Статья: От проблем пустоты к проблемам электричества

Он просто определял электрические заряды капелек и обнаружил, что эти заряды ДИСКРЕТНЫ, т. е. не непрерывны, а кратны. Минимальный заряд, который только возможно было получить, должен был соответствовать согласно атомной теории заряду электрона.

«Установка Милликена для измерения заряда электрона дала столь убедительные результаты, что последние противники атомной теории вынуждены были сдаться» (Митчел Уилсон. Американские ученые и изобретатели. М., «Знание», 1964 г., с. 111).

Многочисленные опыты, и не только Милликена, привели к фундаментальному результату: тело может принимать или отдавать электрический заряд только порциями ЦЕЛОЧИСЛЕННО КРАТНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ ЗАРЯДУ, РАВНОМУ 1,6 x 10-19 кулонов. Несмотря на бесчисленные попытки, никогда не удавалось получить заряд меньше этой величины. Поэтому заряд е=1,60 x 10-19 Кл. называют ЭЛЕМЕНТАРНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАРЯДОМ, или «атомом электричества» [6]. А у истоков этого открытия стоял электрик номер два в истории электричества.

Жизнь Отто фон Герике богата событиями и даже приключениями, неординарна и вовсе не напоминает биографию кабинетного ученого. Родился он 20 ноября 1602 г. в немецком городе Магдебурге, первоклассной крепости на р. Эльбе. Город имел торговые привилегии со времен Карла Великого, поэтому был процветающим торговым центром, а также центром промышленных мануфактур.

Состоятельная семья Герике имела сельскохозяйственные угодья, дома и обладала правом пивоварения. Этот факт имеет прямое отношение к научной биографии ученого, так как, по словам историка науки Дж. Бернала, «он израсходовал на свои опыты 4000 фунтов стерлингов – сумму по тому времени астрономическую». Добавим, что без всякой надежды на возмещение расходов, только из любви к науке. Впрочем, это не единственный подобный случай – так поступали сверхбогатые люди Роберт Бойль, Генри Кавендиш и многие другие энтузиасты-исследователи.

С 1617 по 1622 гг. Герике обучался общеобразовательным предметам в университетах Германии – Лейпциге и Гельмштадте, а юриспруденции – в Иене. В 1623 г. он выехал в Голландию, где в Лейденском университете изучал механику и фортификацию, к которой в то время относилась и механика. Затем Герике совершает вояжи по научным центрам Авремени.

По возвращении в Магдебург в 1626 г. Герике женится, избирается на должность ратмана (городского советника) и фактически становится охранителем и военачальником Магдебурга. Инженерные знания советника помогают Магдебургу в ходе Тридцатилетней войны выдержать в 1629 г. семимесячную осаду немецкого полководца Валенштейна, но в 1831 г. Магдебург был взят австрийским генералиссимусом Тилли, представлявшим католических сторонников этой религиозной войны. Город был разграблен и сожжен, а руководитель обороны попал в плен. Собственное имущество Герике было растащено «ордами Тилли», слуги перебиты. Но его самого за выкуп в 300 талеров выпустили на свободу.

Оставшись без средств к существованию, Герике поступает на службу в войска Густава-Адольфа, короля могущественной тогда Швеции, в качестве генерал-квартирмейстера и военного инженера. По освобождении шведами Магдебурга Герике возвращается домой, чтобы получить назад свою недвижимость и там же начинает восстановительные работы в крепости, строит мост через Эльбу. Попутно он занимается дипломатической деятельностью и добивается некоторых успехов, в частности решает вопрос замены оккупационных войск местным гарнизоном.

Город в знак признательности избрал Герике своим бургомистром в 1646 г. Тогда и началась научная деятельность военного инженера, широту интересов которого даже трудно охватить. Он занимается астрономией и высказывает мысли о возможности вычисления периода возвращения комет, а также химией – пытается разобраться в процессах брожения (пивовар!). Обнаруживает возможность намагничивания железа от земного магнетизма, а также проводит свои знаменитые атмосферические опыты: взвешивает воздух, изобретает термометр (вернее термоскоп), манометр и барометр (водяной), с использованием которого 9 декабря 1660 г. делает первый метеорологический прогноз – предсказывает ураган.

