Сектант электротехнической революции

Майкл Фарадей, английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук

Если верить концепции технико-экономических волн Карлоты Перес, Фарадей родился через двадцать лет после начала первой, промышленной, технологической революции (механизация производства), уже зрелым человеком встретил вторую, связанную с паром и железными дорогами, и умер незадолго до третьей (электричество, сталь, тяжелая промышленность). Этот тот чистый случай роли личности в истории, когда мы наверняка можем сказать, что, если бы Фарадея не было, третья технологическая революция случилась бы с заметным опозданием, так как его работы по электромагнетизму, заложившие основы современной электротехники, были определяющими и уникальными. Пожалуй, ни в одном другом революционном технологическом сдвиге цивилизации нет столь четкой персонификации.

Не менее любопытно и еще одно обстоятельство: электродвигатель, трансформатор, генератор — все эти революционные изобретения сделал человек без особого образования, плохо знавший математику и практически не использовавший в своих трудах формул. Уже значительно позже Джеймс Максвелл оформил (по его собственной скромной оценке) натурфилософские мутноватые рассуждения Фарадея в элегантную систему уравнений, однако машины третьей технологической революции к этому моменту были созданы и работали.

Наконец, третья удивительная вещь, связанная с творчеством Фарадея: придумывая машины третьей технологической революции, он параллельно создал современную физику. Мощь физической интуиции необразованного Фарадея даже не столько восхищает, сколько пугает. Как мог этот подмастерье переплетчика, делавший скромную карьеру лаборанта, создать одну из самых продуктивных концепций современной физики — концепцию поля? Этим же вопросом безуспешно задавались Максвелл и Эйнштейн. Некоторые историки науки считают, что необразованность Фарадея, его незашоренность, в частности ньютоновским дальнодействием, позволили ему сразу считать, что действие передается не через пустоту, а с помощью некоего «силового посредника». Отчасти эту точку зрения разделял и сам Максвелл, замечая в своем знаменитом «Трактате»: «Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие всё пространство силовые линии там, где математики видели центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде, а они довольствовались тем, что нашли его в силе действия на расстоянии, которая прикладывается к электрическим жидкостям».

Роберт Сандеман был шотландским нонконформистским богословом. Его последователи , сандеманианцы, настаивая на буквальном прочтении Библии, утверждали целостность и взаимосвязанность всех вещей, отрицая пустое пространство

Некоторые же идут еще дальше и связывают происхождение фарадеевой концепции силового поля с его принадлежностью секте сандеманианцев, которые, настаивая на буквальном прочтении Библии, утверждали целостность и взаимосвязанность всех вещей, отрицая пустое пространство. Хотя подобные размышления могут завести нас достаточно далеко, следует признать, что и семья Фарадея, и он сам всегда оставались членами этой секты, отколовшейся в восемнадцатом веке от пресвитерианской церкви Шотландии ввиду недостаточной ригоричности последней. В отличие от Галилея, утверждавшего, что книга природы написана языком математики, плохо знавший математику Фарадей утверждал, что на самом деле она «написана перстом Господа».

ПРОДУКТИВНЫЙ МЕДОВЫЙ МЕСЯЦ

Собственно научная карьера Фарадея началась после того, как известный химик и физик Гэмфрид Дэви взял его из переплетной мастерской на должность личного помощника в Королевском институте — ключевом научном учреждении империи. Дэви благоволит молодому самоучке и предлагает ему сопровождать его в длительном путешествии по европейским научным центрам в качестве камердинера. Возможно, иной амбициозный юноша счел бы такое предложение унизительным, но для члена сандеманианской секты, проповедовавшей скромность, граничащую с самоуничижением, оно показалось вполне адекватным, и полтора года Фарадей имел возможность лично общаться с научными звездами Европы.

