Две электрические жидкости
Последующие страницы содержат скучный отчет о некоторых очень простых экспериментах. Отчет будет скучным не только потому, что описание экспериментов неинтересно по сравнению с самим осуществлением их, но и потому, что самый смысл экспериментов не очевиден до тех пор, пока его не выяснит теория. Наша цель состоит в том, чтобы показать яркий пример, характеризующий роль теории в физике.
1. Пусть металлический стержень укреплен на стеклянной подставке, а концы стержня связаны с помощью металлических проводников с электроскопом. Что такое электроскоп? Это простой прибор, который в основном состоит из двух листочков золотой фольги, подвешенных на конце короткого металлического стержня. Они заключены в стеклянную банку или бутылку, так что металл находится в контакте только с неметаллическими телами, называемыми изоляторами. Кроме электроскопа и металлического стержня в нашем распоряжении имеются твердая эбонитовая палочка и кусок шерстяной ткани.
До осуществления эксперимента обратим внимание на то, висят ли листочки сомкнутыми вместе, ибо это их нормальное положение, или нет. Если они случайно не сомкнуты, то прикосновение пальца к металлическому стержню сведет их вместе. После того как эти предварительные действия проделаны, эбонитовая палочка энергично натирается шерстяной тканью и приводится в соприкосновение с металлом. Листочки сразу же отойдут друг от друга. Они остаются в таком положении даже после того, как эбонитовая палочка будет отодвинута в сторону (рис. 27).
Рис. 27
2. Проделаем другой эксперимент, используя те же приборы, что и раньше, но предварительно приведя листочки электроскопа в прежнее положение, в котором они свободно висят, касаясь друг друга. Сейчас мы не будем касаться эбонитовой палочкой металлического стержня, а только поднесем ее близко к металлу. Листочки электроскопа опять разойдутся. Но сейчас это разделение оказывается иным. Когда эбонитовая палочка удаляется, совсем не коснувшись металла, листочки, вместо того чтобы оставаться разделенными, немедленно спадают, возвращаясь к своему нормальному положению.
3. Для третьего эксперимента слегка изменим приборы. Предположим, что металлический стержень состоит из двух кусков, соединенных вместе. Мы натираем эбонитовую палочку шерстяной тканью и снова подносим ее близко к металлу. Происходит то же явление: листочки разделяются. Но теперь мы сначала отделим части металлического стержня друг от друга и только после этого удалим эбонитовую палочку. Мы замечаем, что в этом случае листочки остаются разделенными, а не спадают от своего нормального положения, как это было во втором эксперименте (рис. 28).
Рис. 28
Едва ли эти простые и наивные эксперименты могут возбудить живейший интерес или энтузиазм. В Средние века тот, кто их осуществлял, был бы, вероятно, осужден; нам они кажутся и скучными, и нелогичными. Было бы очень трудно, не смущаясь, повторить их после чтения сухого отчета об их выполнении. Некоторые теоретические рассуждения, однако, делают их понятными. Мы могли бы сказать больше: едва ли возможно представить себе такие эксперименты как осуществление случайной игры воображения, без предварительно существовавших более или менее определенных идей об их значении.
Теперь мы укажем идеи, лежавшие в основе очень простой и наивной теории, объясняющей все описанные факты.
Существуют две электрические жидкости, одна называется положительной (+), а другая — отрицательной (—). Они подобны субстанции в уже разъясненном смысле: ее величина может возрастать или убывать, но общая сумма сохраняется в любой изолированной системе. Имеется, однако, существенное отличие между этим случаем и случаем с теплотой, веществом или энергией. Мы имеем две электрические субстанции. Здесь невозможно применение предыдущей аналогии с деньгами, если не сделать некоторого обобщения. Тело электрически нейтрально, если положительная и отрицательная электрические жидкости полностью уничтожают друг друга. Человек ничего не имеет или потому, что у него действительно ничего нет, или потому, что сумма денег, отложенных в его сейфе, в точности равна сумме его долгов. С двумя родами электрических жидкостей мы можем сравнить дебет и кредит в бухгалтерских книгах.
