И, наконец, последний из созвездия, формально не входивший в "Общество", Ампер. Последний, разумеется, лишь по порядку, но не по той роли, которую его труды сыграли в истории науки, может быть, стоит даже сказать - человеческой цивилизации.
"Этот докучливый умник Ампер"
Известие о его смерти не было воспринято современниками слишком драматически...
А сейчас есть город Ампер, железнодорожная станция Ампер, научно-исследовательский центр имени Ампера, музей Ампера, "Общество друзей Ампера". Наконец, в международной системе единиц среди четырех главных единиц - метра, килограмма, секунды, ампера - лишь одна единица названа в честь ученого.
Только специалисты знают сейчас имя его сына литератора Жан-Жака Ампера, а когда-то отец был совсем мало известен, зато имя сына знал чуть не каждый. В чем-то справедливы слова знаменитого некогда Шатобриана, покровителя Жан-Жака: "Поэт с несколькими стихами уже не умирает для потомства... Ученый же, едва известный в продолжении жизни, уже совершенно забыт на другой день смерти своей..."
Мировая слава Ампера началась с того памятного немногим заседания Международного конгресса электриков в 1893 году, когда термин "ампер" был официально введен в нашу речь в качестве одной из основных единиц электротехники - единицы силы электрического тока.
Бронзовый Ампер, восседающий сейчас на одной из площадей своего родного города Лиона, вряд ли похож на настоящего, живого Ампера - тот был человек из плоти и крови, он "скорее был уродлив, чем некрасив, одевался плохо и был явно неряшлив, всегда ходил "на всякий случай" с большим зонтом, был неуклюж и неловок"8.
Андре-Мари Ампер.
Жизнь его с самого начала складывалась неудачно. Отец, мировой судья в Лионе, во время революции 1789 - 1793 годов был казнен на гильотине, хотя, казалось, всегда действовал с лучшими намерениями. "Я сомневаюсь, чтобы... нашелся хотя бы один гражданин, который был бы предан отечеству, как я... я всегда добросовестно относился к моим обязанностям и болел за дело..." - писал он жене перед казнью. В том же письме он описывает и неблагоприятное состояние семейных финансов: "Самым большим моим расходом была покупка книг и геометрических приборов, без которых мой сын не мог бы обойтись".
Андре-Мари получил волей несчастного отца хорошее образование, хотя не посетил ни одного класса школы. Он увлекался математикой, тринадцати лет он даже представил в Лионскую академию наук свое решение задачи о квадратуре круга, задачи, как известно, принципиально неразрешимой. Он, как и его отец, увлекался литературой, сохранилось большое число стихотворений Ампера, даже писем в стихах. Увлекался он механикой, химией, греческим языком, ботаникой, усовершенствованием конструкции воздушных змеев - это уже явно под впечатлением недавних опытов Франклина.
Время юности Ампера - время великих открытий в области электричества. Эксперименты Франклина были проведены, когда Амперу было шестнадцать, первая статья Вольта о гальваническом электричестве появилась, когда Амперу двадцать пять. В это же время по приказу Наполеона Французская академия наук объявляет конкурс с большими премиями за работы в области вольтаического электричества.
Естественно, что все эти события не могли оставить увлекающегося Ампера невозмутимым и уже со времен франклиновых опытов Ампер то и дело возвращается к электричеству.
У двадцатисемилетнего Ампера уже намечаются в самом общем виде те идеи, благодаря которым он через много лет приобретет признание, выразив их в неожиданной и яркой форме языком новой науки - электродинамики.
Некоторые исследователи придерживаются эффектного мнения о том, что вся электродинамика Ампера была разработана в течение двух недель, непосредственно следовавших за демонстрацией в Париже опытов Эрстеда. Однако вряд ли это так. Вопросы связи электричества и магнетизма занимали Ампера еще за двадцать лет до того дня, когда его посетило озарение. И все эти двадцать лет его идея находилась с ним, он думал о ней, может быть, не непрерывно, но достаточно настойчиво. Может быть, такое состояние можно сравнить с хранением пороха в крюйт-камере: там взрыва не будет до тех пор, пока не возникла искра; или еще лучше - с накоплением ядерного горючего, которое. взрывается, когда его количество превосходит критическую массу. Материал - мысли и эксперименты, раздумья и беседы до поры до времени спокойно накапливались у Ампера. Быть может, не хватало лишь немногого до создания "критической массы" знаний.