Нужно отметить, что свою главную задачу в науке – доказать существование «пустоты» посредством убедительных и наглядных опытов, доступных широкому пониманию публики, Герике с честью выполнил.

В 1666 г. император Леопольд именно за это возвел бургомистра Магдебурга в дворянское достоинство, после чего Герике изменил правописание своей фамилии на фон Герике, каковое иногда встречается и в русской переводной литературе.

На должности бургомистра О. Герике пробыл 32 года и в 1678 г. оставил ее по старости. Он умер 11 мая 1686 г. в Гамбурге в доме своего единственного оставшегося в живых сына, куда уехал от свирепствовавшей тогда в Магдебурге чумы. Был ли, как это предполагалось, его прах перевезен в родной город, который он прославил навек, осталось неизвестным. Такое случалось, как видим, не только в России.

Каскад открытий

Другое выдающееся открытие

О. Герике, ныне считающееся само собой разумеющимся, отмечено первым электриком России Г.В. Рихманом. Вот что записано в его тетрадях: Герике дал «отменный повод к дальнейшему расширько возбуждать электричество трением, но также СООБЩАТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ДРУГИМ ТЕЛАМ, не электризующимся путем трения» [7].

Действительно, а как наэлектризовать воду, металлы, песок, ту же пушинку или льняную нитку? Оказалось чрезвычайно просто. Герике отмечает, что при приближении к натертому шару капель воды они приходили в волнообразное движение, а льняной шнур, прикоснувшись к шару, заряжается и тоже начинает притягивать бумажные листочки. И неспроста по-видимому указывается длина этого шнура – «один локоть». Через многие десятилетия (1729) англичанин Грей начнет увеличивать это расстояние и сделает открытие, что электрический заряд передается практически на безграничное расстояние. Теперь можно было создавать электрическую машину (генератор), чтобы сообщать заряды любым предметам на любом расстоянии.

Весьма многообещающими были следующие наблюдения бургомистра Магдебурга. К скамейке была прикреплена деревянная стойка (по современным понятиям – изолятор), с верхней части которой спускалась льняная нитка. Натертый серный шар приближался на близкое расстояние к верхней части нити. Если поднести к нижней части нити палец, то нить ПРИТЯГИВАЛАСЬ К ПАЛЬЦУ, ХОТЯ ПРЯМОГО КОНТАКТА МЕЖДУ ШАРОМ И НИТЬЮ НЕ БЫЛО.

Следующее наблюдение было над перышком, подвешенным на нити. К натертому серному шару приближали висящее перышко в районе экватора. Интересным было то, что когда обводили его вокруг шара, то перышко оставалось обращенным к шару ВСЕГДА ОДНОЙ СТОРОНОЙ.

Истинное значение этих экспериментов, а это было большое открытие, осталось непонятым ни самим Герике, ни его последователями в течение столетия. А было это проявление электростатической индукции, объясненной уже в XVIII веке учеными Ф.У.Т. Эпинусом и И.К. Вильке.

Герике изучал и сам наэлектризованный шар. И здесь его наблюдательность принесла свои плоды. Натирая рукой шар в темноте, он наблюдал СЛАБОЕ СВЕЧЕНИЕ, а поднося шар к уху, слышал слабый треск. «Шар обладает способностью звучать, – пишет он, – потому что если поднести его к уху, держа в руке, то в нем слышится шорох и треск». Возможно, это и были первые наблюдения электрической искры, но, по мнению последующих электризаторов, это были звуки, которые издавали разрываемые кристаллы серы, нагреваемые трением руки [8, с. 162].

