Запланированная випадковість

Запланированная випадковість

Давид Шарле, Хасапов Борис.

Неординарным був шлях до цього відкриттю. Близько ста років блукали вчені багатьох країн поруч із істиною, але трапилося те, що це трапилося. Наш оповідання про те, як невдалі гіпотези відводять дослідників від істини й у той час безглузді припущення призводять до блискучих результатів, підтверджуючи становища такий науки, як логіка, що з неправильних передумов можна прийти до правильним результатам.

В 1600 р. родоначальник науки про електриці лікар У. Гільберт, запропонував речовини, які мають властивістю залучати притяганням себе інші тіла, розділити на дві категорії — тіла електричні і магнітні як які мають кардинально різними властивостями. Натерті електричні тіла притягали себе більшість з відомих речовин (вірніше, їх частинки), тоді як магнітні притягали лише залізо та її руди. У науці така класифікація прижилася і жодних заперечень не зустрічала.

Однако протягом двохсот років при вивченні цих явищ, а вивчалися вони інтенсивно, зазначалося, іноді властивості тіл виявляються разом. І більше того, дослідники стали розуміти, що електричні явища викликають магнітні. То справді був настільки очевидний факт, що ввійшла до підручників фізики того часу, як звісно ж зрозумілий. Наведемо кілька цитат із різних авторів і різноманітних часів.

1. «Неодноразово зазначалося, що блискавка, падаючи поблизу компаса, геть міняє його напрям» /П. Мюссенбрук. Голландія, 1729 р./.

2. «Магнетизм — нічим іншим, як дію електричної матерії» /Д'Алибар. Франція. 1752 р./.

3. «Розрядження батареї, проведене через сталеву стрілку, таку намагничивает» /Р. Адамс. Англія, 1784 р./.

4. «Залізо і сталь стають від блискавки чи то з сильної іскри намагниченными» /Г.К. Ліхтенберг. Німеччина, 1789 р./.

5. «Блискавка робить залізо магнетичним і також виробляє штучне електрику» /А. Стойкович. Росія, 1810 р./.

Таких прикладів можна навести безліч. Цікаво зазначити, що деякі учені навіть спеціально намагничивали компасні голки електрикою. Ось що пише в 1750 р. з Америки Б. Франклін: «З допомогою електрики нам (тут, Філадельфії) часто вдавалося повідомляти голках полярність змінювати її на протилежну» [2].

Можно поцікавитися: що потрібно були ще зробити, щоб відкрити магнітні прояви електрики? Адже вони відкриті і з давніх-давен є надбанням усіх натуралістів!

И все-таки у відповідь це запитання існує. Суть їх у тому, що одержують учені описуваного періоду неправильно пояснювали явища, що відбуваються в металевих провідниках при електричних і грозових розрядах. Щоб переконатися в цьому, звернімося до історії виникнення лейденської банки.

Один із перших электризаторов, які зазнали у собі дію електричного розряду від імені цієї устрою, лейпцігський професор І.Г. Вінклер так описав справді незабутні враження, виготовлене нього. «Я займався рука дивувалася ударом з такою силою, що це тіло здригнулася, як від удару блискавки. Попри те що що посудину, зроблений із тонкого скла, не розбивається і пензель руки звичайно зміщується в такому потрясінні, тим щонайменше лікті і її уражаються настільки страшно, що не можу висловити словами. Я думав, що усе закінчено» [3].

Опыт Вінклера повторювали багато.

Экспериментаторы заявляли, що з електричному розряді через їх тіло вони відчували страшне «потрясіння». Це ж стверджують і наші сучасники, потрапивши під підвищену напруга. «Мене трясло», — свідчать вони про. Фізики на той час вважали, що таку ж «трясіння» відчувають як живі істоти, а й металеві провідники, якими тече електрику. Саме так це оману й стало причиною його настільки запізнілого відкриття, досконалого Эрстедом.

Дело у цьому, що до в XIX ст технологій виготовлення магнітів потреб науку й мореплавання існувало два способу. Один — натиранням стали чи заліза магнітами і той — з допомогою магнетизму Землі.

Вот як описував магнітних справ майстер виготовлення магнітів другим способом: «Головне засіб полягає у порушенні магнітної сили у вигляді наголосів. Для цього я вживав м’яку сталь. Я брав сталеву кочергу чи пруть, тримав його у вертикальному становищі й тихо бив цей пруть кілька разів, що доставляло йому магнітну силу» [4].

Учитывая ці чинники, вчені на той час легко могли уявити собі картину, як електричний розряд, проходячи, наприклад, по сталевої голці, стрясає їх у магнітному полі Землі, чому він і намагничивается.