Откуда это известно? Из раздобытых исследователями творчества Ампера документов следует, что однажды, а именно 24 декабря 1801 года, Ампер присутствовал на докладе Вольта в Лионской академии, и не только присутствовал, но и отважился (после невероятно знаменитого тогда Вольта!) в свои двадцать шесть лет прочесть собственный мемуар - наброски системы, которая должна была бы объединить самые разрозненные отрасли физической науки в одно стройное знание. В нем электричество и магнетизм сводились к одним и тем же неправильным механистическим представлениям. Бесстрастный язык академического протокола фиксирует, что Ампер после Вольта выглядел не очень-то блестяще; кроме того, шепелявость и глухой голос Ампера не способствовали эффекту его выступления.
Таким образом, Ампер интуитивно видел какие-то общие, хотя и неверные, корни, связывающие, или, точнее, питающие и электричество и магнетизм.
К такому же выводу можно прийти, просмотрев черновик речи (к ней он долго готовился), которой Ампер начал чтение в Лионе курса физики: "Нам, пожинающим плоды трудов гениев, не разделяя их славы, следует, я полагаю, особенно стараться свести к минимуму число принципов, объясняющих все физические явления".
Мы теперь знаем, что Амперу именно таким путем удалось "разделять славу гениев".
Однако заняться электричеством в те годы Амперу не пришлось, несмотря, в частности, и на желание получить премию имени Вольта. Он увлекся математикой, где выполнил некоторые работы, связанные с такой модной теперь теорией игр, и именно благодаря математическим успехам стал довольно быстро двигаться по академической лестнице славы.
Ампер славился своей рассеянностью. Про него рассказывали, что однажды он с сосредоточенным видом варил в воде три минуты свои часы, держа яйцо в руке. Другой часто приводимый случай: Ампер шел по улице, производя, как всегда, в уме сложные расчеты. Он ничуть не удивился, когда прямо перед ним возникла прекрасная черная доска, спокойно достал из сюртука непременный кусок мела и стал записывать результаты; он не удивился и тогда, когда доска начала двигаться вперед, и для того, чтобы поспевать за ней, ему пришлось идти, а затем... бежать. Доска оказалась задней стенкой кареты.
Он стал академиком в тридцать девять лет, причем в избрании его работы по магнетизму и электричеству не играли ни малейшей роли - их, по существу, не было. Избран был Ампер по секции геометрии за работы в области математики и химии. Он стал одним из "бессмертных", стал на один уровень с Лапласом, Пуассоном, Фурье, Монжем, Коши, Араго, Био, Гей-Люссаком, Френелем, Саваром. Его влияние и широта взглядов неизмеримо возросли. Его "ядерное топливо" продолжало накапливаться, лишь каких-то граммов не хватало уже для мощной реакции.
Недостающие граммы добавил друг Ампера, много раз уже упоминавшийся Доменик-Франсуа Араго, показавший в Академии ошеломившие Ампера опыты датчанина Эрстеда. Об этом в протоколах академии сохранилась краткая запись: "...г. Араго повторил перед академией опыты г. Эрстеда...". Запись эта датируется 11 сентября 1820 года.
От этого дня отсчитываются две недели, в течение которых цепная реакция в мозгу Ампера все-таки произошла, в течение которых мозг Ампера непрерывно генерировал потоки новых идей и которые обеспечили ему такую славу через многие годы.
