Экономические эпохи отличаются, по Марксу, не тем, что производят, а тем, как производят, какими средствами труда. С этой точки зрения справедливо положение, что этапы истории материальной культуры характеризуются ведущими средствами труда. Только в таком понимании можно употреблять термины: «каменный век», «бронзовый век», «век пара», «век электричества» и т. п.
Если говорить о периодах в новейшей истории, то характеристика наших дней как века электричества является наиболее справедливой. Никакой иной вид средств труда так глубоко не проник во все поры общественной жизни, как электрический ток. Поэтому генератор электрического тока занимает исключительное место в современной системе производительных сил. Все существенные изменения, происшедшие в материальном базисе человеческого общества за последнее полустолетие, связаны прежде всего с использованием свойств электрического тока. Важнейшие технические задачи, возникшие перед различными отраслями народного хозяйства, в большинстве случаев разрешались путем применения электрической энергии. Революционизирующее влияние нового завоевания человечества в борьбе за освоение природных сил огромно. Вот почему справедливо утверждение, что новая эра в истории современной техники начинается с момента промышленного использования великих открытий в области электромагнетизма.
Но с появлением электрических генераторов начинается новая страница не только в истории техники: переход на электроэнергетику знаменовал собой новую стадию в развитии всего человеческого общества. Основатели научного социализма именно так и понимали историческую роль и значение электрических машин. Хотя у Карла Маркса и Фридриха Энгельса нет специальных работ, посвященных этому вопросу, но такие источники, как их переписка и воспоминания современников, свидетельствуют о том, что за разрешением проблем практического применения электричества Маркс и Энгельс следили с неослабным вниманием, что именно в этом они видели исходный пункт всех грядущих коренных изменений в структуре человеческого общества.
Еще на заре развития электротехники, когда последняя только еще переживала свою, так сказать, доисторическую, стадию, характеризовавшуюся попытками разрешить проблему нового двигателя при помощи гальванических элементов, Маркс предсказывал новому достижению в области естествознания — открытиям в электромагнетизме — несравненно большую роль в общем историческом развитии, чем пару, который в XVIII веке все на свете перевернул вверх дном.
Все основные высказывания Маркса относятся к периоду, когда до мощного и экономически эффективного генератора и технически совершенного двигателя было очень далеко. Потребовался ряд изобретений, открытий и исследований для того, чтобы электрическая машина нашла практическое применение. 50–80-е годы прошлого столетия и являются тем знаменательным периодом в истории электротехники, когда электрическая машина приобрела все основные черты, характеризующие ее современную конструкцию. Нам, к сожалению, не известно, как реагировал Маркс на каждое новое достижение в данной области, но нет никаких сомнений, что его внимание было неизменно приковано к этой проблеме. Об этом убедительно свидетельствует его письмо к Ф. Энгельсу от 8 ноября 1882 года. Маркс жалуется на своего зятя Лонге, «который уже около года обещал достать работу Депре, специально для доказательства, что электричество допускает передачу силы на большое расстояние при посредстве простой телеграфной проволоки». Из этого же письма видно, что Маркс следил за прессой, публиковавшей материалы по этому вопросу: «Близкий Депре человек, д-р Арсонваль, — пишет он, — состоит сотрудником «Justice» и напечатал несколько статей об исследованиях Депре. Лонге по своему обыкновению каждый раз забывал посылать мне это»[9].
Из ответа Энгельса, последовавшего через три дня, видно, что соавтор «Коммунистического Манифеста» так же тщательно следил за зарождением этой проблемы. Энгельс обращал особенное внимание на связанные с ней научнотехнические и экономические вопросы. «Меня очень интересуют, — писал он, — подробности о произведенных в Мюнхене опытах Депре; мне совершенно не ясно, как при этом могут сохраняться до сих пор действующие и применяемые инженерами практически в их вычислениях сопротивления проводов. До сих пор считали, что сопротивление увеличивается, при одинаковом материале проводов, пропорционально уменьшению диаметра проволоки провода. Я хотел бы добиться этого в конце концов от Лонге. Открытие делает возможным использование всей колоссальной массы водяной силы, пропадавшей до сих пор даром»[10].
Еще сильнее Энгельс подчеркнул мысль о переходе всего народного хозяйства на электроэнергию в письме к Э. Бернштейну. «Новейшее открытие Депрэ, состоящее в том, что электрический ток очень высокого напряжения при сравнительно малой потере энергии можно передавать по простому телеграфному проводу на такие расстояния, о каких до сих пор и мечтать не смели, и использовать в конечном пункте, — дело это еще только в зародыше, — это открытие окончательно освобождает промышленность почти от всяких границ, полагаемых местными условиями, делает возможным использование также и самой отдаленной водяной энергии, и если вначале оно будет полезно только для городов, то в конце концов оно станет самым мощным рычагом для устранения противоположности между городом и деревней. Совершенно ясно, что благодаря этому производительные силы настолько вырастут, что управление ими будет все более и более не под силу буржуазии».
Уже эти отрывочные сведения показывают, что основоположники марксизма оценивали электрическую энергию как важнейший фактор в развитии современной культуры.
С тех пор прошло около полустолетия, и электрический ток, завоевав все виды хозяйственной деятельности человека, полностью оправдал все возлагавшиеся на него надежды. Результаты его практического применения поистине неисчислимы. Ибо новейшая история эпохи империализма не знает ни одной сколько-нибудь важной народнохозяйственной проблемы, которая разрешалась бы без помощи электричества.