Он знакомится с Ампером, уже предложившем свою гипотезу кольцевых токов, но из-за незнания математики не оценивает ее; общается с Вольтой и изучает принцип работы вольтова столба. По возвращении в Англию и повышения по службе (он начинает отвечать за работу лабораторного оборудования всего Королевского института) Фарадей приступает к собственным исследованиям, правда, начинает он с химии, и полученных здесь результатов уже хватило бы на звание выдающегося ученого. Ему удается открыть нержавеющую сталь (но металлургов открытие не заинтересовывает — третья технологическая революция еще впереди), выделить из китового масла вещество, которое мы сегодня называем бензолом, сделать пионерские работы по сжижению различных газов, заложив основы криогенной техники.

Толчком к началу занятий над главной темой — электромагнетизмом — послужили, как ни странно, личные обстоятельства. Фарадей влюбляется в Сару Барнард, дочь уважаемого члена секты, сандеманианского пастора. Он делает ей предложение, но сразу оговаривает, что брак должен будет стать не более чем незаметным фоном для его научной работы. Сара, будучи истинной сандеманианкой, проглатывает обиду и дает согласие, но после свадьбы, когда счастливый Фарадей спрашивает, как она хотела бы провести медовый месяц, молодая жена невозмутимо отвечает, что была бы счастлива, если бы муж подготовил к его окончанию обзор последних исследований по какой-нибудь научной теме, а ей есть чем заняться по хозяйству. Обескураженный Фарадей решает подготовить обзор последних открытий в области электричества и магнетизма, и это оказывается поистине судьбоносным для науки решением.

Майкл Фарадей в своей лаборатории. 1850 год. Рисунок Гэрриэт Джейн Мур. Она документировала жизнь Фарадея в акварели

Больше всего Фарадея заинтересовали описания опытов датчанина Ганса Эрстеда, показавшего, что стрелка компаса отклоняется, если рядом с ней помещен проводник с протекающим по нему током. Размышляя над этим, Фарадей сконструировал первый в истории простенький электродвигатель: намагниченный стержень, помещенный в колбу с ртутью, вращался вокруг проводника, по которому пропускался ток, — электричество делало механическую работу! Далее Фарадей задумался о следующем: если в опыте Эрстеда электрический ток производит магнитное действие, то не должна ли природа продемонстрировать симметрию и нельзя ли придумать эксперимент, в котором уже магнит вызывает электрический ток? Эта теоретически ничем не подкрепленная на тот момент идея симметрии между электрическими и магнитными явлениями настолько овладела Фарадеем, что на какое-то время он практически поселился в лаборатории, в которую верная жена приносила ему поесть.

Демонстрация первого электродвигателя Фарадея (1821 год) Слева: намагниченная проволка, погруженная одним концом в ртуть, вращается вокруг проводника с током, расположенного по оси симметрии сосуда Справа: проводник с током, один конец которого погружен во ртуть, вращается вокруг намагниченной проволки, расположенной по оси симметрии сосуда

После серии безуспешных опытов был придуман следующий эксперимент: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки, причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. (Сегодняшний читатель без труда узнает в этой схеме трансформатор.) И вот, когда ток замыкался или прекращался и, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке под влиянием магнетизма возбуждался «наведенный», или индуктивный, электрический ток. Так Фарадей впервые превратил магнетизм в электричество. Еще в одном эксперименте Фарадей быстро вводил магнит в катушку провода и фиксировал в ней появление электрического тока — круг замкнулся, механическая энергия руки двигала магнит, и в результате получался электрический ток. Открытый им закон, известный сегодня как закон электромагнитной индукции Фарадея, был сформулирован в одной фразе и без единого математического символа: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется».

Один из классических экспериментов Фарадея по электромагнитной индукции (1831 год Батарея (справа) вызывает электрический ток в малой катушке (А). Когда мы вдвигаем А в большую катушку (В) или выдвигаем ее из нее, переменное магнитное поле индуцирует в В электрический ток, фиксируемый гальванометром (слева)

Вскоре Фарадей придумал и первый генератор постоянного тока, поместив проводящий вращающийся диск между полюсами магнита (магнитное поле параллельно оси вращения диска). Между центром диска и его краем возникала разность потенциалов. Разместив токосъемники в центре и на краю диска и включив их в цепь, Фарадей получал постоянный ток, который не прекращался, пока было желание или возможность вращать диск. Первый генератор переменного тока (динамо-машина) был сконструирован по описаниям Фарадея несколько позже французским механиком Ипполитом Пикси.