Вот що писав російський академік Ф. У. Эпинус, до речі, отважившийся підготувати мемуар «Про схожості електричної сили з магнитною».

«Без сумнівів (! — Б.Х.), до тих причин, які можуть опинитися надто вразити частинки заліза, належить електрична блискавка, або вироблена з допомогою лейденської банки, або вырывающаяся із хмари, череватого громом. Стверджуючи це, не сумніваюся, що одержу схвалення всіх, що будь-коли піддавали своє тіло так званому електричному потрясіння. Неважко зрозуміти, чому виходить отже залізні предмети частенько стають магнітними» [5].

Однако, попри всю категоричність заяв Эпинуса, у ньому є і скепсису. «Як як на мене, зі сказаного вище зрозуміла причина те, що завдяки електрики залізні дроту можуть бути магнітними; тому не доводиться шукати будь-яку іншу причину; очевидно, помиляються ті, хто вважає, що це досвід кидає якийсь світло на таємничу зв’язок між електрикою, і магнетизмом. От і готовий визнати, що це заслуговує нового розгляду шляхом дослідів».

Из заяви видатного электризатора слід, що ж усе-таки існували сумнівається серед колег-учених, та й він хотів дослідів, які зроблять його «погляд цілком безсумнівним чи (чегго неправдивість».

С розвитком науки про електриці і появою вольтова стовпа можливості дослідників розширилися. До праці взялися сотні ентузіастів. У тому числі був і Х. К. Эрстед (14.08.1777 — 09.03.1851). Він мав визначено зробити відкриття, що приголомшило вчених, як розряд лейденської банки.

Странички біографії вченого

Начало життєпису Ганса Крістіана Эрстеда не віщує нічого неординарного. Народився він у одному з багатьох островів Данії сім'ї аптекаря. Його початкове освіту навіть можна назвати домашнім. Немец-парикмахер навчає його німецької мови й першим діям арифметики — додаванню і віднімання (інших перукар не знав). Читання і лист хлопчик освоює з допомогою дружини перукаря. Діленню навчив його місцевий пастор, а міської суддя давав уроки французької. Серед інших вчителів можна знайти недоучку-студента і старших товаришів за іграми.

С одинадцяти років Ганс Крістіан вже допомагає батькові в аптеці, де в нього пробуджується інтерес до природних наук і виникає бажання вступити до університету.

Университет у Києві Данії Копенгагені грунтується ще 1478 р., але загальноосвітня культура його дуже низька. Варто сказати, що початку ХVIII століття кафедра фізики у ньому було ліквідовано з тим метою, щоб посилити курс богослов’я [6].

Тем щонайменше в 1794 р. Эрстед як абітурієнта виїжджає до Копенгагена і цілий рік готується до іспитів, які потім успішно витримує. Після закінчення трирічного навчання у університеті Эрстед отримує звання фармацевта вищого щабля. Втім, слово «вищий» ні за чим вона каже. Фізику і хімію, ці фундаментальні для натураліста науки, викладав у університеті за сумісництвом професор медицини. Зрозуміло, який був рівень знань випускника. До речі, під час навчання Эрстед отримує за навчальні твори — роботи з естетиці та медицині - дві золотими медалями.

Еще в студентські роки Ганса Крістіана зацікавили питання філософії, результатом чого стала поява першої друкованої роботи «Метафізичні основи природознавства Канта» у одному з столичних журналів на 1798 р. Ця робота в розширеному варіанті принесла автору (без захисту) ступінь доктора філософії. Зазначимо даний факт як дуже значимий для історії … електрики.

Выпускник-фармацевт влаштовується тимчасовим управляючим одній з модних столичних аптек, але туга викладацької діяльності наводить його до ад’юнкта при університеті. Йому доручається читання двох лекцій на тиждень безоплатно праці. Отже, він повинен продовжувати працювати у аптеці. Ця робота хоч і відволікала наука, але дозволяла використовувати устаткування аптеки як дослідницької лабораторії. Але тут молодий вчений влаштовує собі портативний вольтов стовп, щоб демонструвати студентам гальванічні досліди.

.

Три року викладання на університеті не минаються безслідно. Старанний ад’юнкт був помічений начальством та рибопродукції відправлений у закордонне відрядження підвищення наукової кваліфікації. Спочатку Німеччина, де Эрстед близько знайомиться з декотрими філософами і грунтовно вивчає філософію природи Шилінга. Потім Париж, ика Шарля, хіміка Бертолле, натураліста Кюв'є. Неабияке враження на молодий науковець був виробляють студентські лабораторії Паризької політехнічної школи. Адже рідний Данії таких немає. І його висновок: «Сухі лекції без дослідів, які читають у Берліні, не подобаються мені. Усі успіхи науки повинні починатися з експериментів». Нагадаємо, що це пише доктор філософії, науки, логічні побудови якій традиційно було стоять першому місці.