Развитие электротехники, достигшее за очень короткий срок головокружительных успехов, вызвало такое повышение уровня производительных сил, что их размеры действительно «переросли руководство буржуазии». Основная тенденция в развитии производительных сил современного общества может быть выражена как тенденция к всеобщей электрификации, т. е. повсеместному применению электрического тока с использованием всех его исключительно ценных свойств — энергетических, химических, тепловых и др. Но полное осуществление этой тенденции возможно только при новом социальном строе. Это было выражено в знаменитой формуле В. И. Ленина: «Коммунизм, это — советская власть плюс электрификация всей страны».
Общеизвестно, какое значение придавали Ленин и Сталин повсеместному внедрению электричества в восстановлении и социалистической реконструкции народного хозяйства. План ГОЭЛРО (Государственной Комиссии по электрификации России) Ленин называл второй программой партии. А в конспекте брошюры о продналоге он подчеркивал: « Если не электрификация, все равно неизбежен возврат к капитализму»[11].
Таковы историческая роль и значение электрического тока. К сожалению, в нашей литературе нет еще ни одной монографии, где хотя бы в общих чертах исследовались те глубокие изменения в социально-экономических отношениях, какие внесены величайшим завоеванием современной культуры — электроэнергетикой. А когда исследователь займется этими вопросами, он, несомненно, начнет с открытия электромагнитной индукции. Ибо только это открытие дало в руки человека мощный источник электрической энергии, способный удовлетворить любые энергетические потребности.
Кроме электромагнитного генератора существуют еще и другие источники электрического тока. Однако о широком их применении с достаточной экономической эффективностью не может быть и речи. Это относится даже к самым мощным из них — гальваническим и термоэлектрическим элементам.
Миллиарды киловатт-часов электроэнергии, вырабатываемые в наши дни электростанцями всего мира, производятся электромагнитными генераторами. Именно эти генераторы, основанные на принципе превращения механической энергии в электрическую, допускают колоссальные мощности и почти не знают границ в своем практическом применении.
Однако для практических целей электрическая энергия должна быть превращена в какой-либо иной вид: механический, тепловой, химический и т. д. Современное производство, основанное на использовании всех доступных видов энергии, в большинстве случаев получает необходимый вид энергии именно путем превращения электрической энергии в данный требуемый вид.
Как известно, доминирующую роль в современном производстве играет механическая энергия, и получение ее на месте непосредственного применения осуществляется технически наиболее эффективно путем превращения электрической энергии, что осуществляется электродвигателями. В последних, так же, как и в генераторах, существенную роль играет явление электромагнитной индукции.
Таким образом основные элементы современной электротехники — генераторы электрической энергии, а также электрические двигатели, превращающие значительную долю этой энергии в механическую, — базируются на работах Фарадея.
Заслуги Фарадея не уменьшаются от того, что он не предвидел, какие результаты принесут его открытия. Фарадей в своих работах преследовал чисто научные цели, но это ни в какой мере не должно служить основанием для утверждения, что он не является основоположником важнейшей отрасли современной техники или что Фарадею вообще были чужды желания практического применения достижений естествознания.
Исследования стали, оптического стекла, газов и др. свидетельствуют о том, что Фарадей совершенно не принадлежал к тем ученым, на знамени которых написано: «Наука для науки». Тем не менее, были попытки причислить Фарадея к их числу. Но понятно, что они могли исходить только от тех, которые или совершенно не знали биографии Фарадея или стремились ее извратить. Докажем это его собственными словами. Еще в 1817 году в одной из своих лекций (о хлоре) он подчеркивал: «Прежде чем оставить этот предмет, я напомню историю этого вещества в ответ тем, которые имеют обыкновение перед каждым новым фактом задаваться вопросам: какова польза от него? Доктор Франклин на вопрос: какова польза от ребенка? — ответил: «потрудитесь сами сделать его полезным». Когда Шеель открыл это вещество (хлор), оно оставалось без употребления. Это было его детство и период бесполезности; но теперь оно возмужало, и мы, как свидетели его мощи, поражаемся усилиям, устремленным к цели сделать его полезным».
Как уже было сказано, мысль об обратимости явления Эрстеда зародилась у Фарадея еще в 1822 году. С тех пор он, не переставая, думал над этой проблемой. Говорили, что он носил в жилетном кармане кусок магнита, который должен был напоминать ему о поставленной себе задаче — превратить магнетизм в электричество. Хотя 1822–1831 годы были полны научной деятельности в самых различных областях, тем не менее, в записной книжке Фарадея мы тогда же находим описания опытов «для получения электричества от магнетизма», правда неизменно заканчивавшихся выводом: «безрезультатно».
Плодотворные результаты наступили только в 1831 году. Летом этого года Фарадей стал усиленно обдумывать свою идею. Он решил отстраниться от всякой другой работал и все внимание посвятить новым экспериментам. В июле, получив снова предложение от Совета Королевского общества заняться оптическим стеклом, он ответил отказом и целиком занялся, как он это отмечал в лабораторном журнале, «опытами для получения электричества от магнетизма». Он производил их в течение десяти рабочих дней, с 29 августа по 4 ноября.
Следующими словами Фарадей описал свой первый опыт: «Я изготовил железное кольцо (из мягкого железа). Железо было взято круглое в 7/8 дюйма толщиной, и кольцо имело внешний диаметр в 6 дюймов. Вокруг железного сердечника было намотано много витков медной проволоки, причем половина обмотки отделена при помощи шнурка и коленкора. Было намотано три куска проволоки, каждый около 24 футов длиной, и они могли быть соединены в одну общую обмотку или употребляться раздельно. Изоляция отдельных частей этой обмотки была установлена путем проверки при помощи батареи. Будем называть эту сторону кольца А. На другой стороне, но с интервалами от первой обмотки, было намотано два куска проволоки общей длиной около 60 футов. Будем называть эту сторону В.
