ТАИНСТВЕННЫЕ свойства электричества и магнетизма давно привлекали к себе внимание ученых. Но пока были знакомы лишь со свойствами электричества в покое и с постоянными магнитами, пока учение об электричестве и магнетизме не вышло за пределы изучения статических явлений, — до тех пор развитие этой области физики было чрезвычайно медленным. Только открытие электричества в движении дало возможность ближе подойти к изучению свойств и особенностей этой силы природы.
В 1801 году Вольта построил первый пригодный источник электродвижущей силы — Вольтов столб, составленный из нескольких пар серебряных и медных кружков, разделенных суконной прокладкой, смоченной подкисленной водой. Когда было сделано это открытие, то оказалось, что электричество в движении тесно связано с разнообразными процессами в природе. Оно вызывало свечение, было неотделимо от химических реакций, производило тепловые и механические действия. Электричество, которое по господствовавшим тогда представлениям являлось некоторой особой невесомой жидкостью («флюидом»), сообщавшейся наэлектризованным телам и перемещавшейся в Вольтовом столбе, оказалось в тесном и сложном взаимодействии с многими формами движения материи. Развивалась электрохимия, открыто было и животное электричество, усиливались источники электрической энергии. Не было известно ничего лишь о связи «электрической жидкости» с «магнитным флюидом», который, как мыслили ученые в начале XIX века, вызывал магнитные явления. А казалось, что движущееся электричество, взаимодействующее с многочисленными другими силами, может быть связано каким-либо образом с магнитными свойствами тел, с чудесной способностью магнитной стрелки неукоснительно указывать направление север — юг.
Вопрос о взаимном действии проводника с током и магнита еще в начале XIX века интересовал ученых. Многие из них предпринимали различные попытки в этом направлении, но безрезультатно. В 1807 году профессор физики в Копенгагене Эрстед объявил о своем намерении исследовать действие электричества на магнитную стрелку. Но ему не скоро удалось разрешить эту проблему. Талантливый человек, но весьма плохой и неудачливый экспериментатор, он не мог хорошо обращаться с инструментами и приборами. Опыты, которые он демонстрировал на своих лекциях, обычно не удавались. Ему приходилось призывать на помощь либо ассистента, либо кого-нибудь из своих слушателей. В 1819–1820 году он читал курс лекций об «электричестве, гальванизме и магнетизме» и в который уж раз пытался найти ускользавшее от него явление взаимодействия, в существование которого он твердо верил, несмотря на все свои неудачи. Только в 1820 году, поместив магнитную стрелку параллельно проволоке, соединявшей два конца Вольтова столба, он заметил, что под влиянием тока, проходящего по проводнику, стрелка отклоняется от своего обычного направления — север — юг. Так было открыто взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Эрстед был в восторге. Он опубликовал сообщение о своем открытии на латинском и основных европейских языках. Его сообщение называлось: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта» (так он называл электрический ток) на магнитную стрелку. Подобно тому, как тоненькая струйка воды, просачиваясь через преграду, открывает путь мощному потоку, так и работа Эрстеда, который не сделал в этой области более ничего существенного и не дал никакой сколько-нибудь серьезной теории, открыла путь для целой лавины исследований, создавших современную электродинамику и электротехнику.
Одиннадцатого сентября 1820 года Араго воспроизвел опыт Эрстеда перед всеми членами физико-математического отделения Французского института. «Господа, — обратился Араго к своим коллегам, — профессору в Копенгагене Эрстеду удалось сделать прекрасное открытие. Казалось, что нет ничего общего между флюидом электрическим и магнитным. Никакие соприкосновения заряженных и намагниченных тел, никакие попытки зарядить магнит или намагнитить заряженный шар не давали результата. Только благодаря замечательному открытию гениального Вольта, которого мы имеем честь считать в числе восьми иностранных членов нашей Академии, стало возможным установление взаимного действия электрического и магнитного флюидов. Гальванизм Вольтова столба заставил магнитную стрелку, которая с непреклонностью обращает одно свое острие на север, а другое на юг, отклониться от этого положения. И без всякого касания! Так же как сила притяжения солнца неизменно влечет к себе планеты через бездны мирового пространства, так и Вольтов столб, концы которого соединены металлической проволокой, отклоняет магнитную стрелку без всякого посредства каких-либо агентов, без всякой промежуточной среды. Ибо и в воздухе, и под колоколом воздушного насоса действие это остается неизменным. Это замечательное открытие чревато такими последствиями, которые сейчас еще не в состоянии предусмотреть пытливый, но ограниченный человеческий ум».
И перед затихшей аудиторией величайших ученых Франции Араго демонстрирует опыт Эрстеда. Он объясняет схему и устройство частей прибора, расположение их и, наконец, замкнув цепь, показывает как мгновенно отбрасывается магнитная стрелка. Внимательно слушает и острыми старческими глазами наблюдает корифей французской науки великий Лаплас. Сосредоточенно думает, перекатывая желваки щек, Лежандр. Нервно подергивается весь ушедший в наблюдение, забывший обо всем Био. Спокойными глазами много познавшего человека глядит Деламбр. Качает тяжелой, слегка наклоненной вперед головой, Пауссон, мысленно оценивая значение этого открытия. Поправляет очки близорукий Ампер, с напряженным вниманием слушающий Араго и словно ощупывающий глазами приборы. Тихо в зале. И когда Араго кончает демонстрацию и объявляется перерыв, в кулуарах начинается оживленный обмен мнений по поводу этого замечательного события в истории науки. Единодушны в том, что открываются блестящие перспективы, расходятся в оценке конкретных путей дальнейшего исследования. Горячится позабывший о своих вчерашних математических заботах Ампер. Как это близко ему! Как это открытие перекликается с его занятиями в Бурге, с его общим взглядом на физику!