Далее, теория полагает, что обе электрические жидкости одинакового рода отталкивают друг друга, в то время как обе жидкости противоположного рода притягивают. Это можно представить графически так, как это сделано на рис. 29.
Рис. 29
Необходимо последнее теоретическое предположение. Имеется два вида тел: тела, в которых эти жидкости могут двигаться свободно, — так называемые проводники — и тела, в которых они не могут двигаться, — так называемые изоляторы. Как всегда бывает в таких случаях, это деление тел на два вида нельзя рассматривать слишком строго. Идеальный проводник, как и идеальный изолятор, — это абстракции, которые никогда не могут быть реализованы. Металлы, земля, человеческое тело — все это примеры проводников, хотя и неодинакового качества. Стекло, резина, фарфор и им подобные тела — это изоляторы. Воздух не всегда является изолятором, как это знает тот, кто видел описанные эксперименты. Плохие результаты электростатических экспериментов часто объясняются влажностью воздуха, увеличивающей его проводимость.
Эти теоретические положения достаточны для объяснения трех описанных экспериментов. Мы рассмотрим их еще раз в том же порядке, как и раньше, но в свете теории электрических жидкостей.
1. Эбонитовая палочка, как и все другие тела при нормальных условиях, электрически нейтральна. Она содержит обе жидкости, положительную и отрицательную, в равных количествах. Трением о шерсть мы разделяем их. Это утверждение чисто условно, ибо это есть приложение терминологии, созданной теорией, к описанию процесса трения. Тот вид электричества, который эбонитовая палочка имеет в избытке, впоследствии был назван отрицательным, — название, которое, конечно, является лишь делом соглашения. Если бы эксперименты были осуществлены со стеклянной палочкой, натертой кошачьим мехом, мы должны были бы назвать избыток электричества на ней положительным, чтобы не противоречить уже принятым положениям. Но продолжим рассказ. Мы передаем электрическую жидкость металлическому проводнику, касаясь его эбонитом. В этом проводнике она движется свободно, распространяясь по всему металлу, включая и золотые листочки. Так как отрицательные жидкости взаимно отталкиваются, то оба листочка стремятся удалиться друг от друга, насколько это возможно, в результате чего и наблюдается их разделение. Металл покоится на стеклянной подставке или каком-либо ином изоляторе, так что электрическая жидкость остается на проводнике, насколько это допускает слабая проводимость воздуха. Теперь мы понимаем, почему должны коснуться металла пальцем в начале эксперимента. В этом случае металл, человеческое тело и земля составляют один большой проводник, по которому электрическая жидкость разливается так, что практически на электроскопе ничего не остается.
2. Второй эксперимент начинается так же, как и первый. Но теперь эбонит не касается металла, а лишь подносится к нему. Обе жидкости в проводнике, имея возможность свободно двигаться, разделяются; одна притягивается к палочке, а другая отталкивается. Они вновь смешиваются, когда эбонитовая палочка удаляется, так как жидкости противоположного рода притягивают друг друга.
3. Затем в присутствии натертой эбонитовой палочки мы разделяем металлический стержень на две части и, наконец, удаляем палочку. В этом случае после удаления эбонитовой палочки обе жидкости не смешиваются, так что золотые листочки сохраняют избыток одной электрической жидкости и остаются разделенными.
В свете этой простой теории все упомянутые здесь факты кажутся понятными. Та же теория дает больше, позволяя нам понять не только эти, но и многие другие «факты» в области «электростатики». Цель всякой теории — вести нас к новым фактам, наводить на мысль о новых экспериментах и приводить к открытию новых явлений и новых законов. Пример сделает это ясным. Представим себе изменение во втором эксперименте. Предположим, что я оставляю эбонитовую палочку возле металла и в то же время касаюсь металла своим пальцем (рис. 30). Что теперь случится? Теория дает ответ: отталкиваемая палочкой отрицательная (—) жидкость теперь может удалиться через мое тело, так что в результате в металлическом стержне остается только одна жидкость, положительная (+). Листочки электроскопа остаются разделенными. И действительно, эксперимент подтверждает это предсказание.