Была заряжена батарея из десяти пар пластин по 4 кв. дюйма. Витки на стороне В составляли одну обмотку, и концы ее были соединены медной проволокой, отходящей в сторону на некоторое расстояние и как раз над магнитной стрелкой, находившейся в 3-х футах от кольца. Затем концы одной из обмоток на стороне А присоединились к батарее: немедленно — заметное действие на стрелку. Она колебалась и, наконец, пришла в начальное положение. При прерывании соединения обмотки А с батареей — снова бросок стрелки».
На второй день своей работы, т. е. 30 августа, Фарадей констатирует связь между полученными им результатами и так называемым магнитным явлением Араго (открытым французским ученым в 1822 году): «Если медную пластинку вращать близко от магнитной стрелки или магнита, подвешенного так, чтобы последний мог вращаться в плоскости, параллельной плоскости медной пластинки, магнит будет стремиться следовать за движением пластинки: если же вращать магнит, то пластинка будет стремиться следовать за его движением. Действие это настолько сильно, что можно таким образом вращать магниты и пластинки, весящие много фунтов. Если магнит и пластинка находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, между ними не может быть обнаружено ни малейшего действия, ни притягательного, ни отталкивательного, ни какого-либо другого. Это и есть явление, открытое мастером Араго».
30 августа Фарадей уже совершенно отчетливо осознал связь открытого им явления с таинственными результатами экспериментов Араго. Тем не менее, пока Фарадей не завершил всех опытов и не пришел к окончательным и ясным выводам, он говорил о своих исследованиях очень осторожно и скупо. Ричарду Филлипсу, с которым он постоянно делился результатами своих работ, он написал 23 сентября: «Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и полагаю, что напал на хорошую мысль, но я еще не могу ничего сказать. Возможно, что я вытащил кочан капусты вместо рыбы. Мне кажется, что я знаю, почему металлы становятся магнитными, когда они находятся в движении, и почему они не магнитны (в общем), когда они находятся в состоянии покоя».
Третий день опьгтов Фарадея относится к 24 сентября 1831 года. В этот день он пытался установить действие соленоида[12], заряженного батареей из десяти пар пластин, на проволоку, соединенную с гальванометром. — «Никакого индуктирующего влияния», — отметил он в дневнике. Более длинные и самые разнообразные металлические соленоиды также не дали никаких результатов. Тогда Фарадей оставил эти опыты и начал экспериментировать с полосовым магнитом вместо кольцевого, как это он делал в первый день. Опыты этого дня отмечены в его записной книжке следующими словами: «Железный цилиндр имел намотанный на нем соленоид. Концы проволок соленоида были на некотором расстоянии соединены медной проволокой с указательным соленоидом. Затем между полосами полосовых магнитов было помещено железо, как показано на прилагаемом рисунке.
Каждый раз, когда магнитный контакт в N или S замыкался или прерывался, у указательного соленоида имелось магнитное движение, причем эффект, как и в первых случаях, был не постоянным, а представлял собой кратковременный толчок или натяжение. Но если электрическая связь (при помощи медной проволоки) прерывалась, тогда размыкание и контакты не производили никакого действия. Следовательно, здесь происходило определенное превращение магнетизма в электричество».
В четвертый день — 1 октября 1831 года — Фарадей описал открытие индуктированных электрических токов, получаемых при отсутствии железа: «Батарея из десяти ящиков, — писал он, — из которых каждый состоял из десяти пар пластин в 4 кв. дюйма, была заряжена соответствующей смесью серной и азотной кислоты, и с нею в указанном порядке были проделаны следующие опыты:
Одна из катушек (соленоида из медной проволоки длиной в 203 фута) была соединена с плоским соленоидом, а вторая (катушка той же длины, намотанная на таком же деревянном бруске) — была соединена с полюсами батареи (было найдено, что между ними не было металлического контакта); магнитная стрелка у указательного плоского соленоида отклонилась, но так мало, что это едва было ощутимо. Когда вместо указательного соленоида был применен гальванометр и когда контакт батареи был замкнут и прерван, был замечен внезапный толчок, но настолько незначительный, что его едва было видно. Он имел одно направление при замыкании, другое — при прерывании, а в промежутках времени между ними стрелка занимала свое естественное положение. Следовательно, имеется индуктирующий эффект в отсутствии железа, но он или очень слаб, или слишком кратковременен, так что не успевает отклонить стрелку. Я скорее подозреваю последнее».
Пятый рабочий день был 17 октября 1831 года. Опыты этого дня завершились получением электричества от приближения магнита к проводнику (проволоке). Это и было собственно центральным моментом во всей серии опытов: проблема «превратить магнетизм в электричество» была разрешена.
Все неудачи, которые Фарадей терпел до этого времени, об'ясняются тем, что в опытах и магнит и проводник оставались в состоянии покоя. Как говорит Сильванус Томпсон (один из биографов Фарадея), магнит мог лежать близ проводника преспокойно сто лет и никакого действия не произвел бы. «Цилиндрический полосовой магнит, — гласит запись этого дня, — диаметром в три четверти дюйма и длиной в восемь с половиной дюймов одним концом был вставлен в конец цилиндра с соленоидом (220 футов длиной); затем он был быстро внесен внутрь во всю свою длину, и стрелка гальванометра отклонилась; далее он был удален, и стрелка снова отклонилась, но в противоположном направлении. Этот эффект повторялся каждый раз, когда магнит вносили или удаляли. Из этого следует, что волна электричества создавалась от простого приближения магнита, а не от его образования in situ[13].