Возбужденный, в приподнятом настроении спешит он домой. Какое замечательное открытие сделал этот датский профессор! Какие перспективы открываются перед учеными: новая область механических действий гальванизма на магниты! Сколь многообразны силы природы и в то же время насколько тесно они связаны между собою простыми и сложными взаимодействиями. Пытливый ум человека постепенно открывает их законы. А каков закон открытого Эрстедом явления? От каких обстоятельств и условий зависит сила действия гальванического электричества на магнит? Как зависит эта сила от расстояния? Ведь гениальнейший Ньютон, выразивший в едином законе бег планет и падение камня, установил, что сила тяготения, которая вызывает все эти явления, обратно пропорциональна квадрату расстояния между тяготеющими телами. А великий Кулон, гордость французской науки, изучивший как законы взаимодействия покоящихся электрических зарядов, так и магнитных тел, — он также нашел, что сила, с которой, например, притягиваются два разноименных электрических заряда, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Но и сила действия магнитов друг на друга подчинена все той же обратной зависимости от квадрата расстояния. Видимо, важнейшие силы природы таковы, что при увеличении расстояния вдвое — сила падает вчетверо. А может быть, и вновь открытая сила взаимодействия, наблюдаемая в опыте Эрстеда, повинуется этому же закону? А может быть, более сложному? Вот новое поле для исследования и размышления.
Но как пуститься в эту неизведанную область? Где найти надежного проводника, который указал бы правильный путь для размышления, предохранил бы от ошибок, наметил бы основные соотношения? Этот проводник, конечно, существует; он вел Ньютона к его замечательным открытиям, при его помощи Кулон установил свои, великолепные по простоте и ясности, законы. Этот проводник— опыт. Только опытное исследование дает твердую базу для построения теории новой части физики. Разве не говорит Ньютон, что «в опытной физике положения, выведенные из совершающихся явлений помощью наведения… должны быть почитаемы за верные или в точности, или приближенно…»
Но пока у нас имеется всего лишь один опыт. Этого слишком мало для каких-либо выводов. Надо умножить число опытных данных, подобрать их так, чтобы они открыли путь к разработке теории. Прежде всего — за эксперименты! Бросить временно свои обычные занятия и попробовать силы в таинственной еще области, завесу над которой лишь приподняло открытие Эрстэда.
Так размышлял Ампер по дороге домой и еще долгие часы в раздумье ходил из угла в угол в своем кабинете. И вот, решение принято. Снова после большого перерыва Ампер возвращается к физике. Ему сорок пять лет, он устал от неудачливой жизни, от постоянных материальных забот, но сколько еще живости, силы и блеска таится в уме этого странного, на взгляд современников, человека! И он еще покажет, что стоит действительно на две головы выше их.
Для Ампера начался тот восьмилетний период, который по праву можно назвать годами электродинамики.
Ближайший день Ампер потратил на то, чтобы обзавестись всем необходимым для задуманных им исследований. Несложно было тогда оборудование электрических и магнитных опытов. Источником тока служил Вольтов столб. Другого не было. Источник этот был слабый; его пытались усилить, увеличивая число металлических пластин. Но он имел еще один крупный недостаток; сила тока все время колебалась, постепенно падая. Приборов же для ее измерения еще не существовало. С этой трудностью Ампер столкнулся сразу. Медные проволоки были лишены той изоляции, в которой мы их привыкли видеть. Схемы включения и выключения отсутствовали. Вместо контактных зажимов употреблялись металлические чашечки с налитой в них ртутью, в которую погружались концы проводников. Но простота оборудования и аппаратуры облегчала постановку эксперимента «на дому».
Раздобыв все. необходимое, Ампер прежде всего воспроизвел самостоятельно опыты Эрстеда. Неустанно наблюдал он отклонение магнитной стрелки, стремился глубже осознать это явление и поставить его в связь с другими. Неделя напряженной работы… и Ампер делает открытие не меньшего, если не большего значения, чем открытие Эрстеда. Он открывает взаимодействие токов. Но это замечательное открытие пришло не сразу. Ампер лишь постепенно, в результате упорного труда, приблизился к нему. Изучая явления Эрстеда, он твердо установил, что только электричество в движении влияет на магнитную стрелку; покоящееся же электричество не оказывает не нее никакого действия. Ампер всегда стремился к точной и ясной классификации изучаемых объектов. И он с самого начала предлагает различать действия, производимые электрической силой на электрическое напряжение и электрический ток. Самый термин «электрический ток», столь привычный в наше время, принадлежит Амперу. Он мыслил: в заряженном шаре, помещенном на изолирующей подставке, электрическая «жидкость» распределена равномерно и покоится, как вода в графине. В проводнике, соединяющем концы Вольтова столба, электрическая «жидкость» или, точнее говоря, электрические «жидкости» — положительная и отрицательная — перемещаются с неведомой скоростью в противоположных направлениях. И как движение камня порождает новые явления, которых нет, пока он находится в покое, так и электричество в движении производит новые действия, которых оно не имеет, находясь в статическом состоянии. Таково прежде всего явление, открытое Эрстедом.
