трудом досталась ему наука, и теперь решил помочь молодым людям, стремящимся пополнить свое образование. На квартире у Фарадея постоянно собиралась молодежь. Здесь читали рефераты по различным вопросам физики и химии, работали над улучшением слога и т. д. С 1816 г. Фарадей начал читать популярный курс физики и химии, названный им «Изложение свойств, присущих веществу, описание видов вещества и сведения о простых телах». В Философском обществе, где велись эти занятия, он прочел ряд лекций о силе сцепления, химическом сродстве, лучеиспускании, о свойствах газов. Фарадей был блестящим популяризатором науки, и его лекции пользовались огромным успехом.

К этому же времени относится и женитьба Фарадея на мисс Бернард, которую он знал еще в детстве.

*

Как бы ни были велики успехи Фарадея в первые годы пребывания в Королевском институте, работы этого периода его научной деятельности не идут ни в какое сравнение с тем, что было им сделано позже в совершенно новой области электрической индукции и электромагнитных явлений. До Фарадея о взаимоотношении между электричеством и магнетизмом было известно очень мало. Из практики мореплавании было известно, что молния иногда производит перемагничивание компасной стрелки, но никаких обобщающих выводов отсюда не делали. Несколько таких случаев были описаны в сочинениях Бойля и Араго.

В 1820 г. профессор Копенгагенского университета Эрстед, изучая действие тока на проводник, предположил, что электричество, нагревая проводник, ускользает от наблюдений экспериментатора и может проявить себя в дальнейшем в совершенно неожиданной форме. В этой туманной формулировке находился зародыш идеи преобразования энергии, получившей, как известно, окончательное развитие лишь четверть века спустя. Эрстед был убежден в тождестве магнитных и электрических сил. Он решил проверить, «не окажут ли эти силы в своем наиболее скрытом состоянии, в каком они находятся в раскаленной проволоке, какого-либо действия на магнит?»

На одной из своих лекций по физике Эрстед решил произвести опыт, подтверждающий эту мысль. Вставив в соединительный проводник тонкую платиновую проволоку и поместив под ней магнитную стрелку, Эрстед включил гальванический ток. Магнитная стрелка мри этом отклонилась. Открытие Эрстеда произвело сенсацию среди ученых всего мира.

Чтобы правильно оценить значение этой работы датского физика, напомним кратко о состоянии науки того времени.

В начале XIX столетия область изучаемых явлений природы значительно расширилась, однако исследования этих явлений велись вне связи друг с другом. Для объяснения каждой отдельной группы явлений прибегали к гипотезе особого «флюида», на который и переносили все открытые качества. Так, в физике разбирались свойства электрического флюида, магнитного флюида, светового флюида, теплорода и т. д. Идея единства сил природы возникла, как естественная реакция против этого наводнения различных флюидов, количество которых грозило непрерывно расти параллельно накоплению фактического материала в физике. Однако во времена Эрстеда идея единства сил природы не была подкреплена опытом и оставалась лишь одним из философских течений, не оказывая никакого влияния на характер научных исследований.

Вслед за работой Эрстеда появился целый ряд новых сообщений, подтверждающих связь магнетизма с электричеством. В сентябре 1820 г. Араго открыл, что электрический ток может намагничивать железные предметы. Одновременно с ним Ампер доложил французской Академии наук о результатах своих опытов, доказывавших, что два проводника, по которым течет ток, ведут себя по отношению друг к другу, как два магнита. При этом он установил ряд правил такого взаимодействия токов. В том же году французские ученые Био и Савар исследовали зависимость между действием электрического тока на магнитную стрелку и расстоянием от стрелки до проводника.

В этой обстановке сенсационных открытий произошла знаменательная для Фарадея беседа физика Вульстена с Гемфри Дэви.

— Ампер сделал свои замечательные открытия лишь потому, что правильно истолковал опыт Эрстеда, — сказал Вульстен, зайдя как-то в кабинет Дэви.

— Да, фактически это так, — отвечал Дэви. — Эрстед открыл, что гальванический ток отклоняет магнитную стрелку от ее обычного направления. Исходя из этого открытия, Ампер чисто теоретическим путем выяснил, что все магнитные явления могут быть сведены к взаимному действию электрических токов.

— Это нисколько не умаляет заслуг Ампера, — отозвался Фарадей, находившийся в этой же комнате.

— Несомненно, наука в скором времени сделает большие успехи в этой области, — задумчиво произнес Вульстен. —  Если магнитная стрелка отклоняется под действием тока, то почему бы ее вообще не заставить вращаться около проводника? Больше того, я даже думаю, что проводник можно заставить вращаться около стрелки!