Рис. 30
Теория, о которой мы сейчас рассказываем, конечно, наивна и не совпадает с точкой зрения современной физики. Тем не менее это хороший пример, показывающий характерные черты всякой физической теории.
В науке нет вечных теорий. Всегда происходит так, что некоторые предсказания теории опровергаются экспериментом. Всякая теория имеет свой период постепенного развития и триумфа, после которого она может испытать быстрый упадок. Подъем и падение субстанциональной теории теплоты, уже обсуждавшиеся здесь, являются одним из многих возможных примеров. Другие примеры, более глубокие и важные, будут обсуждаться позднее. Почти всякий большой успех в науке возникает из кризиса старой теории как результат попытки найти выход из создавшихся трудностей. Мы должны проверять старые идеи, старые теории, хотя они и принадлежат прошлому, ибо это единственное средство понять значительность новых идей и пределы их справедливости.
На первых страницах нашей книги мы сравнивали роль исследователя с ролью детектива, который, собрав необходимые факты, находит правильное решение посредством чистого мышления. В одном весьма существенном отношении это сравнение следует считать чрезвычайно поверхностным. И в жизни, и в детективных новеллах преступление дано. Детектив должен просмотреть письма, отпечатки пальцев, пули, ружья, но, по крайней мере, он знает, что убийство совершилось. Для ученого дело обстоит не так. Было бы нетрудно представить себе человека, который абсолютно ничего не знает об электричестве; все древние довольно счастливо жили, ничего не зная о нем. Пусть этому человеку дан металл, золотой листок, бутылки, эбонитовая палочка, шерстяная тряпочка — словом, все материалы, необходимые для осуществления трех наших экспериментов. Он может быть очень культурным лицом, но он, вероятно, нальет в бутылки вино, использует тряпочку для чистки и никогда не проникнется вдруг идеей о том, чтобы проделать те эксперименты, которые мы описали. Для детектива факт преступления дан и задача формулируется так: кто убил Кука Робина? Ученый должен, по крайней мере отчасти, сам совершить преступление, затем довести до конца исследование. Более того, его задача состоит в том, чтобы объяснить не один только данный случай, а все связанные с ним явления, которые происходили или могут еще произойти.
В факте введения понятия жидкостей мы видим влияние тех механистических идей, которые стремятся все объяснить с помощью субстанций и простых сил, действующих между ними. Чтобы увидеть, можно ли механистическую точку зрения применить к описанию электрических явлений, мы должны рассмотреть следующую проблему. Пусть даны два небольших шара, имеющих электрический заряд, т. е. несущих избыток какой-то одной электрической жидкости. Мы знаем, что шары будут либо притягивать, либо отталкивать друг друга. Но зависит ли сила только от расстояния и если да, то как? Самым простым будет предположение, что эта сила зависит от расстояния так же, как и сила тяготения, которая уменьшается, скажем, до одной девятой своей первоначальной величины, если расстояние увеличивается в три раза. Эксперименты, проделанные Кулоном, показали, что этот закон действительно справедлив. Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела обладают электрическими зарядами. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать.
Здесь возникает тот же самый вопрос, который мы рассматривали в связи с теплотой. Являются ли электрические жидкости невесомыми субстанциями или нет? Другими словами, будет ли вес куска металла одинаков, когда он нейтрален и когда он заряжен? Весы никакого различия не обнаруживают. Мы заключаем, что электрические жидкости тоже являются членами семейства невесомых субстанций.