Но Ампер хочет продвинуться дальше. Он ставит перед собой вопрос: «Ведь два наэлектризованных тела взаимно притягиваются или отталкиваются в зависимости от знака заряда. А не должно ли подобное действие существовать между проводниками, по которым течет ток?» Ближайший опыт подтверждает это: Ампер располагает параллельно прямолинейные участки двух проволок, соединяющих концы двух Вольтовых столбов. Закрепляет одну из «проволок. Другую делает подвижной. Для этого он загибает ее конец в виде рыболовного крючка. В дно чашечки с ртутью, поднятой на некоторую высоту, вставляет агат и на него ставит загнутое острие проводника, — этим достигается большая подвижность. Затем он пропускает через эти проволоки ток. И, потрясенный, наблюдает, что «при одновременном пропускании тока через каждую из проволок они притягивались друг к другу, когда оба тока были одинаково направлены, и отталкивались друг от друга, когда направление токов было взаимно противоположным». Великое открытие было сделано.
— Со свойственным ему стремлением к классификации Ампер предлагает ввести новые наименования: область действий, производимых электричеством в покое, называть электростатикой, а те явления, которые производятся электричеством в движении, объединить общим названием — электродинамика. Эти введенные им термины удержались в науке и до сих пор.
Внимательный взор Ампера привлечен и другим вопросом: электричество и в покое и в движении вызывает притяжения и отталкивания. В чем их сходство и в чем различие? Он быстро находит ответ на этот вопрос. Прежде всего разноименные покоящиеся электричества притягиваются, а одноименные отталкиваются. В случае же электрического тока, как раз наоборот — притягиваются токи, имеющие одинаковое, а отталкиваются — имеющие противоположное направление. Тут заключена одна трудность: ведь движется и положительная и отрицательная электрические «жидкости»; движение какой из них принять за направление тока? Поскольку эти «жидкости» считались одинаковыми во всем, за исключением знака, то безразлично, какую из них выбрать. Ампер выбрал за направление тока направление движения положительной электрической «жидкости». С того времени наши представления об электричестве коренным образом изменились, но это условное определение направления тока сохранилось и до сих пор.
Ампер, радостный, спешит к Араго и Лапласу. Он рассказывает последнему о своих опытах, и величайший ученый того времени, гениальный физик и математик ободряет Ампера на дальнейшие изыскания. Он дает Амперу идею еще одного опыта. Лаплас — автор «Небесной механики». Он всю жизнь изучал законы действия сил тяготения тел земных и небесных. Эта сила не знает преград, проявляется всюду и воплощена в законе Ньютона. «Нет ли более близкой аналогии между открытой вами силой действия одного проводника с током на другой и действием одного тяготеющего тела на другое? Прежде всего исследуйте действие одного неподвижного проводника на ряд подвижных проволок с током или рядом магнитов. Ибо солнце невидимыми нитями привязывает к себе планеты с данной силой независимо от их числа!»— восклицает Лаплас. В тот же вечер Ампер устанавливает, что одним неподвижным проводником можно притягивать и отталкивать сколько угодно других проводников и изменять направление любого количества магнитных стрелок.
Ампер с любопытством ребенка много раз повторяет опыт. «Какие прекрасные результаты! Какие перспективы открываются перед ним! Он будет строить новую область науки. Но разве только науки? Разве немыслимо практическое применение явлений, открытых Эрстедом и им?» Напряженно думает Ампер. Прежде всего набегает мысль: укрепить буквы на магнитных стрелках и устроить своего рода телеграф. Это даст возможность быстро передавать важные извещения на значительные расстояния.
Еще в 1809 году мюнхенским врачом Земмерингом была сделана попытка, оказавшаяся мертворожденной, поставить громадную скорость передачи. «электрического конфликта» на службу все возрастающему темпу деловой и общественной жизни. Земмеринг первый попытался заменить неудобный и медленно действующий оптический телеграф с семафорными башнями телеграфом электрическим. В своем электро-химическом телеграфе Земмеринг предполагал передавать сигналы, соответствующие определенным буквам и знакам, пользуясь свойством тока разлагать воду на составляющие ее газы. Но в этом сложном и громоздком аппарате преимущества огромной скорости распространения электрического тока, так же как и скорость передачи отдельного оптического сигнала с одной семафорной башни на другую, сводились на нет медленной процедурой посылки и приема.
В момент возникновения идеи электромагнитного телеграфа Ампер ничего еще не знал о проекте Земмеринга. Он шел своим путем, стремясь ответить на назревшую в его время потребность в надежных и быстрых средствах связи и сообщения.
Замечательную мысль об электромагнитном телеграфе Ампер немедленно сообщил Академии: «Можно было бы, — говорит Ампер, — при помощи нескольких проводников, идущих на большое расстояние, присоединяя к ним поочередно Вольтов столб, передавать различные сообщения. На другом конце проводов должны находиться магнитные стрелки, число коих соответствует количеству букв. Это будет нечто вроде телеграфа. Путем колебания соответствующей стрелки он был бы способен передавать самые подробные известия через любое препятствие лицу, на обязанности которого лежало бы наблюдать за буквами, помещенным на стрелках».
Так была впервые возвещена идея электромагнитного телеграфа. Она была практически осуществлена значительно позже. В 1832 году русский дипломат и изобретатель П. Л. Шиллинг построил первый электрический телеграф. Этот телеграф передавал депеши путем комбинации движений нескольких магнитных стрелок, отклоняющихся под действием импульсов тока, посылаемого со станции отправления. Шиллинг, из патриотических соображений отказавшийся от выгодных предложений английского правительства, тщетно пытался реализовать свое изобретение в экономически отсталой России того времени. Между тем его аппарат, сделавшийся известным в Европе, послужил прообразом всех конструкций так называемых стрельчатых телеграфных аппаратов, в том числе широко применявшегося аппарата английских изобретателей Кука и Уитсона.