Необыкновенное свечение заинтересовало ученых. Изучение необычных источников света было в большом ходу у ученых XVII столетия. В 1630 г. некий башмачник Каскариоло, производя алхимические опыты, заметил, что тяжелый шпат, находящийся близ г. Болоньи, побывав на солнце, излучает затем свет в темноте. Эту загадку пытается разрешить Г. Галилей. В 1669 г. гамбургский купец, пытавшийся алхимией поправить свои торговые дела, открыл светящийся фосфор. В 1675 г. французский астроном Жан Пикар, ночью перенося с места на место ртутный барометр, обратил внимание на свечение ртути в торичеллиевой пустоте. Свечение Герике и свечение Пикара впоследствии оказалобыкновенные источники света интересовали И. Ньютона, работающего в то время над своей «Оптикой». Непосредственно же выяснением причин появления света в опыте Пикара занялся технический помощник Ньютона Ф. Гауксби, построивший для этого специальную машину с натираемым полым стеклянным шаром. Наука получила при этом мощный и удобный источник электрических зарядов. Машину Гауксби можно было использовать как электрический генератор [2, с. 138].

Как недальновидно отнеслись к трудам Герике – великого немецкого естествоиспытателя – в области электричества, свидетельствует фраза одного его соотечественника: «К сожалению, Герике в этом вопросе не уделили того внимания, которое оказали его воздушному насосу и магдебургским полушариям. Профаны не могли следовать за ним в этой области, а ученые дали открытиям Герике покрыться пылью забвения» [9]. Горькие, но справедливые слова.

У порога большого открытия

Приводимый ниже опыт О. Герике не совсем относится к числу электрических. Тем не менее приводим его именно здесь. Почему? Обратимся к книге итальянского историка физики М. Льоцци, где можно прочитать следующее: «Мы хотим специально напомнить об одном опыте, который тогда остался незамеченным, но был вновь повторен и использован Вильсоном в одном из наиболее ценных приборов ядерной физики. Герике соединил перемычкой два сосуда, снабженных кранами, из которых нижний был откачан , а верхний содержал воздух. Затем он открыл краны, связав между собой эти сосуды» (рис. 3). В верхнем сосуде образовалось, – как писал Герике, – «маленькое небо», которое сначала было покрыто тучами, а потом медленно прояснилось» [10].

Это важнейший опыт термодинамики. Если водяные пары не насыщены, то есть не очень близки к переходу в жидкое состояние, и их внезапно расширить (адиабатически, без доступа тепла извне), то они доходят до насыщения и внутри пара образуются капельки воды, совокупность которых представляется в виде тумана. Это и наблюдал Герике.

А в 1897 г. английский физик Чарльз Вильсон (1869 – 1935) открыл, что в воздухе с насыщенным водяным паром электрически заряженные частицы становятся центрами конденсации пара: ион (электрон) притягивает к себе молекулы пара и начинаются образования воды, которые в отличие от пара видны человеческому глазу (пар бесцветен). Так что вдоль всего пути частицы образуется полоска тумана, которая хорошо видна. Если ее ярко осветить, то можно сфотографировать и таким образом получить изображение пути частицы, его длины и формы. На этом и основан прибор – камера Вильсона, за создание которого Ч. Вильсон, впрочем, как и Р. Милликен, за определение заряда электрона, были удостоены Нобелевской премии.

Если бы у Герике находился какой-нибудь радиоактивный элемент и он поместил его в верхний шар своей установки, то тоже смог бы наблюдать пути альфа-частиц, как это изображено на рис. 4 [11].

Список литературы

1. Аристотель, Сочинения в 4-х томах. Т.З. – М., Мысль. – 1991, с.95, с. 355.

3. Жизнь науки. Антология вступлений к классике естествознания. – М.: Наука, 1973, с. 81.

4. Гильберт В. О магните, магнитных телах и о большом магните Земле. – М.: АН СССР, 1956, с. 86.

5. Шарле Д, Серный шар бургомистра. Connect! Мир связи, 2000, № 2. с. 117–119.

6. Дуков В.М. Электрон. История открытия и изучения свойств. М., Просвещение, 1960, с. 157–165.