Примерно к этому времени относится и вошедший в анналы ответ Фарадея министру финансов Гладстону, спросившему великого ученого: «Для чего вообще может понадобится это электричество?» Ответ Фарадея был министерски доходчив: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом». Кстати, первый налог на производство электричества в Англии был введен уже в 1880 году — всего через тринадцать лет после смерти первооткрывателя электромагнитной индукции.

ВИЗИТ К КОРОЛЕВЕ

Совпадение это или нет, но практически сразу после открытия первого производства динамо-машин в Бирмингеме сандеманианцы присвоили Фарадею статус почетного прихожанина. Родная секта, довольно равнодушно наблюдавшая его научные успехи, возможно, решила отметить начало их реальной службы на пользу человечества. Фарадея, впрочем, уже влекли новые темы.

После своих выдающихся работ в области электромагнетизма Фарадей занялся электрохимией, открыл законы электролиза и, что не менее любопытно, вместе со своим другом классическим филологом Уильямом Уэвеллом разработал терминологию для этой области науки. Ион, катод, анод, электрод, электролиз — все это результат их совместного лингвистического творчества. Успел оставить свой след Фарадей и в таких отраслях как диа- и парамагнетизм, химия катализа, ему удалось предсказать влияние электромагнитного поля на световое излучение, конечную скорость распространения электромагнитного поля. Он предвосхитил исследовательскую программу Эйнштейна, считая, что в итоге все фундаментальные взаимодействия природы, включая гравитацию, имеют единую основу.

Фарадей объединил линзы Френеля (А и В) с часовым механизмом (М и Р), в результате мигающий свет, видимый моряками, служил для отличия маяка от звезд или береговых огней

Но занимался Фарадей и совсем прикладными задачами — выступал технологическим экспертом в судах, консультировал правительство по научным вопросам, совершенствовал маяки, разрабатывал защиту днищ кораблей от коррозии, правда, наотрез отказался от участия в разработке химического оружия (токсичных газов) для Крымской войны — не позволили религиозные убеждения. Власть на закате жизни относилась к нему с большим уважением, королева Виктория выделила ему покои во дворце и искала его общества (именно отсутствие на одной из сандеманианских служб по причине визита к королеве стоило Фарадею звания старейшины общины — сандеманианцы не сочли это уважительной причиной). Но Фарадей считал, что власть пока не до конца оценила роль и значение ученых и изобретателей в современной истории и был уверен, что, если она не позволит исследовательскому классу участвовать в принятии важных решений, она может поплатиться за это в ближайшую эпоху. Комиссия Британского общества естествоиспытателей обратилась однажды к Фарадею с запросом, какие, по его мнению, средства могло бы употребить правительство для улучшения в Англии положения представителей науки. В ответ Фарадей написал, что, по его мнению, «правительству ради своей выгоды следовало бы ценить людей, служащих стране и приносящих ей честь» и что «во множестве случаев, требующих научных знаний, правительству следовало бы пользоваться учеными; но к сожалению, это не практикуется в таких размерах, в каких могло бы делаться с пользою для всех; очевидно, правительство, еще не научившееся уважать ученых как особый класс людей, не может найти верных путей и средств вступать с ними в сношения и сильно проигрывает от этого».

Alibi sepulti на памятной табличке Фарадея в Вестминстерском аббатстве означает «похоронен в другом месте»

Когда Фарадей умер, королева Виктория намеревалась организовать пышные похороны и погребение великого ученого рядом с Исааком Ньютоном и другими великими деятелями в Вестминстерском аббатстве. Однако он успел по-другому распорядиться своими похоронами, оставив следующую записку: «Скромные похороны, на которых должны присутствовать только мои родственники, самый простой надгробный памятник в самом обычном месте земли». Как истинного сандеманианца Фарадея похоронили на сандеманианском участке кладбища Хайгейт в Лондоне, а рядом с могилой Исаака Ньютона в Вестминстерском аббатстве повесили скромную табличку.