Восемнадцатого сентября 1820 года Ампер делает первое сообщение в Академии, а 25-го вторично поднимается на кафедру, чтобы сообщить о своем замечательном открытии. В протоколах Французской академии наук находим под этим числом запись:
«Г-н Ампер читал мемуар, представляющий собой продолжение доклада, читанного в предшествующем заседании, о действиях, производимых на магнитную стрелку вольтаическим столбом. Он доложил новый факт, состоящий во взаимном действии двух электрических токов без посредства какого-либо магнита. Он воспроизвел опыты, доказывающие существование этого явления, и они заняли остаток заседания».
В этом же докладе изложено известное каждому «правило пловца», или «правило Ампера».
Вечером Ампер пишет своему сыну в Женеву: «Все свободное время было занято важнейшим событием моей жизни. С тех пор как я впервые услышал о великолепном открытии Эрстеда, профессора в Копенгагене, установившего действие гальванических токов на магнитную стрелку, я думал об этом непрестанно. Я только-что разработал обширную теорию этих, а также ранее известных магнитных явлений, и попробовал произвести вытекающие из этой теории опыты, которые все удались и открыли мне так много новых фактов! Вот уже с неделю как я прочитал начало своего мемуара в Институте; В последующие дни или с Френелем, или с Депре я производил опыты, ее подтверждающие. Каждую пятницу я повторял на квартире у Пуассона, где собирались оба Мюсси, Рандю, многие слушатели Нормальной школы, генерал Калпредон и другие. Все удавалось чудесно, но решающий опыт, который я задумал как окончательное доказательство, потребовал двух гальванических столбов. Опыт, предпринятый у Френеля со слишком слабыми столбами, не удался. Наконец, вчера я добился от Дюлонга разрешения для Дюмотье продать мне большой столб, заказанный для курса физики на факультете. Сегодня утром этот опыт был произведен у Дюмотье с полным успехом, а днем, в 4 часа, повторен на заседании Института. Мне уже не делали больше возражений, и вот таким образом на основе фактов создана новая теория магнетизма, сводящая все магнитные явления к явлениям гальванизма. Это совершенно не похоже на все то, что до сих пор утверждалось. Завтра я снова изложу мою теорию господину фон Гумбольдту, а послезавтра господину Лапласу в Бюро долгот».
Доклады Ампера 18 и 25 сентября не только сообщали новые факты, но и содержали исключительно интересные соображения по поводу электрических и магнитных взаимодействий. Каждый новый опытный факт служил для Ампера основанием для новых теоретических обобщений и концепций. Его глубокий ум находил все новые и новые проблемы в той области, которой он, как ее истинный отец, дал имя — электродинамика.
Он подвешивает на острие проводник, согнутый в кольцо, и наблюдает, что он притягивается или отталкивается параллельным неподвижным кольцевым проводником. Если перпендикулярно плоскостям этих колец в. их центрах расположить два магнита, то они также будут притягиваться или отталкиваться в зависимости от того, какие полюса окажутся сближенными: разноименные или одноименные. «Но что такое магнит? Это тело, в котором распределена «магнитная жидкость», — рассуждает Ампер. — Что же известно о ней? Ничего! Известны лишь явления взаимодействия магнитов, которым не противоречит допущение-существования «магнитной жидкости» («флюида»). Но это существование отнюдь не вытекает из известных опытных фактов. Само представление о «магнитной жидкости» зародилось по аналогии с многочисленными флюидами физики XVIII века. Но аналогия — не доказательство».
«Разве надо для каждой новой группы явлений придумывать специальный «флюид»? — Ампер перетряхивает свои познания по философии. — Ведь еще Оккам предупреждал, что не следует создавать новые сущности только потому, что найдено новое явление. А гениальный Ньютон, непревзойденный образец ученого, говорил, что природа проста и не роскошествует излишними причинами. Наконец, электричество действует на магнит, и обратно: магнит — на электрический ток; ток действует на ток и магнит на магнит. Нельзя ли объединить эти действия в одну группу? Найти единство в этих разнообразных явлениях? Для этого достаточно представить себе, что магнит есть не что иное как совокупность электрических токов. Это нисколько не противоречит опыту, ибо действие двух магнитов друг на друга можно описать, заменив каждый из них соответствующей системой кольцевых, круговых токов, обтекающих их вдоль поверхности перпендикулярно к оси, соединяющей полюса. Тогда магнитные явления вызываются исключительно электричеством. Различие северного и южного полюсов вызывается лишь их положением относительно токов, из которых магнит состоит. Какая стройность и единство вносятся в электротехнику!» Ампер восхищается открывшейся перспективой.
Обратив свое внимание на проблему земного магнетизма, Ампер решительно отверг «чудовищное», по его выражению, представление о земле как об огромном металлическом шаре. Он выдвинул проблему, что земля — это своеобразная система круговых токов (соленоид!), в которой токи текут с востока на запад. Страстный и увлекающийся Ампер, полный глубокой уверенности в правильности своего пути, не замечает, что нарисованное им представление не менее чудовищно, чем старое. В самом деле, таинственные замкнутые токи, циркулирующие вдоль всей поверхности земли, — разве это не кажется продуктом безумной фантазии или, вернее говоря, продуктом ни перед чем не останавливающейся в своей железной последовательности научной идеи? Лишь тогда, когда Ампер перешел к представлению о молекулярных токах, он действительно мог сказать, что новая теория освобождена от всякой фантазии, которая заключалась в старом понятии о магнитных свойствах земли.
Еще не разработав своих идей до конца, он спешит огласить их на заседании Академии наук. Он видит косые взгляды, недоверчивые улыбки. Физики привыкли к этим таинственным «флюидам». Они освящены традицией ньютоновской школы. «Очередная фантазия Ампера, — говорят они. — Он сам откажется от нее через несколько дней».