И все-таки саме у Німеччині відбулася зустріч відрядженого вченого з людиною, талант і якого надав глибоке впливом геть його наукові інтереси. Йдеться «геніальному фантазере» і сумасброде, неординарному фізики й химике Иоганне Вільгельмі Риттере, принциповому стороннике натурфілософії Шеллінга, ідеї якої полягали у тому, що нібито всі сили у природі творяться з одних і самих джерел. Ці стану та зацікавили Эрстеда.

Молодые вчені, погляди якого повною мірою збігалися, проводили як спільні досліди, а й близькими друзями. Експерименти проводилися на тему зв’язку електрики коїться з іншими фізичними явищами. Що було відомо про цьому науці на той час?

1. Електрика могло виробляти механічну роботу. (Натертий бурштин притягує легкі тіла. Явище відомо сотні років.).

2. Електрика давало світ і звук. (Електрична іскра.).

3. Електрика давало тепло. (Гальваническое раскаливание дроту.).

4. Електрика можна пробувати на смак, він справляє інші фізіологічні дії.

5. Електрика має хімічним дією. (Тут крім дослідів з розкладання води Ріттер як першовідкривач чудово знає про хімічному походження гальванизма.).

Все підходило під побудова положень філософії Шеллінга. Тільки магнетизм у ці рамки не вписувався. Звісно, залізні провідники намагничивались іноді електрикою, але ці відбувалося за поняттям науки ХVIII століття від механічних проявів електрики (потрясіння частинок заліза).

.

Но відповідно до філософським побудов Шеллінга зв’язок між електрикою, і магнетизмом мала існувати, і це знадобилося довести. Ось що записав тоді Эрстед: «Моє міцне переконання, що велике фундаментальне єдність пронизує природу. Коли ми переконались у цьому, подвійно необхідно привернути нашу увагу до світ розмаїття, де цей істина знайде своє єдине підтвердження. Якщо ми зробимо цього, єдність саме собою стає безплідним і порожнім міркуванням, провідним до неправильним поглядам».

В 1804 р. Эрстед повертається у Данію. Але з роботою у університеті в нього все було гаразд. Він прогнозувати державну оплачувану посаду. Проте, коли Эрстеду доручили відати колекцією фізичних і хімічних приладів, що належать королю (зрозуміло, що), а читати приватні лекцій з фізики й хімії.

Если врахувати, що у Парижі він, за його словами, «щодня изучавыступлений був значно доступніший. «Мої лекцій з хімії, — писав початкуючий лектор, — приваблюють стільки слухачів, що не можуть поміститися до аудиторії».

Именно цими лекціями Эрстед довів адміністрації університету своє право оплачувану штатну посаду. У 1806 р. він працює екстраординарним професором фізики, до функцій якого входило екзаменувати кандидатів з філософії, і навіть викладати фізику і хімію студентам-медикам і фармацевтам. «Відтепер, — писав вже штатний професор, — 2004 року одержав привілей заснувати фізичну школу у Данії, на яку сподіваюся знайти серед студентів багато людей».

После цього призначення фізика було визнано повноправною дисципліною в Копенгагенском університеті. І за років з його вихованців Нільс Бор (1855 — 1962) стане однією з творців сучасної квантової фізики. А 1936 р. Американська асоціація викладачів, враховуючи лекторські таланти Эрстеда, присуджує медаль Эрстеда «За видатні заслуги в викладанні фізики» найвидатнішою професорам всіх країн світу [7].

В 1812 р. Эрстед знову виїжджає зарубіжних країн — до Берліна й Париж. І він пише роботу «Дослідження ідентичності електричних і хімічних сил», де намагається показати, що магнітний ефект виробляється електрикою. Ця робота свідчить у тому, автора продовжує керуватися своєї філософської концепцією, хоча, за словами істориків фізики, «ця філософія скоріш гальмувала, ніж рухав уперед його наукове розвиток».

В 1815 р. король Данії надав свою колекцію фізичних приладів у розпорядження університету. Неважко уявити радість Эрстеда: «Я володію тепер прекрасними приладами й можу вдало виробляти будь-які експерименти». Таки з 1817 р. сьогодні вже ординарне професор починає бути завідувачем кафедри фізики та приєднується до правління університету.