Этот гениальный экспромт Вульстена произвел на Фарадея огромное впечатление. Он решил серьезно заняться изучением электромагнитных явлений. Прежде всего он собрал весь материал, имеющийся в этой области. Эта сводка была напечатана в 1821 г. в журнале «Философские анналы» под названием «История успехов электромагнетизма». На основании материалов своих предшественников и собственных опытов Фарадей составил твердое мнение о сущности электромагнитных явлений. Он решил, что движение стрелки происходит от действия силы, заключенной в самой проволоке, и что сила эта стремится бесконечно вращать полюс стрелки около проводника, пока по нему идет ток.

В том же 1821 г. Фарадей добился вращения магнитной стрелки вокруг проводника гальванического тока. Таким образом, первая часть пророчества Вульстена была выполнена. Однако вторую часть задачи Фарадею удалось осуществить только через 10 лет.

Вскоре после удачного опыта с магнитной стрелкой в дневнике Фарадея появилась лаконическая заметка: «Превратить магнетизм в электричество». Интересно отметить, что за 20 лет до появления работ Майера и Джоуля о превращении одного вида энергии в другой у Фарадея даже не возникает сомнений, можно ли произвести такую метаморфозу. В нем живет уверенность, что силы природы едины и переход двух различных «флюидов» друг в друга является лишь вопросом умения экспериментатора.

С 1821 по 1831 г. Фарадей много раз возобновлял эксперименты по превращению магнетизма в электрический ток, но все попытки в этом направлении кончались неудачей. В промежутке между работами по электромагнетизму Фарадей произвел блестящие опыты по сжижению хлора и других газов. К этому же времени относятся его работы в области пределов испарения различных тел, а также исследования по акустике и оптике (трактат «Об особенного рода оптическом обмане»).

1831 г. ознаменовался открытием Фарадея, по сравнению с которым все остальные его замечательные работы отступают на второй план. Это открытие послужило основой для развития техники XX столетия. Производство электроэнергии, телеграф, телефон, радио и сотни различных приборов и машин основаны на электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.

Начиная с 1825 г. Фарадей неоднократно пытался осуществить вторую часть намеченной им программы работ по электромагнетизму. Неудачи, преследовавшие Фарадея при этих опытах, объяснялись тем, что он экспериментировал с проводниками и магнитами, находящимися в покое, т. е. неподвижными по отношению друг к другу. Таким образом, силовые линии магнита и проводников, по которым проходил ток, не пересекались между собой, а в этом и заключалось, как выяснил впоследствии Фарадей, основное условие для возбуждения индукционного тока.

Приборы, сделанные Фарадеем для его опытов по электромагнитной индукции.

29 августа 1831 г., экспериментируя с прототипом современного трансформатора, т. е. с металлическим кольцом с двумя обмотками, он присоединил концы одной проволоки к зажимам батареи, а концы другой — к чувствительному гальванометру. По во вторичной обмотке по-прежнему не обнаруживалось никакого тока. Однако при включении и выключении батареи Фарадей заметил отклонение стрелки прибора. Таким образом, связь электричества с магнетизмом была найдена. Экспериментируя в дальнейшем с магнитом, движущимся внутри проволочной катушки (соленоида), и варьируя различными способами движение проводника и магнита относительно друг друга, Фарадей окончательно связал между собой магнетизм и электрические явления.

Закон индукции, сформулированный Фарадеем, гласил: «Пересекает ли провод силовые линии перпендикулярно или под углом, в одном или в другом направлении, он суммирует силы, соответствующие пересеченным им линиям, так, что количество приведенного в движение электричества прямо пропорционально числу пересеченных линий».

К этому обобщающему выводу Фарадей пришел, конечно, не сразу. В лаборатории Королевского института сохранились записи более 16 тыс. (!) опытов, проделанных Фарадеем по электромагнетизму начиная с 1831 г. Эти записи, которые ежедневно делал Фарадей после своего трудового дня, прекрасно характеризуют его как экспериментатора и ученого. Эксперимент, поставленный Фарадеем, всегда отличался глубокой продуманностью, остроумием и тщательностью.

*

В 1831 г. начинается наиболее плодотворный период деятельности Фарадея. Из его лаборатории выходят десятки самых разнообразных работ. Одна общая идея связывала их всех — это единство сил природы и возможность их преобразования.

В то время наряду с многочисленными флюидами различалось несколько видов электричества, тождество которых только предполагалось некоторыми учеными. Физики изучали отдельно термоэлектричество, атмосферное электричество, электричество трения и т. д. Фарадей первый путем тщательно продуманных опытов доказал полное тождество всех видов электричества.

Лаборатория Фарадея в Королевском институте.

Следующим этапом работ Фарадея было исследование связи между, химическими и электрическими явлениями. В то время существовала теория Дэви и Берцелиуса, согласно которой химическое сродство являлось результатом электрического притяжения частиц материи. Однако именно Фарадею удалось установить точные количественные соотношения явления электролиза, имеющего огромное значение в современной технике.