Однако, когда Ампер день за днем, месяц за месяцем, год за годом собирает факты, разрабатывает теорию и возводит все растущую твердыню незыблемых аргументов, ученые-реакционеры выступают против Ампера во всеоружии: тут и замалчивание и отрицание значения его открытий и попытки ниспровергнуть его теорию. Во главе этих физиков — Жан Батист Био. Этот блестящий человек, таланты которого проявились в разнообразных областях науки, резко напал на Френеля и Араго, выдвинувших новую теорию о природе света, согласно которой свет рассматривался как волны в упругой среде, заполняющей мировое пространство, — эфире. Био яростно атакует и Ампера. Ведь выступив против существования самостоятельного магнетизма, Ампер тем самым напал и на теорию Био. Согласно теории Био, магнит состоит из множества маленьких, «элементарных», микроскопических магнитиков. Каждый такой магнитик во всем подобен намагниченному железному стержню. Конечно, эта теория ничего не объясняла в магнитных явлениях. Вопрос о природе магнетизма оставался открытым и только переносился с большого куска намагниченного металла на составляющие его крохотные частицы. Однако, вместе с ученым Саваром, Био установил количественный закон взаимодействия проводника с током и магнита. Это было его наиболее важное достижение, хотя идею этого закона подал Био и Савару, как они сами указывают, Лаплас.
Соратники Био прежде всего сделали попытку доказать, что Ампер ничего нового не открыл. «Возьмем, — восклицали они, — два проводника и два магнита. Каждый из проводников действует на соответственный магнит. Один магнит действует на другой. Сам собой напрашивается вывод, что один из проводников с током действует на другой. Так называемое «открытие» Ампера полностью заключено в открытии Эрстеда!» — заканчивали они торжествующе. Но блестящий, как всегда, остроумный и живой Араго дал им великолепный ответ. Он достал из кармана два железных ключа и на глазах у изумленных оппонентов сблизил их между собой, показывая, что никакого притяжения между ними нет. «А ведь каждый из них порознь притягивается магнитами, — насмешливо восклицает Араго, — и магниты притягиваются между собой. Если рассуждать так, как вы, то и эти два ключа должны притягиваться. Этого же нет, и ваше заключение ошибочно, — Ампер открыл по существу новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда!»
Потерпев неудачу, противники Ампера предпринимают нападение другого рода. Био организует публичное сообщение о последних открытиях в области электромагнетизма. В этом докладе он собирается доказать, что Ампер всего-навсего лишь ловко воспользовался открытием Эрстеда. 30 марта 1821 года Ампер случайно узнал о готовящемся на него нападении. Он немедленно принял решение сделать на том же заседании доклад о своих работах и работах Араго, опровергнув измышление Био. Ампер беспристрастно, с достоинством ученого, указал на отношение открытия Эрстеда к его работам: «Исторически верно, и это легко доказать, — закончил он свое сообщение, — что я пришел к открытию этих фактов лишь благодаря тому, что осознал явление, открытое господином Эрстедом способом, совершенно противоположным объяснению, данному самим Эрстедом».
Опровергнув все нападки противников, Ампер углубляется в обоснование электродинамики, ищет все новых и новых доказательств своих взглядов, стремится развить их и уточнить свою теорию.
Каждое научное исследование имеет свою, ему присущую логику; оно проходит этап за этапом, давая ученому, если он идет по правильному пути, все более точное знание изучаемых объектов. Так было и здесь. Шаг за шагом в работах Ампера вырастает новая наука — электродинамика, соединяющая в себе опыты и математическую теорию, разработанную по образцу и при помощи механики великого Ньютона.
Много тяжких и трудных препятствий приходится преодолевать исследователю.
Мощному полету научного творчества мешает отсталая техника эксперимента — примитивность лабораторного оборудования, отсутствие измерительных приборов. Ампер вносит ряд технических улучшений, но не может преодолеть недостатков тогдашнего источника тока — Вольтова столба. После многих усилий Амперу удалось найти способ, который устранял технические трудности эксперимента. Он решил отказаться от прямых измерений и заменить их «методом равновесия». Этот остроумный метод состоит в следующем. Представим себе три покоящиеся проволоки, из которых две закреплены, а одна может перемещаться. Все они соединены между собой и с Вольтовым столбом. Этим достигается, что примерно одинаковый ток в них и колебания его не отражаются на результатах опыта. Пропуская через эти проводники ток, Ампер определял, что при таких. условиях подвижной проводник остается в равновесии. Определив условия равновесия, он узнавал какое-либо свойство силы, с которой один ток действует на другой. Все необходимые для этого данные давала ему механика. Вооруженный этим методом, Ампер начал изучать законы взаимодействия проводников с током. Его стремления были направлены к тому, чтобы не только установить новые опытные факты, но и, объединив их, разработать математическую теорию.
От каких же обстоятельств зависит исследуемая сила? Оказалось, что она зависит и от силы тока, и от расстояния и взаимного расположения взаимодействующих проводников, и от формы этих проводников. Круговой ток, при прочих равных условиях, действует иначе, чем прямолинейный. Как же учесть в одном законе все бесконечное разнообразие форм, которые могут быть приняты проводником? Ампер решил рассматривать бесконечно малый элемент тока, найти закон его действия и сложением бесконечно большого числа этих элементов (т. е. интегрированием) получать действие проводников конечной длины. Закон взаимодействия таких элементов нельзя непосредственно проверить на опыте, ибо их нельзя практически осуществить Но зато можно из этого закона получать математические выражения, определяющие действия конечных проводников той или иной формы, и проверять их на опыте. Чем больше окажется совпадений, тем вернее будет доказан закон для бесконечно малых элементов. Ампер устанавливает этот закон. Это блестящая победа. Торжествуя, он восклицает: «Пусть впоследствии создадут новые теории электричества, пусть возникнут новые гипотезы об электромагнитных процессах, — формула установленного мною закона останется незыблемой! Более того, всякая теория, если только она хочет утвердить свою достоверность, должна привести к моей формуле. Мой закон найдет свое место во всякой теории. А теперь— вперед, приложим его к частным задачам, посмотрим, что он даст нам!» Но здесь наступает перерыв в его работе. Перерыв, вынужденный внешними обстоятельствами, которые мешают его гению исследователя.
