От проблем пустоты к проблемам электричества
Хасапов Борис
В 1640 году великий герцог Тосканский решил устроить фонтан на террасе своего дворца и приказал для этого подвести воду из ближайшего озера с использованием всасывающего насоса. Приглашенные флорентийские мастера сказали, что это невозможно, потому что воду нужно было всасывать на высоту более 32 футов (9,6 м). А почему вода не всасывается на такую высоту, объяснить не могли. Герцог попросил разобраться великого ученого Италии Галилео Галилея. Хотя ученый уже был стар и болен и не мог заняться экспериментами, он все-таки предположил, что решение вопроса лежит в области определения веса воздуха и его давления на водную поверхность озера. А если это так, то можно было объяснить некоторые загадочные явления природы, разгадки которых добивались выдающиеся умы человечества в течение многих столетий. Среди них была и проблема пустоты.
Существует ли пустота?
По традиции, опиравшейся на авторитет Аристотеля, считалось неоспоримым, что «природа боится пустоты» и этим «страхом» объяснялись многие физические явления. Впрочем, сам Аристотель был не столь категоричен, в своей «Физике» он записал: «Надо признать, что дело физика рассмотреть вопрос о пустоте, существует она или нет, и в каком виде существует, и что она такое...» [1].
Чтобы понять, какая сумятица царила в головах ученых того времени, приведем мысли Блеза Паскаля, современника Галилея. «Что может быть нелепей, чем утверждение, будто у неодушевленных тел есть страсти, опасения, страхи? Тем более что предмет этих страхов – пустота. Что же такого есть в пустоте, что может их пугать? Что может быть глупее и смешнее?
Это еще не все; в них самих заключено некое начало движения, чтобы избегать пустоты. Или у них есть руки, ноги, мускулы, нервы?» [2].
Сомневаться действительно было в чем. Если поршень, двигаясь вверх в вертикальной трубе насоса, извлекает воздух, то согласно теории «боязни пустоты» его место немедленно занимает вода, чтобы не оставалось пустоты. Но такая «боязнь пустоты» у природы существовала почему-то до высоты подъема, равной 32 футам. За разрешение этого вопроса взялся ученик Галилея Э. Торичелли. Для проверки гипотезы своего учителя он провел свой знаменитый опыт.
Наполнив ртутью стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца, он закрыл другой конец пальцем, перевернул и опустил палец в чашу со ртутью. При опускании пальца часть ртути из трубки вытекла, но остановилась на высоте, с учетом удельного веса ртути равной именно 32 футам водяного столба. Гипотеза Галилея была подтверждена, а пузырек над поверхностью ртути стал безвоздушным пространством и получил впоследствии название «торичеллиевой пустоты». Эта пустота сыграет свою роль в развитии науки об электричестве, но позже, при построении первой электрической машины.
А в 1650 году за опыты по изучению пустого пространства берется очень богатый человек, бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике, Что толкало исследователя к проведению дорогостоящих опытов, затраты на которые никто и не собирался возмещать?
Послушаем самого Герике.
«Издавна философы жестоко спорили друг с другом относительно пустоты: существует ли она и что производит, и каждый упорно защищал принятое однажды мнение. И зажегшееся в моем уме стремление узнать истину в этом пока еще спорном предмете не могло ни заснуть, ни погаснуть, так что я попытался провести некоторое исследование данного вопроса. Это было сделано различными способами, и работа не оказалась бесплодной, так как я изобрел несколько машин для обнаружения этой всегда отрицаемой пустоты» [3].
Пустоту Герике пытается получить иначе, чем Торичелли. Он конструирует механический вакуум-насос, чтобы посредством него создать пустоту в деревянной бочке. Однако он не достиг высокого вакуума, а бочка была раздавлена атмосферным давлением. Пораженный силой этого давления, Герике пробует его измерить. Для этого из кованой меди он мастерит сосуд сферической формы, состоящий из двух полушарий, впоследствии названных магдебургскими (рис. 1). Из двух сложенных вместе и ничем не стянутых половинок выкачивался воздух. Затем их пытались разнять разными способами. Часто опыты носили демонстрационный характер. Две упряжки цугом пытались разорвать полушария, сдавленные атмосферным давлением. Это им с трудом удавалось. Но были и чисто научные опыты с попыткой точно определить эту силу.
Полушария диаметром около 36 см на установке, изображенной на рис. 2, разрывались усилием 2 686 фунтов (т. е. более тонны).