Применяя в своих опытах в качестве источника тока батарею Вольта, Фарадей решил проверить справедливость так называемой контактной теории, господствовавшей в то время. По этой теории ток в вольтовом столбе возникал благодаря соприкосновению двух разнородных металлов. Фарадею интуитивному стороннику закона сохранения энергии — было непонятно, как простое соприкосновение металлов, не сопровождавшееся затратой ни энергии, ни вещества, могло породить какую бы то ни было силу. Рядом опытов Фарадей доказал, что ток в гальванической батарее является результатом химического процесса, происходящего на поверхности металлических пластин. Вот что он писал по этому поводу: «Контактная теория полагает, что сила может возникнуть из ничего, что ток может быть порожден без какого-либо изменения в действующей материи или без затраты, производящей силы, причем ток этот будет действовать, непрерывно преодолевая постоянное сопротивление. Это было бы на самом деле созданием силы, и этим ток отличался бы от всякой другой силы. Мы знаем много процессов, благодаря которым форма силы так изменяется, что происходит видимое превращение одной силы в другую. Так, мы можем химическую силу превратить в электрический ток, а электрический ток — в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пелетье доказывают превратимость теплоты в электричество, а опыты Эрстеда и мои — превратимость электричества в магнетизм. Но никогда не происходит создания силы, возникновения силы без соответствующей затраты того, что питает эту силу».

Таким образом, еще до появления основных работ Майера и других творцов закона сохранения энергии Фарадей ясно представлял себе невозможность появления энергии из ничего и защищал идею перехода одного вида энергии в другой в определенных (эквивалентных) количествах.

Начиная со второго десятилетия после открытия электрической индукции, работы Фарадея появляются все с большими и большими перерывами. Фарадей чувствовал временами полный упадок сил и не раз был вынужден надолго прекращать свои научные занятия.

В 1845 г., после очередного перерыва в своих исследованиях, Фарадей закончил еще одну замечательную работу, посвященную вращению плоскости поляризации света в магнитном поле. Экспериментируя с поляризованным (проломленным в одной плоскости) лучом света, Фарадей заставил его изменить свое направление под действием магнитных сил. Этим доказывалась связь между световыми и электромагнитными явлениями. В своем мемуаре «О намагничивании света» Фарадей писал: «Давно уже я держался мнения, почти перешедшего в убеждение, что различные физические силы имеют одно общее начало, что силы, говоря иначе, родственны между собой и находятся во взаимной зависимости, что они могут превращаться друг в друга и в отношении своего воздействия обладают определенными эквивалентами. Это твердое убеждение распространяется также на силу, которую мы называем светом».

Таким образом, мы видим, что огромное количество работ, вышедшее из лаборатории Фарадея в течение ряда десятилетий, объединено одной идеей, доказывающей единство всего многообразия сил природы. Найдя связь между электромагнитными и световыми явлениями, электрическими и химическими силами, Фарадей много раз пытался обнаружить связь между электричеством и силой тяготения. Фарадей бросал катушку с проволокой с большой высоты, надеясь обнаружить в проводнике электрический ток в результате падения. «Постоянное убеждение в том, — писал Фарадей, —  что все силы природы зависят друг от друга и имеют одно общее происхождение или, вернее, представляют собой различные проявления одной фундаментальной силы, часто приводило меня к размышлениям о возможности экспериментально установить связь между тяготением и электричеством и, таким образом, включить тяготение в группу столь многочисленных и столь разнообразных проявлений сил, обнимающую также магнетизм, химическую силу и теплоту и связующую их общими соотношениями».

И все же несмотря на то, что Фарадей постоянно пропагандировал идею единства сил природы и их эквивалентности, он никогда не мог дойти до полного и ясного понимания физического смысла этого эквивалента, на основании которого можно было бы сравнивать различные виды энергии. В то время слово «сила» имело несколько понятий. Возможно, это и способствовало тому, что Фарадей так и не понял разницы в физической сущности силы, работы и энергии. Это тем более удивительно, что в сороковых годах прошлого столетия уже было найдено полное решение этого вопроса в работах Гельмгольца и Майера, с трудами которых Фарадей был, несомненно, знаком. Разумеется, это обстоятельство нисколько не умаляет значения великих открытий Фарадея, ставших основой всей современной электротехники.

*

Личная жизнь Фарадея в зрелые годы протекала ровно, спокойно. После приезда из путешествия с Дэви Фарадей никогда не покидал ни Лондона, ни Королевского института.

Последние десятилетия своей жизни Фарадей был окружен всеобщим признанием и уважением. Научные общества многих стран избрали Фарадея своим почетным членом, не раз его просили принять на себя обязанности президента Королевского института. За несколько лет до смерти Фарадей был вынужден окончательно бросить научные занятия из-за сильного ослабления памяти и упадка сил.

Умер Фарадей в 1867 г., в возрасте 76 лет.