Дальнейший прогресс в теории электричества требует введения двух понятий. Мы опять будем избегать строгих определений, используя вместо них аналогии с уже известными понятиями. Мы помним, как существенно было для понимания тепловых явлений различие между самой теплотой и температурой. Равным образом и здесь важно различать электрический потенциал и электрический заряд. Различие между обоими понятиями станет ясным из следующей аналогии:
Электрический потенциал ↔Температура
Электрический заряд ↔Теплота
Два проводника, например два шара различной величины, могут иметь одинаковый заряд, т. е. одинаковый избыток электрической жидкости, но потенциал будет различным в обоих случаях, а именно: он выше для меньшего шара и ниже для большего. Электрическая жидкость будет иметь бо´льшую плотность и, стало быть, будет более сжата в малом проводнике. Так как отталкивательные силы должны с плотностью возрастать, то тенденция заряда улетучиваться будет больше в меньшем шаре, чем в большем. Эта тенденция заряда уходить с проводника есть непосредственное выражение его потенциала. Чтобы ясно показать различие между зарядом и потенциалом, мы сформулируем несколько предложений, описывающих поведение нагретых тел, и соответствующие им предложения, касающиеся заряженных проводников.
Теплота
Два тела, имеющих вначале различную температуру, спустя некоторое время после того, как они приведены в соприкосновение, достигают одной и той же температуры.
Равные количества теплоты производят различные изменения температуры в двух телах, если теплоемкости этих тел различны.
Термометр, находящийся в контакте с каким-либо телом, длиной своего ртутного столбика показывает свою собственную температуру, а вместе с тем и температуру тела.
Электричество
Два изолированных проводника, имеющих вначале различные электрические потенциалы, очень скоро после того, как они приведены в соприкосновение, достигают одного и того же потенциала.
Равные величины электрических зарядов производят различные изменения электрических потенциалов в двух телах, если электрические емкости тел различны.
Электроскоп, находящийся в контакте с каким-либо проводником, разделением золотых листочков показывает свой собственный электрический потенциал, а вместе с тем и электрический потенциал проводника.
Но такую аналогию нельзя продолжать слишком далеко. Следующий пример показывает как сходство, так и различие. Если горячее тело приведено в контакт с холодным, то теплота течет от горячего к холодному телу. Предположим, с другой стороны, что мы имеем два изолированных проводника, имеющих равные, но противоположные заряды, положительный и отрицательный. Оба — при разных потенциалах. Согласились считать потенциал, соответствующий отрицательному заряду, более низким, чем потенциал, соответствующий положительному. Если оба проводника сдвинуты до соприкосновения друг с другом или соединены проволокой, то из теории электрических жидкостей следует, что они не покажут никакого заряда, а это означает, что никакой разности электрических потенциалов нет вовсе. Мы должны представить себе, что «течение» электрического заряда от одного проводника к другому совершается за очень короткое время, в течение которого разность потенциалов исчезает. Но как это происходит? Течет ли положительная жидкость к отрицательно заряженному телу или отрицательная — к положительно заряженному?
В фактах, которые здесь разбирались, мы не видели никакого основания для решения этого вопроса. Мы можем предположить осуществляющейся либо одну из этих возможностей, либо и ту и другую, считая, что течение электричества совершается одновременно в обоих направлениях. Это лишь вопрос соглашения, которое мы принимаем, и нельзя придавать значения выбору, ибо мы знаем, что нет никакой возможности экспериментально решить этот вопрос. Дальнейшее развитие, ведущее к гораздо более глубокой теории электричества, дало разрешение этой проблемы, которая совершенно бессмысленна, пока она сформулирована в пределах примитивной теории электрических жидкостей. В дальнейшем мы будем придерживаться следующего способа выражения: электрические жидкости текут от проводника с более высоким потенциалом к проводнику с более низким потенциалом. Таким образом, в случае наших двух проводников электричество течет от положительно заряженного проводника к отрицательно заряженному (рис. 31). Это выражение — исключительно дело соглашения и с этой точки зрения совершенно произвольно.
Рис. 31
Все эти затруднения показывают, что аналогия между теплотой и электричеством ни в коем случае не является полной.
Мы видели, какова возможность приспособления механистического воззрения к описанию элементарных фактов электростатики. То же самое возможно и в отношении магнитных явлений.