Материальное положение Ампера было очень тяжелым. Он цеплялся за ненавистную ему должность инспектора. Когда ему приходилось совершать инспекторские поездки, он отказывал себе во всем, чтобы сэкономить небольшую сумму денег. Разорительная привычка капитально переделывать печатающиеся работы в гранках и верстке, вызванная непрерывной работой его интеллекта над совершенствованием уже достигнутых результатов, стоила Амперу немало франков. Необходимость непрерывно заказывать новые электромагнитные приборы поглощала большую часть его более чем скромных доходов. Недаром в 1824 году Ампер обнаружил, что он должен почти 4 тысячи франков. Правительство Реставрации меньше всего заботилось об ученых. Равнодушие Людовика XVIII и Карла X к науке и искусству, стремление пресечь ужасный призрак крамолы и уничтожить последние остатки революционных традиций…привели к тому, что ученых в полном смысле слова держали в черном теле; конечно, за исключением тех, которые униженно искали королевских милостей. Член Академии, профессор Политехнической школы, Ампер ни гроша не получал на свои научные изыскания. А оклад профессора составлял всего 5 тысяч франков в год, и совместительство было запрещено. Карл X последовательно проводил в жизнь свой принцип: «Хороший поэт не должен слишком жиреть, как и хорошая лошадь; его достаточно поддерживать в форме».
Королевская Франция, которая, по словам Стендаля, во главе страны поставила банк, которая устами Гизо выбросила лозунг «обогащайтесь!», очень мало думала о великих ученых, которые составляли ее подлинную славу. И Ампер в это время, как никогда, бьется в тенетах постоянной, не‘-прекращающейся нужды.
К материальным невзгодам присоединяется серьезное физическое недомогание. Еще в 1820 году Ампер испытал несколько припадков — симптомов какого-то зловещего недуга. Весной следующего года его здоровье еще более ухудшилось. «Если бы ты знал, — пишет Ампер Бредену, — как я изнемогаю минутами от усилий, которые необходимо делать, чтобы писать и думать; а затем эти боли и стеснение в груди, которые постоянно заставляют меня прибегать к пьявкам, и к козьему молоку». Врачи запрещают Амперу курить. Он вынужден отказаться от любимой трубки. Это действует угнетающе. «Великий ребенок» почти не в состоянии работать.
Сын его в это время находится в Италии, где он путешествовал вместе с мадам Рекамье.
Ампер гррячо любил Жан Жака. Он со слепотой любящего отца верил в его гениальность. Жан Жак проявлял некоторую склонность к литературе, принадлежал к формировавшейся тогда группе романтиков. Пресыщенность жизнью, самоанализ, стремление сломать литературные каноны — вот что характерно для этой группы интеллигентской богемы. В затхлой атмосфере реакции, не находя выхода и применения своим силам в практической жизни, они подняли бунт в искусстве. Они либо страдальчески проклинают жизнь, как Мюссе, либо смотрят на все с холодно-циничной улыбкой скептика Мериме, либо умными, слегка прищуренными глазами Стендаля прощупывают в омерзительном болоте Реставрации грядущие бури истории, Но то были великие творцы! Жан Жак был талантливым человеком, но, подчиняясь окружающим влияниям, не искал своих дорог.
Жан Жаку было девятнадцать лет, когда отец представил его мадам Рекамье. Знаменитый в свое время салон мадам Рекамье превратился к этому времени в литературный кружок. Бывали у нее философ Бенжамен Констан, писатели Шатобриан, Мериме, Ламартин, критик Сент-Бев, великий ученый Гумбольдт, замечательный английский ученый Деви с женой, ряд аристократов и писателей. Ампер, который был ее земляком, также часто навещал ее. Для Жан Жака новое знакомство было словно удар молнии. Хотя мадам Рекамье была старше его на двадцать три года, он безумно влюбился в нее. Скоро он сделался как бы членом семьи Рекамье. Сохраняя отношения в пределах дружбы, она искренне привязалась к юноше, следила за его карьерой и успехами и во многом помогала ему.
Летом 1823 года мадам Рекамье уехала в Италию, куда, под предлогом пользы для своих научных занятий, примчался и молодой Ампер. Влюбленный юноша следует за мадам Рекамье из города в город классической Италии, совершенно забывая о том, что осталось во Франции, в далеком Париже. А в это время Ампер тратит дорогое время на то, чтобы добиться постановки пьесы сына «Роземунда», которую искренне считает великолепной. Он делает визиты, читает ее разным лицам, преодолевает косность чиновников. Гениальный ученый отрывается от своих замечательных исследований, чтобы продвигать произведение своего сына, которое было заслуженно забыто уже при жизни самого автора. Но личные дела Ампера опять ухудшаются. Все более грустными становятся его письма в Италию, все более печальны его близорукие глаза.
Наконец, в июле 1823 года Ампер уезжает к своему другу Бредену и проводит >в родных местах остаток лета и осень. Продолжительный отдых и спокойствие приносят некоторое улучшение. Ампер не занимается физикой. Он совершает длительные одинокие прогулки и размышляет о философских проблемах, которыми у него «битком набита голова».