В процессе опытов Герике приходит мысль проверить, а не атмосферное ли давление участвует в процессе притяжения и удержания некоторых натертых предметов, недавно изучавшихся Гильбертом. Идея была не нова. Еще Дж. Кардано (1501–1576), математик и врач, предположил следующее: сила притяжения натертого янтаря основана на том, что при натирании янтаря из его пор выходит нечто подобное газам, затем в порах наступает разрежение, а когда он охлаждается, то истечения возвращаются к янтарю и, прижимаясь совместно с легкими предметами к нему, действуют так же, как кровососная медицинская банка под влиянием силы огня. (Нынче почему-то неиспользуемый способ лечения. – Б.Х.). Гильберт проверил гипотезу Дж. Кардано, нагрев янтарную палочку. «Но под влиянием силы огня» притягивать легкие предметы янтарь «не хотел» [4]. Дело было в чем-то другом. И Герике решает это узнать.
Электрическая машина?
Отто Герике был первым инженером, который взялся за проведение электрических экспериментов, поэтому нет ничего удивительного в том, что он сразу пытается как-то облегчить утомительный труд при натирании тел. Ведь трение являлось единственным способом электризации при исследованиях в те далекие времена. Для этого он создает устройство, которое называет «globus machinuale accomodation», то есть «шар, приспособленный в качестве машинки».
Вот как описываетсть возьмет стеклянный баллон, величиной с детскую головку, наполнит его растолченной серой и расплавит ее; по охлаждении разобьет баллон, вынет и сохранит серный шар в сухом месте. Если угодно, можно в шаре просверлить отверстие, чтобы удобно было вращать его на вставленном железном стержне, как на оси» [5]. Внешний вид устройства по старинной гравюре приведен на рис. 3. Размеры его приблизительно соответствовали размерам современной домашней швейной машины, скопировано оно было, скорее всего, с настольного точила, применявшегося в то время ремесленниками.
Для натирания шара экспериментатор, судя по описанию, пользовался обеими руками. Поскольку на оси шар сидел свободно, то одной рукой, держась за шар, исследователь совершал возвратно-поступательные движения, или, что менее вероятно, вращал его. Шар натирался ладонью другой руки. После натирания шар с осью снимался с подставки и использовался как источник электрических зарядов.
Назвать такую установку машиной нельзя, потому что она в принципе ничем не отличается от охотничьего вертела для зажаривания дичи на костре, в отличие от точила, где вращаемый абразивный круг был частью установки. После натирания серного шара и снятия его для опытов от установки оставались лишь две рогатки-штатива. Так что к сообщениям в исторической литературе о том, что Герике создал первую электрическую машину, следует относиться с осторожностью. Тем не менее, с использованием такой примитивной установки Отто Герике делает в науке об электричестве ряд великих открытий.
При натирании шара исследователь заметил, что вращающийся серный шар сразу притягивал бумагу, перья и другие легкие предметы, увлекая их за собой. Затем они срывались и разлетались в разные стороны. Однако прежде чем перейти к открытиям, попытаемся ответить на ряд вопросов, возникающих при внимательном изучении установки. Например, почему для экспериментов Герике использует шар из серы, а не стеклянный, который через столетие будут широко применять в электрических машинах последующие поколения исследователей? Ведь полый стеклянный шар более легок, гигиеничен да и дешев!
Вопрос не так сложен, как кажется. Ведь до Герике был только один авторитет в области электризации тел – У. Гильберт. В его труде можно прочесть, что янтарь, гагат, сера «притягивают после легкого трения. Они сильнее зовут к себе и дольше удерживают. Алмаз же, стекло и большинство других более твердых камней нужно сначала нагреть, затем подольше натирать и только тогда они начинают хорошо притягивать». Гильберт насчет стекла заблуждался, но мнение электрика номер один по всей видимости и предопределило выбор Герике [4, с. 95–96].
А вот почему Герике выбрал в качестве натираемого предмета шар, а не цилиндр или диск, остается только предполагать. Впрочем, ответ можно дать с достаточно высокой вероятностью. Герике, скорее всего, сделал электрическую «тереллу» (модель Земли, глобус), точно так же, как Гильберт для опытов изготовил магнитмогла объяснить причин появления центростремительных сил в астрономии, например Земли к Солнцу. Их взаимное притяжение пытались объяснить наличием у них электрических и магнитных сил. Ньютону в это время было всего 17 лет, и до открытия Закона всемирного тяготения было еще далеко.
Тем не менее, появление серного шара Герике нужно считать крупным шагом вперед в деле изучения проявлений электричества. Давно замечено, что переходы на новые параметры исследований (более высокие или более низкие температуры, потенциалы или давления) дают новые факты для исследователей и приводят к новым открытиям. Ведь посредством установки насколько проще и эффективней стало натирать серу, нежели это делал Гильберт, натирая кусочки или кристаллы серы и других камней.
Заметим, однако, что иллюстрации, приводимые Герике, не совсем точны, к ним надо относиться с осторожностью. Дело в том, что рисунки даны без соблюдения масштабов, и шар «величиной с детскую головку» на изображении в 2 раза больше головы пятидесятилетнего ученого. Да и шар, весящий около сорока килограммов, так бы легко исследователь не держал над головой.