Из дальнейшего наибольший интерес представляет девятый день его опытов, 28 октября 1831 года. Эта дата может считаться днем рождения прототипа современных динамомашин — так называемого «медного диска Фарадея». В его записной книжке отмечено, что он «заставил медный диск вращаться между полюсами подковообразного магнита Королевского общества. Ось и край диска были соединены с гальванометром. Стрелка отклонялась по мере вращения диска». Последним днем опытов было 4 ноября 1831 года. В записях этого дня замечательны следующие слова: «Медная проволока в одну восьмую дюйма, протянутая между полюсами и проводниками, произвела то же действие». В статье, в которой Фарадей сообщил о полученных им результатах, описывая опыт 4 ноября, он впервые употребляет знаменитое выражение: «линии магнитных сил», сыгравшее столь важную роль в его дальнейших исследованиях, и отчетливо говорит о «пересечении магнитных линий движущейся поперек них медной проволоки».
Медный диск Фарадея (факсимиле)
Вся эта исключительно напряженная работа была проделана менее, чем в полтора месяца. Верный своему методу, — начав работу, довести ее до конца и опубликовать, — Фарадей привел в систему все полученные им данные и составил доклад для Королевского общества, который и был им прочитан 24 ноября 1831 года. Этот доклад послужил основанием первой серии знаменитых «Опытных исследований по электричеству».
Колоссальное напряжение, связанное с этой важнейшей работой Фарадея, дало себя знать. Фарадей почувствовал себя настолько усталым, что был принужден уехать в деревню. Интересно письмо его Филлипсу, написанное после нескольких дней отдыха. Как и многие другие его письма, оно касается, кроме личных бытовых моментов, и научных вопросов. Фарадей дал здесь как бы набросок своего мемуара, опубликованного в начале 1832 года. Среди материалов, относящихся к истории открытия электромагнитной индукции, письмо это является одним из важнейших документов, и поэтому мы приводим его полностью в приложении I.
Между прочтением доклада в Королевском обществе и его опубликованием прошло около полугода. В печати стали появляться отдельные сообщения об открытии и о повторении опытов Фарадея. Ввиду того, что трактат самого Фарадея еще не был опубликован, некоторые сообщения страдали неточностями, а одно из них даже дало повод полагать, что до Фарадея, а следовательно, независимо от него, были достигнуты те же результаты.
Фарадей, наученный опытом предыдущих лет, решил внести полную ясность в эту начинавшуюся путаницу и свою статью, датированную ноябрем 1831 года, снабдил специальным примечанием:
«Вследствие большого промежутка времени, протекшего между прочтением настоящего доклада и его напечатанием, начали распространяться рассказы о моих опытах и благодаря моему собственному письму к мистеру Ашету[14] достигли Франции и Италии. Это письмо было переведено (с некоторыми ошибками) и прочитано в Парижской Академии наук 26 декабря 1831 года. Копия его в «Le Temps», от 28 декабря 1831 года, быстро дошла до мистера Нобили, который, совместно с мистером Антинори, немедленно произвел опыты, относящиеся к этому вопросу, и получил многие из результатов, упомянутых в моем письме; других же он не мог получить или уяснить из-за краткости моего описания. Эти результаты мистеры Нобили и Антинори изложили в статье, датированной 31 января 1832 года, и опубликовали ее в номере «Antologia», датированном ноябрем 1831 года (согласно, по крайней мере, оттиску статьи, любезно присланному мне мистером Нобили). Очевидно, что работа не могла тогда быть напечатана, и хотя мистер Нобили в своей статье цитировал мое письмо как основание его опытов, все же, то обстоятельство, что там фигурировала предшествующая опытам дата, заставило многих, знавших об опытах Нобили только по рассказам, ошибочно заключить, будто бы его результаты предшествовали моим, вместо того чтобы являться их следствием.
Да будет мне позволено при этих обстоятельствах заметить, что я производил опыты на эту тему и опубликовал результаты несколько лет назад (см. «Quarterly Journal of Science» за июнь 1835 года, стр. 338)».
Но все же электромагнитная индукция была открыта и независимо от Фарадея. В далекой Америке скромный, но исключительно талантливый ученый, Джозеф Генри[15] (1797–1878) наблюдал то же явление, занимаясь, как и Фарадей, вопросами электромагнетизма, в частности — электромагнитным вращением. Генри получил, правда, несколько позже, те же результаты и сообщение о своем открытии опубликовал в американском научном журнале «Silimans Journal.» Как бывало нередко, — история науки знает много таких примеров, — статья Генри не обратила на себя должного внимания, и его открытие прошло незамеченным. Фарадей также ничего не знал об открытии Генри, как не знали о нем вообще в Европе. Впрочем и теперь вряд ли широкие круги физиков осведомлены о достижениях Генри. Его статья не была переведена на европейские языки, тем более — на русский язык, и даже не вошла в известную серию «Ostwalds Klassiker», поэтому будет уместно привести ее полностью (см. приложение III).
Как и следовало ожидать, новое достижение Фарадея обратило на себя всеобщее внимание. Великий продолжатель Фарадея, Клерк Максвелл, подчеркивает, что открытие «немедленно сделалось предметом исследований со стороны всего ученого мира».