Глубокой осенью Ампер возвратился в Париж. Несмотря на то, что сырая, дождливая погода плохо отражается на его здоровье, он упорно берется за работу. Наконец, приезжает и его любимый сын, которого настояния мадам Рекамье заставили поспешить к одинокому отцу. Хотя беспечный и немного взбалмошный Жан Жак ничем особым не мог помочь отцу, но само его общество укрепляло духовное состояние Ампера. Впрочем, странности сына иногда вырывают у Ампера слова упрека и, глядя на него, он, как бы думая вслух, восклицает: «Это удивительно, Жан Жак! Я думал, что мне доставит большее удовольствие видеть тебя». «Почему же вы не оставили меня в таком случае в Неаполе?» — отвечает обиженный сын.
Медленно и постепенно улучшается физическое и нравственное состояние Ампера. Но только в 1824 году он снова принимается за электродинамику и в ближайшие годы завершает намеченный ранее план работы.
Свернув в спираль проводник, он создает соленоид (от греческого «каналообразный» — название принадлежит Амперу) и обнаруживает, что такой соленоид ведет себя, как полосовой магнит, полюса которого находятся как бы на концах соленоида. Он производит целый ряд расчетов, проявляя исключительное остроумие в математическом решении проблем, и углубляет свою теорию магнетизма. Френель, с которым Ампера связывают нити научной дружбы, подает ему новую мысль. В свое время Ампер подсказал Френелю идею поперечности колебания световых волн; теперь же Френель наводит Ампера на мысль заменить токи, обтекающие поверхности магнита, токами молекулярными. Так возникает знаменитая гипотеза Ампера: магнит есть совокупность огромного числа молекулярных токов; магнитные свойства обусловлены суммарным действием этих токов. В измененном виде картина молекулярных амперовых токов и в современной физике сохранила свое полное значение.
Несмотря на нападки врагов, слава Ампера растет. Особенно ценят его экспериментальные открытия. Сын Ампера, Жан Жак, путешествуя за границей, навещает различных ученых. Великий Гаусс, который, может быть, лучше всех оценил значение математической электродинамики Ампера, ласково расспрашивает Жан Жака об отце: «Я видел, — пишет Жан Жак отцу из Берлина, — господ Эрмана, Митчерлиха, Вейля. Они, как и все другие, были ко мне чрезвычайно внимательны, и все это ради тебя, ибо они испытывают по отношению к тебе чувство искреннего восхищения. Твое имя повсюду служит талисманом. Меня спрашивают: «Не родственник ли вы знаменитого Ампера?» Я возможно скромнее, с некоторой внутренней радостью отвечаю: «Я его сын». И тогда меня почтительно приветствуют, чем я очень горд». Когда иностранные ученые приезжают в Париж, они спешат к Амперу, чтобы познакомиться с ним и посмотреть его опыты. Волластон и Джон Гершель посещают его. Он ведет переписку с рядом крупнейших ученых Европы. Швейцарские физики — отец и сын Де ла Рив — приглашают Ампера в Женеву для совместного проведения опытов, которые он и производит в сотрудничестве с ними. Пусть недостаточно понимают и ценят его теорию, но даже его опытных открытий достаточно для того, чтобы поставить его в первых рядах физиков того времени.
Однако его материальное положение по-прежнему неустойчиво. Работа в Политехнической школе тяготит его, обременяют инспекторские обязанности. В письмах к сыну он сообщает о приказах министра народного просвещения, которые налагают на него новые обязанности по должности. Неинтересные и бесполезные для его научной работы дела отрывают его. Курс математики, который он ведет в Политехнической школе, наскучил ему. Еще более надоели бесконечные бюрократические заседания по разным важным и неважным поводам. Он мечтает читать курс физики — науки, в которой он является творцом новой ветви. Ему хочется работать в более спокойных условиях, иметь больше времени для своих изысканий, которые успешно подвигаются вперед, «но не так быстро, как я бы хотел», — с горечью пишет Ампер сыну. Он хочет перейти в другое, очень интересное, полу-научное полу-учебное учреждение Франции — Коллеж де Франс. Хлопоты, связанные с этим переходом, опять отрывают его от работы.
В крайне централизованной системе народного образования Франции Коллеж де Франс, это своеобразное учреждение с уходящими в глубь веков традициями, являлось подлинным парадоксом. Ученый, избранный в число профессоров Коллежа, не связан планами или программами, — он волен сам выбирать предмет своего курса и излагать его по своему усмотрению.
Каждый желающий, без соблюдения каких-либо особых формальностей, совершенно бесплатно может слушать циклы лекций и даже отдельные лекции по своему усмотрению.
Четырехвековая история Французского коллежа насыщена разнообразными и бурными событиями.
В 1530 году Франциск I учредил две «свободные кафедры» — греческого и еврейского языков, к которым затем прибавили кафедру латинского красноречия. Они получили название: «Коллеж трех языков».
После добавления в 1545 году кафедр математики, медицины и философии Коллеж быстро завоевал популярность. Он противостоит схоластической Сорбонне и становится очагом гуманистической науки. Университет и духовенство яростно обрушиваются на Коллеж и его профессоров.
Зловещие обвинения в ереси, кальвинизме, мятежном духе — испытанные приемы этой борьбы. Только заступничество королевской власти, ищущей опоры в своей борьбе за абсолютизм, спасает Коллеж. Создаются кафедры хирургии, арабского языка, ботаники, астрономии, правоведения, санскритского языка, французской литературы.