Педагогическая навантаження у Эрстеда була надмірно великий. Матеріальні труднощі змушували його брати додаткову викладацьку роботу понад основний. Це зіграє своєї ролі у великій відкритті, але й корисно експериментальної роботі: «Мої фізичні дослідження йдуть паралельно моїм лекцій».

Ничто не віщує відкриття. У 1818 — 1819 роках Эрстед досліджує мінерали острова Борнгольм, одночасно читаючи лекції на університеті, і підробляючи вечорами під час занять з аспірантами. В одному з цих занять 15 лютого 1820 р. Эрстед демонструє слухачам досвід, де магнітна стрілка, подносимая на висновках вольтова стовпа, не реагує на електричний заряд полюсів. І тоді у нього спадає на думку «спробувати встановити вплив дроти, НАГРІТОГО електричним струмом», на магніт [8]. Эрстед замикає провідником полюси вольтова стовпа і … Тут свідчення самовидців розходяться. Хтось каже, що швейцар інституту, інші - що з аспірантів зауважив, зараз замикання дротом полюсів стрілка який перебуває поруч компаса відхилилася (мал.1). Він переймався маніпуляціями скручування дротів. І це спостережний очевидець негайно доповів звідси лектору. Тепер і саме викладач неодноразово міг пересвідчитися в обнаружившемся феномен.

Так відбулося відкриття, якого вже солідний учений йшов довгі роки.

Эффект легко відтворювався. І Эрстед вирішує продовжити дослідження, у спокійній обстановці - до лабораторій.

Момент істини

Еще з 1817 р. у розпорядженні Эрстеда була велика гальванічна батарея, зроблена ним спільно зі своїм іншому, радником королівського суду, Эсмархом. Батарея складалася з 20 мідно-цинкових пластин, кожна площею 10 на 10 дюймів, т. е. 650 см². Ця батарея швидко раскаляла замикаючі її зволікання. Невдовзі експериментатор помітить, що джерело струму може бути менш потужний, а температура нагрітої дроту позначається на результатах досвіду.

В досвідчених пошуках Эрстеда крім Эсмарха беруть участь президент Датського королівського суспільства Влейгель, професор естетики Гаух, професор природною історії Рейнгардт, хімік-органік Цейзе. Втім, досліди виробляв в основному.

Эрстед, а останнім демонстрував ті, у яких йому «вдавалося спостерігати якесь чудове явище» [9].

Для початку Эрстед повторив умови свого лекційного досвіду, та був став їх змінювати. І тоді виявилося. «Якщо відстань від дроту до стрілки не перевершує ¾ дюйма, відхилення становить 450. Якщо відстань збільшувати, то кут пропорційно зменшується. Абсолютна величина відхилення змінюється в залежність від потужності апарату». (Використовуючи це повідомлення, А. М. Ампер невдовзі запропонує з його принципі магнитоэлектрический гальванометр, роль що його розвитку електричної науки важко перебільшити.).

Дальше почалися взагалі дива. Експериментатор вирішує перевірити дію провідників із різних металів на стрілку. І тому беруться дроту з платини, золота, срібла, латуні, свинцю, заліза. І на диво! Метали, які будь-коли виявляли магнітних властивостей, ставали хіба що магнітними, коли них протікав електричний струм.

Эрстед став екранувати стрілку від дроти склом, деревом, смолою, гончарної глиною, каменями, диском электрофора. Екранування зірвалася. Стрілка завзято відхилялася. Відхилялася навіть, коли її помістили у судину з водою. Не забарився висновок: «Така передача дії крізь різні речовини не спостерігалася у звичайного електрики і електрики вольтаического». Отже, це були не електричне, а суто магнітне дію!

Когда сполучну дріт Эрстед ставив вертикально, то магнітна стрілка не вказувала її у, а розташовувалася нібито за діаметру окружності з центром по осі дроту (рис. 2). Дослідник запропонував вважати дію дроту із течією ВИХРОВИМ, оскільки саме вихрам властиво діяти в протилежних напрямах двома кінцях одного діаметра.

Уже у червні 1820 р. Х. К. Эрстед друкує роботу під заголовком: «Досліди, які стосуються дії електричного конфлікту на магнітну стрілку». У ньому учений пише резюме: «Основний вихід із цих дослідів у тому, що магнітна стрілка збочує з свого становища рівноваги під впливом вольтаического апарату і це ефект проявляється, коли контур замкнутий, і не проявляється, коли контур розімкнений. Саме тому, що контур залишався розімкнутим, не увінчалися спроби таке ж, зроблені кілька років тому відомими фізиками».