Совершенно иное отношение проявили чиновники от науки. Джон Тиндаль приводит следующий «анекдот»: «Спустя некоторое время после опубликования исследований над магнитно-электрической индукцией, Фарадей присутствовал на с'езде Британского общества в Оксфорде в 1832 году. Пользуясь случаем, несколько ученых попросили его повторить знаменитый опыт получения искры из магнита. Он согласился, и большое общество собралось присутствовать при опыте, который, конечно, в совершенстве удался. В это время в комнату вошло одно чиновное университетское лицо и, обращаясь к профессору Даниэли, стоявшему возле Фарадея, осведомилось о том, что здесь происходит. Профессор об'яснил, как можно популярнее, поразительный результат открытия Фарадея. Чиновник слушал с вниманием и сурово посматривал на блестящие искры. Минуту спустя он принял важную осанку и, покачав головой, сказал: «Это меня раздражает». Уходя, он остановился посреди комнаты и повторил: «Это меня сердит». А подойдя к двери и взявшись за ручку, он обернулся и снова повторил: «В самом деле, это сердит меня! Здесь дается новое средство в руки поджигателей». В одной оксфордской газете, которая сообщила об «анекдоте», было сказано, что этот чиновник выразил свое негодование несколько иначе, — он произнес: «Это дает новое средство в руки неверующих»… Этот факт при всей своей курьезности весьма характерен для той деляческой и чиновничьей атмосферы, которая и поныне окружает науку в буржуазном обществе.
До открытия электромагнитной индукции, многочисленные исследования, обогащая учение об электромагнетизме новыми данными, скорее осложняли, чем облегчали, понимание получаемых фактов. Фарадей же внес полную ясность в эту область и тем самым открыл новые перспективы в изучении электромагнитных явлений. Именно с момента открытия электромагнитной индукции учение об электричестве пошло семимильными шагами вперед, обогащаясь все новыми и новыми достижениями. Больше всего плодов от этого открытия пожал сам Фарадей, придерживавшийся своеобразного мнения на права и судьбы ученого, возделавшего новое поле в науке.
Тиндаль писал в своих воспоминаниях: «Фарадей держался того взгляда, что основатель важного закона или принципа имеет право на «остаточные колосья после жатвы» (его собственное выражение), т. е. на все выводы из его открытий. Руководимый открытым принципом и с помощью чудесных десяти пальцев, его могучий ум обошел широкое поле и едва ли оставил для сбора последователям хотя бы крохи фактов».
Непродолжителен был отдых Фарадея после напряжения, приведшего к открытию электромагнитной индукции. Уже 5 декабря 1831 года он занялся новыми опытами в своей лаборатории, а 14 декабря в его записной книжке появилась следующая запись: «Испытывал действие земного магнетизма для создания электричества. Получил прекрасные результаты.
В соленоид был вставлен цилиндр из мягкого железа (освобожденный от магнетизма путем нагрева его до красного каления и последующего медленного охлаждения); затем он был соединен с гальванометром посредством проволок 8-ми футов длиной. После этого я перевернул магнит и соленоид, и стрелка сейчас же отклонилась; снова перевернул их, и стрелка отклонилась в прежнее положение. Повторяя это движение при колебаниях стрелки, я заставил последнюю отклоняться на 180° или более».
В этот же день Фарадей «произвел эксперимент Араго при помощи земного магнетизма». Связанные с этим опыты позволили осуществить наиболее совершенную конструкцию «новой электрической машины», которая теперь представляла собой технически законченное приспособление, генерирующее постоянный электрический ток. Этот первый электромагнитный генератор электрической энергии Фарадей описал в первой серии «Опытных исследований по электричеству», опубликованных, как было сказано, в 1832 году, т. е. после исследования явления земной электромагнитной индукции (см. приложение III).
Открыв новый источник электричества, Фарадей стал размышлять о «тождестве двух электричеств», т. е. о том, одна ли и та же природа у электричеств, получаемых от различных генераторов: электростатической машины, гальванического элемента, термоэлемента и т. п. Этот вопрос возник сразу же, как только после первого электростатического генератора появился новый — вольтов столб (гальванический элемент). Многие ученые отрицали, что вольтов столб производит то, что можно было бы назвать электричеством, и не употребляли даже этого последнего термина в связи с вольтовым столбом, предпочитая в этом случае говорить о гальванизме. В учебных пособиях по физике в начале XIX века можно было встретить самостоятельные разделы: «электричество» и «гальванизм». Вопрос о тождестве электричеств до 20-х годов прошлого столетия оставался предметом дискуссий на страницах научных журналов.
Когда Фарадей направлял свой интерес на какую-либо проблему (в данном случае на проблему тождества электричеств), он уже не переставал думать о ее разрешении до тех пор, пока не находил ясного ответа. Джон Тиндаль, упоминая об особенностях характера Фарадея, указывает, что «он раздражался, когда ему приходилось опираться на факты, хотя бы слегка подверженные сомнению. Он ненавидел так называемое сомнительное знание и всегда старался превратить его в знание несомненное или в совершенное незнание. Постоянным его желанием было установить одинаково хорошо фактическое знание или фактическое незнание. Казалось, что при каждой недоказанной гипотезе он говорил: «Будь одним из двух: или переходи в число истин твердо установленных или исчезни как доказанная ложь».