В 1599 году в герб Коллежа вписывается девиз «Docet omnia» — «Учит всему». При Людовике XIII он переименовывается в «Королевский коллеж».
Французская революция конца XVIII века оставляет Коллеж нетронутым. Увеличивается лишь оклад профессоров. Коллеж вступает в период блеска и расцвета. Точным наукам отдается предпочтение перед лингвистикой и литературой. В число его профессоров входят Лаланд, Добентон, Порталь, Кювье, Вокелен, Корвизар, Деламбр, Тенар, Био, Сильвестр де Саси.
Консульство Наполеона ограничивает права Коллежа на самоуправление. Люсьен Бонапарт, стоявший тогда во главе министерства внутренних дел, простой запиской извещает Коллеж о назначении Лефевра Жино его «администратором». Однако независимость Коллежа в замещении кафедр еще сохраняется. Реставрация грубо покушается и на эти права. В 1821 году за свои левые политические взгляды удаляется Тиссо, несколько позже, также помимо профессорского собрания, директор Лефевр Жино заменяется Сильвестром де Саси. Правительство присвоило себе право утверждения каждого вновь избранного профессора. Вот в этот знаменитый Коллеж и выдвинул свою кандидатуру Ампер.
Избрание в число профессоров Коллежа, сопровождавшееся интригами и происками, доставило Амперу немало огорчений. Одновременно с его кандидатурой были выдвинуты кандидатуры Френеля и минералога Ведана. Выборы состоялись 25 апреля. Ампер получил 3 голоса, Френель — 2 и Бедан — 9. Такой результат объясняется не только тем, что точные науки в Коллеже были представлены лишь шестью профессорами, в число которых входил враждебно настроенный по отношению к Амперу Био, но и тем, что Бедан был протеже самого министра. До оглашения результатов голосования Амперу намекают на необходимость добровольно снять свою кандидатуру. Он отказывается в пользу Френеля. Тогда Бедан, против кандидатуры которого возражал Французский институт, в свою очередь, отказывается в пользу Ампера. Создалось положение, граничащее со скандалом.
Наконец, 11 июля Коллеж окончательно высказался за Ампера.
Ампер спешит уведомить о своей радости сына: «После моего последнего письма мои дела сильно изменились. Теперь мне недостает только тебя, чтобы быть вполне счастливым… Мне сказали, что министр дал распоряжение составить ордонанс о моем утверждении; возможно, что он будет подписан королем в ближайшую пятницу.
Сообщи об этом скорее Балланшу и всем, кто принимает участие во мне… Эту зиму я буду читать экспериментальную физику во Французском коллеже. Мне думается, что для меня будет огромной радостью, если ты будешь слушать мой курс».
В Коллеже Ампер возглавляет кафедру общей и экспериментальной физики.
Итак, цель достигнута. Он может спокойно за-вершить^ свои исследования. И действительно, в это время работа Ампера отливается в законченную форму. Он издает свой труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Величайший ученый и творец в области электродинамики Джемс Клерк Максвелл говорит об этой работе: «Исследования Ампера, которыми установлены законы механического взаимодействия электрических токов, принадлежат к блистательнейшим подвигам науки. Теория и опыт, по-видимому, в полной мощи и законченности вылились сразу из головы этого «Ньютона электричества».
Столь же восторженную характеристику Максвелл дал основному произведению Ампера об электрических явлениях: «Сочинение его совершенно по форме, недосягаемо по точности выражений и дает в результате формулу, из которой можно вывести все явления, представляемые электричеством, и которая навсегда останется основной формулой электродинамики».
Ампер сам прошел от начала до конца весь путь, который открыли перед ним эксперимент Эрстеда и его собственные опыты. Он пишет сыну в Копенгаген: «Ты не забудь повидать господина Эрстеда; ты ведь знаешь, что именно он открыл путь, по которому я пошел».
Мелкие интриги, связанные с избранием нового академика на освободившееся со смертью Френеля место, возмущают Ампера. Личные интересы заслоняют для многих подлинно научную ценность кандидатов. Торгашеский дух буржуазии периода Реставрации, погоня за ложным блеском титулов, за наградами от Бурбонов, которых трагическая насмешка истории снова на краткий срок поставила у власти, находят себе место и в научной среде. Один за другим уходят в могилу гиганты французской науки, оживленной великой революционной бурей. Эпоха безвременья порождает пигмеев. И много нервов тратит Ампер в борьбе с ними за людей подлинной науки, какими являлись Савар и Беккерель. Неуклонно завершает он свои исследования, кладя последние штрихи на сверкающее гением полотно созданной им новой замечательной отрасли физической науки. Кончалась та полоса жизни Ампера, которая сделала его имя бессмертным в веках; полоса, насыщенная подлинным и чистым научным горением великого человека, измученного и истомленного буржуазной алчностью и темной реакцией быта Реставрации.
Потомство чтит Ампера как пионера-исследователя неизведанных тайн природы, «Ньютона электричества». За восемь лет он создал великолепную теорию, сочетающую опыт с математической разработкой.
Он довел ее до конца; в таком виде она не могла уже вместить в себе новых — индукционных — явлений тока.
Но целый ряд ученых середины XIX века идет по пути, намеченному Ампером. Среди них мы находим имена Вебера, Ф. Нейманна, К. Нейманна, Видемана, Бертрана, выдающегося русского физика Ленца и других. В творениях Максвелла линия, начатая Ампером, сольется с путем, который проложил великий Фарадей, — обогащенная многообразными данными опыта, непрерывно накоплявшегося с первых шагов практического приложения электричества, возникнет современная электродинамика, база мощной и разнообразной по своим практическим применениям электротехники.