Так оце, виявляється, була секрет! І грозової розряд, замикаючи ланцюг між зарядженим хмарою і «землею», утворював навколо себе магнітне полі, і намагничивал предмети. Так само робив розряд лейденської банки, примушуючи текти електричні заряди через сталеву голку. Втім, щодо останнього не усе було просто. Пізніше виявиться, що розряд лейденської банки має коливальний характері і це викликало труднощі. А гальванічними елементами усе було дуже просто. Ніяких складностей. Май джерело струму, шматок дроту, компас і … переконуйся є у висновках Эрстеда.

Знаменательными у роботі даного вченого є визнання, які свідчать, що його натурфилософские ідеї були ні до чого, коли він зробив відкриття. «Я не буду укладати подробиці тих ідей, — пише Эрстед, — що керували мною при моїх дослідженнях, оскільки не може сприяти з’ясуванню отриманого результату. Я обмежуся лише фактами, які цей результат очевидним».

Действительно, факти — уперта річ, і після дослідів Эрстеда ставили науку в скрутне становище. Здавалося, все досить просто, але з експериментів слід було, що сила, діюча між магнітним полюсом і струмом в провіднику, спрямована за що з'єднує їхньої прямої, а, по нормальний до цієї прямий, т. е. перпендикулярно. Це брав під сумнів всю ньютонианскую систему побудови світу. Це відчули відразу перекладачі, переводившие французькою, італійський, німецький і англійська мови латинський текст датського вченого. Найчастіше, зробивши буквальний переклад, який відрекомендовувався їм незрозумілим, вони наводили в примітках латинський оригінал [10].

В своєї знаменитої роботі автор намагається виробити правило, з допомогою якого було заздалегідь визначити напрям магнітного дії сил, що виникають у провіднику під час проходження у ній електричного струму. Передбачити подія, які мають статися за певних умов, — і є завдання фундаментальної науки.

Вот цього правила: «Полюс, який бачить негативне електрику що входить з себе, відхиляється на захід, а полюс, який бачить його що входить під собою, відхиляється на схід».

.

Прочитав таке правило, сучасна людина відчуватиме легке замішання. Понад те, що з магнітів двома полюсами — північний і південний, а не написано — який, та ще й виходить, що це полюси бачать. Эрстед і саме розуміє недосконалість формулювання і пише далі: «Щоб чітко уявити собі цього закону і бачити, як і цілком узгоджується з фактами, повторення дослідів краще будь-яких пояснень».

Ну аякже бути з зором у магнітних полюсів? Теж нічого містичного. Просто Эрстед намагається дати мнемонічне правило для кращого запам’ятовування процесу. Воно вдається в нього чітким, зате удосконалювалося такими поколіннями.

Послесловие

Плохое знання передісторії відкриття Эрстеда став приводом до неприємного інциденту, подій у академічному журналі «Успіхи фізичних наук».

В грудневому числі журналу (1950, тому 42, вип. 4) була надруковано статтю «Відкриття зв’язку електричних і магнітних явищ І.А. Двигубским». Автор статті В.І. Лебедєв, посилаючись на можливість підручник московського професора І.А. Двигубского 1808 р. видання, наводить опис досвіду намагничивания залізної стрілки при розряді лейденської банки і робить висновок: «Отже, можна стверджувати, перші експерименти, які у базі вчення про электромагнетизме, було здійснено Росії».

Опровержения не забарилися. Автору і редакції журналу було зазначено читачами, що «досліди по намагничиванию сталевих голок розрядом лейденської банки проводилися багаторазово протягом усього другої половини ХVIII століття. Не підлягає жодному сумніву, що І.А. Двигубский обізнаний із цими роботами і перешкодив б собі на настільки застаріле відкриття, та й отримати нього зовсім». Вся річ у тому, що дослідники на той час, «хоча і дію розряду на магнітне стан стрілки, не виводили від цього ніякої залежності».

Приведенные рядки належать радянському професору Я. Г. Дорфману, згодом автору двотомної «Всесвітньої історії фізики». Наведемо також заключний абзац листа до редакції історика фізики.

«Статья В.І. Лебедєва можна використовувати виключно на шкоду питання пріоритеті російських учених; це потрібно сказати з усією ясністю. Історія науки є теж наука, що потребує кропіткої і скрупульозної роботи над першоджерелами. Гонитві за легкої сенсацією нема місця у радянській історичної науки». Для 1950;х років що це дуже сміливі слова. Ще були ще живі насамперед Сталін і Берія, а ті часи стаття з цими «пріоритетами» була єдиною.

Редакция журналу вважала «за свій обов’язок вибачитися читачам за приміщення неперевірених материалов».

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.