Проблемой тождества электричеств Фарадей занимался до конца 1832 года. В январе 1833 года он доложил Королевскому обществу о своих исследованиях, которые привели его к выводам, не допускающим никаких сомнений в том, что природа всех видов электричества одинакова. Все эти виды, каково бы ни было их происхождение» в состоянии произвести все присущие электричеству действия — физиологические, химические, магнитные, световые и механические. Вот что писал он в своих мемуарах:
«Ход исследования по электричеству, которое я имел честь представить Королевскому обществу, привел меня к такому моменту, когда для продолжения моих исследований было существенно, чтобы не оставалось никаких сомнений относительно тождества или различия электричеств, возбуждаемых различными способами. Совершенно справедливо, что Кавендиш, Волластон, Колладон и другие устранили одно за другим некоторые из наиболее сильных препятствий к признанию тождества обычного, животного и вольтаического электричеств, и я думаю, что большинство исследователей-философов считают, что эти виды электричества действительно представляют собой одно и то же. Однако, с другой стороны, справедливо также, что точность опытов Волластона отрицалась, и один из этих опытов, отнюдь не являющийся доказательством химического разложения с помощью обыкновенного электричества, принимался некоторыми исследователями за критерий химического действия. Действительно также и то, что многие исследователи-философы все еще проводят различие между видами электричества, происходящими из различных источников, или, по меньшей мере, сомневаются в том, что их тождественность доказана.
Сэр Гемфри Дэви, например, в своей статье об электрическом скате полагает, что животное электричество кажется особым, и, упоминая о нем, об обычном и вольтаическом электричествах и магнетизме, он говорит: «При исследовании различных видоизменений или свойств электричества в этих различных формах могут быть установлены отличия и т. д.». Действительно, стоит лишь сослаться на последний том «Philosophical Transactions», чтобы показать, что вопрос этот никоим образом не рассматривается как решенный. Д-р Дэви при производстве опытов над электрическим скатом получил такие же эффекты, как те, которые дают обыкновенное и вольтаическое электричество, и говорит, что в отношении магнитной и химической активности оно не является существенно отличным, однако дальше он говорит, что имеются другие пункты различия, и, указав на них, добавляет: «Как об'яснить эти различия? Допускают ли они об'яснение, подобное выдвинутому мистером Кавендишем в его теории электрического ската, или мы можем предположить, согласно аналогии с солнечным лучом, что электрическая сила, независимо от того, возбуждается ли она посредством обычной машины, вольтаической батареи или электрического ската, не является простой силой, а комбинацией сил, которые могут встречаться в различных соединениях и создавать все разнообразные виды электричества, которые нам известны».
Таким образом, несмотря на общее впечатление о тождественности различных видов электричества, очевидно, что доказательства этого не были достаточно ясными и отчетливыми, чтобы получить признание всех тех, кто является компетентным в рассмотрении данного вопроса. Вопрос представляется мне сходным с другим, столь блестяще решенным сэром Дэви, а именно: во всех ли случаях вольтаическое электричество лишь выделяло кислоты и щелочи, обнаруживаемые в воде после его действия, или оно в некоторых случаях их действительно создавало.
Та же самая необходимость, которая заставила его разрешить сомнительный пункт, препятствовавший развитию его взглядов и нарушавший строгость его рассуждений, вынудила и меня установить — является ли обычное и вольтаическое электричества тождественными или различными. Я убедился, что они тождественны, и надеюсь, что опыты, которые я могу представить, как и вытекающие из них доказательства, будут найдены достойными внимания Королевского общества».
Работы о природе электричества составили третью серию «Опытных исследований».
Фарадей опубликовал с 1831 по 1835 год всего тридцать серий «Опытных исследований», изложенных в форме кратких параграфов. Общее число этих параграфов достигло 3430. «Опытные исследования» периодически публиковались в журнале «Philosophical Transactions» — печатном органе Королевского общества[16].
Остановиться на всех сериях, разумеется, невозможно в пределах настоящего очерка, ни в какой мере не представляющего собой специального исследования творчества Фарадея. Тесные рамки этой книги позволяют коснуться только основных работ Фарадея и то лишь в общих чертах.
Уже отмечалось, что отличительной чертой научных взглядов Фарадея было твердое убеждение в единстве сил природы. Именно эта теоретическая установка побудила его добиваться «превращения магнетизма в электричество». Той же мыслью он руководился и в дальнейших работах. Стремление доказать тождество электричеств является следующим шагом в утверждении идеи о единстве сил природы.
Успешно завершив свои исследования по связи между магнетизмом и электричеством, Фарадей предпринял ряд опытов по установлению связи между химическими и электрическими явлениями. Этот вопрос, не менее чем другие, занимал внимание его современников и изучался многими учеными. Фарадей указывает на «замечательную теорию, предложенную сэром Гемфри Дэви и развитую Берцелиусом и другими выдающимися учеными, согласно которой обычное химическое сродство является следствием электрического притяжения между частицами вещества».
Открытие электромагнитной индукции показало, насколько плодотворными были теоретические воззрения Фарадея. Исследования связи между химическими и электрическими явлениями привели к весьма важным результатам. Фарадей приступил к этим исследованиям в 1832 году, т. е. тогда же, когда занимался проблемой тождества электричеств, а в 1833 году он пришел к выводам, известным в истории науки под названием «количественных электрохимических законов Фарадея». Поэтому-то Фарадей справедливо считается одним из основателей электрохимии, одной из важнейших областей учения об электричестве.
Открытие законов электролиза дало повод Фарадею высказать весьма важные соображения относительно атомной структуры электричества. Несомненно, с этим преемственно связано современное представление об электроне.
Фарадей ввел в научный язык основную, до сих пор сохранившуюся электрохимическую терминологию. Ему принадлежат употребляемые теперь во всем мире термины: «электролит», «электрод», «анод», «катод». Вопросы терминологии до сих пор занимают внимание всего ученого мира. Как известно, во многих странах созданы специальные органы, занимающиеся рационализацией научной и технической терминологии. Работа в этой области ведется и в международном масштабе. Это вполне понятно: наука все больше и больше обогащается новыми фактами, теориями, гипотезами, и всякий новый термин должен наилучшим образом соответствовать обозначаемому им понятию. Но и удачные термины стареют: новые данные разрушают укрепившиеся представления.