Но перед тем как перейти к описанию двух лихорадочных недель, нам нужно вернуться на несколько месяцев назад, с тем чтобы присутствовать на некоей знаменитой лекции, где профессор Эрстед случайно (в том смысле случайно, в котором только и можно говорить о научных открытиях, "созревших" для того, чтобы их сделать) обнаружил родство двух сил, которые раньше столь настойчиво отделялись друг от друга после Гильберта, указавшего, и совершенно справедливо, на принципиальные различия между магнитными и электрическими явлениями. Теперь же логика развития науки привела к тому, что явления вновь объединились, но уже на основе новых представлений - представлений Ампера. Спираль описала свой завиток, поднявшись выше на неизмеримо более высокую ступеньку познания.
Но поспешим же, дорогой читатель, скорее в лаборатории и лекционные залы, на корабли и к ящикам с сокровищами, к растерянным хозяевам и коварным молниям, приведшим и Эрстеда, и многих других к решению загадки!
Корабли, компасы, случайности
Однажды Доменик-Франсуа Араго, блестящий и необыкновенно темпераментный ученый - вы уже читали о нем, - видел, как на рейде Пальмы, главного порта Майорки, появилось французское военное судно "Ля-Ралейн". Состояние его было настолько жалким, что судно едва дошло своим ходом до причала. Это было в 1808 году, после грандиозного поражения французского флота под Трафальгаром и установления Францией "морской блокады" ненавистной Англии. Слово "англичане" было на устах у всех, наблюдавших печальную картину. Однако когда команда сошла на берег и на борт поднялось несколько именитых французов, в том числе и Араго (Араго в свои двадцать два года уже мог считаться "именитым" - ведь всего через год его за большие научные заслуги изберут академиком!), выяснилось, что англичане в данном случае были ни при чем, а все разрушения на корабле были причинены молнией. Пока комиссия ходила по кораблю, наблюдая сгоревшие мачты и надстройку, Араго поспешил к компасам и там увидел примерно то, что и ожидал: стрелки компасов были перемагничены молнией.
Через год, копаясь в том, что еще несколько дней назад было генуэзским судном (оно разбилось, наскочив на скалы вблизи алжирских берегов), Араго снова обнаружил, что стрелки компасов были перемагничены. В кромешной тьме южной ночи капитан, направив судно по компасу к северу, подальше от опасных мест, на самом деле неудержимо двигался к тем опасностям, которых старался избежать, - он шел к югу, обманутый магнитным компасом, пораженным молнией...
Нужно сказать, что Араго очень упорно искал подобные случаи и в конце концов собрал довольно большое их количество. Вот несколько выдержек из богатой коллекции:
Английское судно "Дувр" 9 января 1748 года на 47 градусах 30 минутах северной широты и 22 градусах 15 минутах западной долготы попало в сильную грозу. Ударом молнии расщепило грот-мачту, обожгло частично палубу, некоторые каюты, борта. Капитан Уэддел, сверив По звездам направление стрелок компасов, убедился, что все они - перемагничены, все четыре; лежавшие невдалеке стальные и железные предметы были также сильно намагничены.
Около 1775 года два английских судна двигались параллельными курсами из Лондона в Барбадос. На широте Бермудских островов корабли разметало штормом один из них был поражен молнией, она сломала мачту и изодрала в клочья паруса. Другое судно не пострадало. Капитан его с удовлетворением осматривал после грозы лишь освеженную дождем палубу, но был несказанно удивлен, увидев, что первое судно сменило курс и двинулось обратно в Англию. Однако вскоре оттуда прибыл матрос, опрашивающий, почему второе судно решило идти назад, в Англию? После бурной сцены выяснения отношений компасы обоих судов были подвергнуты тщательной проверке - выяснилось, что у судна, пораженного молнией, полярность стрелки компаса переменилась на обратную, и капитан судна плыл на восток, будучи в полной уверенности, что плывет на запад.
В коллекции Араго - рассказ весьма известного тогда ученого Бойля (помните "закон Бойля - Мариотта"?). В июле 1781 года корабль "Альбермал" находился в ста километрах от мыса Кейп-Код. Когда наступила ночь, то оказалось, по положению на небе звезд, что на корабле, накануне пораженном молнией, из трех компасов два вместо того чтобы показывать на север, как прежде, указывали на юг, а прежде северный конец третьего компаса направлен был к западу.