Джон Тиндаль, который впоследствии стал преемником Фарадея по Королевскому институту, касаясь этого вопроса на одном из «Пятничных чтений», отмечал: «В наших понятиях и рассуждениях, относящихся к силам природы, мы постоянно пользуемся символами или гипотезами, которые удостаиваются названий теорий, когда они в состоянии об'яснять нам факты. Увлеченные некоторыми аналогиями, мы приписываем электрические явления действию особой жидкости, которая то течет, то остается в покое. Подобные представления имеют свои достоинства и недостатки. Они дают уму пристанище, но и порабощают его, когда он получает развитие, слишком обширное для своего жилища. Ум часто затрудняется разрушить стены, обратившиеся из убежища в тюрьму» (присутствовавший при этом Фарадей с чувством воскликнул: «Слушайте, слушайте!»).
Эти строки Тиндаль привел и в своих «Воспоминаниях» и тут же подчеркнул, что «никто не чувствовал сильнее Фарадея тиранию гипотез и никто так ревностно не старался уничтожать ее, даже в формах языка. В 1833 году он старался с помощью доктора Уэвелла заменить все термины, испорченные прежними воззрениями. Его мемуар «об электрохимическом разложении», представленный Королевскому обществу 9 января 1834 года, заключал в себе предложение новой терминологии».
Исследованиям по электрохимии Фарадей посвятил несколько серий.
Электрохимия возникла вслед за изобретением «вольтова столба» — электрохимического генератора. По вопросу об источнике электричества в вольтовом столбе шел спор с самого начала его появления.
Первую теорию выдвинул сам Вольта. Эта теория, известная в истории науки под названием «контактной теории» (в русской литературе часто употреблялся термин «теория прикосновения»), заключается в утверждении, что электрический ток возбуждается от прикосновения различных металлов. От этого прикосновения и зарождается электродвижущая сила, которая «разделяет соединенные электричества и гонит их (в виде токов) по противоположным направлениям».
Контактная теория нашла многочисленных сторонников, и долгое время, как говорил Тиндаль, «самые высокие умы Европы принимали ее за выражение естественного закона». Но как только вольтов столб стал предметом исследований со стороны химиков, крупнейшие ученые, как, например, Фаброни, Волластон, Беккерень, Делярив и другие, изучая химические явления, связанные с изобретением Вольта, в один голос стали заявлять, что дело не в прикосновении металла, а что источником электричества являются химические процессы, происходящие в гальваническом элементе.
Само собой разумеется, что теоретические воззрения Фарадея и исследования связи химических и электрических явлений толкали его на активное участие в разгоравшейся борьбе между сторонниками и противниками контактной теории. 7 апреля 1834 года он представил Королевскому обществу мемуар «об электричестве вольтова столба», в котором он описывал ряд опытов, приведших его к убеждению, что источником электричества (в вольтовом столбе) «являются химические силы».
Однако сторонники контактной теории не сделали тех выводов, которые вытекали из исследований Фарадея, и через пять лет он счел себя вынужденным вновь выступить против взглядов, превратившихся в «нечто метафизическое» и утративших всякий «след физической истины».
1831–1834 годы были для Фарадея в высшей степени плодотворными. За это время он опубликовал десять серий «Опытных исследований по электричеству», составляющих основную часть его работ в этой области. Труд был исключительно напряженным. Приходилось работать на новых, неизведанных участках науки и самому прокладывать себе путь. Его работа была огромной и с чисто количественной стороны. Все это не могло не сказаться на физическом его состоянии. В 1835 году силы Фарадея заметно ослабевают. Он не написал ни одной работы, и единственный доклад Королевскому обществу «Об улучшенной форме вольтова столба», прочитанный в 1835 году, был составлен еще в 1834 году. Тиндаль назвал этот мемуар «относительно неважным». В 1836 и 1837 годах Фарадей не опубликовал ничего.
Но это еще не было серьезным застоем в работе, — он наступил лишь в 1841 году, когда здоровье Фарадея стало постепенно разрушаться. В 1837 году Фарадей оправился и опять приступил к работе. 21 декабря этого года он прочитал Королевскому обществу большой доклад, вошедший в одиннадцатую серию, которая носит общее название «Об индукции».
Этот мемуар замечателен еще тем, что в нем изложены мысли Фарадея о так называемом « действии на расстоянии ». Теория «actio in distans» в истории науки является одной из самых острых теоретических проблем. Она допускает взаимодействие физических систем через абсолютно пустое пространство, без каких-либо связующих эти системы промежуточных процессов. На протяжении веков теория «действия на расстоянии» занимала внимание крупнейших ученых, и отношение к ней является одним из основных моментов, отличающих сторонников идеалистических взглядов в науке от воззрений непоколебимых материалистов.
В истории естествознания трудно найти более непримиримого ученого-материалиста, чем Фарадей. Понятно, что его внимание было приковано к этому вопросу до конца жизни. Он был глубоко убежден, что теория «actio in distans» является, в высшей степени вредной. Тиндаль рассказывает, что «эта мысль [о «действии на расстоянии»] беспокоила его и приводила в замешательство. В своих усилиях выйти из беспокойства он часто невольно восставал против предела, положенного человеческому уму. При этом он любил цитировать Ньютона и всегда повторял его замечательные слова: «Что тяготение должно быть врожденным, присущим и необходимым свойством материи, так что одно тело может взаимодействовать с другим на расстоянии через пустоту, без участия чего-то постороннего, при посредстве чего и через что их действие и сила могут быть передаваемы от одного к другому, — это мне кажется столь большим абсурдом, что я не представляю себе, чтобы кто-либо, владеющий способностью компетентно мыслить в области вопросов философского характера, мог к этому притти. Тяготение должно обусловливаться каким-то агентом, действующим постоянно согласно известным законам…».
До сих пор еще не закончилась борьба между сторонниками и противниками теории «actio in distans», являющейся по определению известного русского ученого О. Д. Хвольсона «одним из наиболее вредных учений, когда-либо господствовавших в физике и тормозивших ее развитие». Также и среди советских ученых не установилось еще единого общего мнения по атому вопросу.
Исследования Фарадея, как следует из всего сказанного выше, носили до этого периода исключительно экспериментальный характер. Но было бы неправильно утверждать, как делают противники теоретических взглядов Фарадея, что вообще его исследования не выходили за пределы опытного естествознания. Начиная с одиннадцатой серии, Фарадей, накопивший к тому времени огромный фактический материал, предпринимает серьезные и решительные шаги к теоретическому осмыслению результатов своих работ. Действительно, к этому времени и самый характер исследований и вся область в целом, ими освещавшаяся, неизбежно вели его к теоретическим обобщениям.
Вот что писал Фарадей во вступлении к трактату «Об индукции»:
«Учение об электричестве находится на той стадии, когда каждый из его отделов требует экспериментального изучения не только в целях обнаружения новых явлений, но — что в данный момент гораздо более существенно — в целях усовершенствования способов создания уже известных эффектов и, следовательно, более точного определения основ действия этой самой замечательной и универсальной силы в природе. Для тех исследователей, которые, отдаваясь своей работе с энтузиазмом, тем не менее с осторожностью сочетают опыт с аналогиями, — для исследователей, которые с недоверием относятся к своим собственным предвзятым мнениям, отдают предпочтение факту перед теорией, не слишком поспешно делают обобщения и на каждом шагу согласны проверять свои суждения, — для всех них ни одна отрасль знания не представляет такого прекрасного и благодарного поля для открытий, как эта. Это вполне подтверждается успехами, достигнутыми в области электричества за последние тридцать лет. Химия и учение о магнетизме одна за другим признали господствующее влияние электричества, и весьма вероятно, что все явления, обусловленные свойствами неорганической материи, а может быть и большинство тех, которые относятся к растительной и животной жизни, окажутся в конце концов ему подчиненными».
Самым важным в учении об электричестве Фарадей считал явление индукции: «Среди различного рода проявлений, по каковым признакам принято подразделять электричество, нет, я полагаю, ни одного, которое превосходило бы или хотя бы было сравнимо с эффектом, получившим имя индукции. Она играет наибольшую роль во всех электрических явлениях, участвуя, повидимому, в любом из них, и, действительно, носит характер первейшего существенного и основного начала. Изучение индукции является настолько важным, что без более глубокого понимания ее природы нельзя, мне кажется, значительно продвинуться вперед. Каким же иным путем можно надеяться понять ту гармонию, или даже единство действий, которое несомненно управляет возбуждением электричества с помощью трения, химических реакций, тепла, магнитного влияния, испарения и даже живого организма».
Вот почему Фарадей придавал проблеме электрической индукции такое важное значение и в течение двух лет (1837–1838 годы) неустанно занимался ее изучением.
После трактата «Об индукции» четырнадцатая серия Фарадея была посвящена «природе электрической силы или сил» и «связи между электрическими и магнитными силами». Эта серия касается частных вопросов теории о природе электричества и является заключением к первому тому, изданному в 1839 году.
Обращает на себя внимание тщательная датировка Фарадеем сбоих работ. Каждая из них имеет, как правило, три даты: первая отмечает день окончания работы, вторая — день представления Королевскому обществу, третья — день доклада. Наученный опытом, Фарадей знает, к чему может привести неточность, или даже непредусмотрительность в отношении даты статьи, сообщающей что-либо новое. Поэтому он определенно указывает: «Дата научного доклада, претендующего на какое-либо открытие, часто представляет предмет большой важности, и очень жаль, что в отношении многих весьма ценных сообщений, существенных для истории и развития науки, этот вопрос сейчас не может быть установлен. Происходит это оттого, что доклады не снабжаются индивидуальными датами, и оттого, что журналы, в которых они появляются, датированы неправильно, а именно периодом, предшествующим их опубликованию».
Фарадей отдавал себе полный отчет в том, что им внесен весьма значительный вклад в науку. Его заслуги давно уже были достойно отмечены многочисленными научными организациями всего мира[17].
Но, издавая свои работы, он не останавливался мыслью на том, что они имеют большое историческое значение. Говоря об «обстоятельствах», побудивших его «собрать в один том те четырнадцать серий экспериментальных исследований, которые последовательно появлялись в «Philosophical Transactions», он подчеркивает, что «главной причиной было желание предоставить возможность тем, кто пожелал бы их иметь, приобретать по умеренной цене полное собрание этих докладов, снабженное указателем», и тут же просит извинения у читателей, что предложенный том не представляет собой цельного монографического произведения.
Семнадцатая серия «Опытных исследований» Фарадея помечена 19 декабря 1839 года. После нее Фарадей ничего не публиковал до 1843 года. Резкий упадок сил вызвал длительный кризис, в течение которого Фарадей совершенно лишился работоспособности.