Компасы, однако, не были единственными жертвами молний. Так, в ночь с 21 на 22 февраля 1812 года молния поразила корабль "Голимин". В результате все стальные части часов с репетицией, стоявших в головах спящего капитана, сильно намагнитились, а сам капитан был ранен в голову. Шрам на капитанской голове через некоторое время бесследно исчез, чего не скажешь о приобретенном магнетизме часов - они и через тридцать лет безбожно врали.
Приводит Араго и примеры "сухопутные". Он рассказывает, что когда-то молния ударила в лавку одного шведского сапожника. Все его немудрящие сапожные инструменты и гвозди так намагнитились, что то и дело в неподходящие моменты прилипали друг к другу. И пришлось сапожнику распрощаться со своими любимыми инструментами.
А вот и обещанные читателю сокровища. Они лежали в сундуке уэкфильдского купца и состояли из весьма ценных по тем временам (дело было в году 1731) столовых принадлежностей, а предназначены были для отправки в новую английскую колонию - Америку. После удара молнии часть предметов расплавилась, а часть очень сильно намагнитилась.
Все эти на первый взгляд малозначащие факты Араго собирал не зря. Только отгремели франклиновские и русские (Ломоносова и Рихмана) эксперименты с молнией. Молния - это гигантская электрическая искра! Сейчас нам трудно почувствовать сенсационность такого заявления, но в то время многие простые люди, не то что ученые, восторженно приветствовали открытие Франклина: оно, кроме того, открывало путь в область новых "серендипити" - открытий на каждом шагу. Араго, собравший множество фактов, свидетельствующих о связи молнии с магнетизмом, чувствовал, что он - на пороге какого-то нового открытия. Однако он не видел, как можно соединить молнию с магнетизмом, показать, так сказать, магнитную природу молнии, как Франклин показал ее электрическую природу.
Радость и досада - вот, возможно, те чувства, когда он увидел решение долго не дававшейся ему задачи. Решение, найденное другим...
Имя его - Ганс Христиан Эрстед, профессор химии копенгагенского университета. Нельзя сказать, что имя Эрстеда было Араго неизвестно. Члены Аркюэльского кружка принимали в 1801 году двадцатичетырехлетнего доктора философии, скверно говорившего по-французски, занимавшегося неизвестно чем. В частности, он когда-то получил золотую медаль за исследование "Границы поэзии и прозы", а кончил университет фармацевтом. Особых почестей оказано тогда Эрстеду, разумеется, не было. Он путешествовал по Европе и, в частности, по Франции не как Вольта или Гершель, визиты которых поддерживались честолюбивым французским правительством, а просто как молодой странствующий ученый, желающий свести кое-какие знакомства в научных кругах. В Германии он познакомился с довольно известным физиком Иоганном Вильгельмом Риттером, прославившимся, во-первых, изобретением аккумулятора, а во-вторых, своим редким талантом "наводить тень на плетень" - запутывать относительно ясные вопросы. Французские "трофеи" Эрстеда были так же значительны - это наиболее видные аркюэльцы, в том числе Араго, Лаплас, Бертоле, Био, Савар и многие другие. Для того чтобы сейчас познакомиться с таким количеством светил, не хватило бы, наверное, нескольких жизней.
Ганс Христиан Эрстед.
Особенно большое впечатление произвели на Эрстеда опыты Вольта, а также их повторение и развитие Риттером. Не был совершенно безразличен молодой плохо обеспеченный Эрстед и к наполеоновской "Премии имени Вольта". Но главное - то, что он "чувствовал открытие", как ищейка, идущая по следу, он знал, что открытие - рядом.
Открытие носилось в воздухе. Риттер в своем письме Эрстеду, осмелев, даже назвал дату предстоящего "великого открытия", - 1820 год. Он был прав, как никогда, и совершил его именно Эрстед.
Эрстед видел цель, он шел к ней напролом. Его соображения не были похожи на соображения Араго. Эрстед увидел сходство электрических и магнитных явлений. Он за несколько лет до своего открытия прямо поставил цель: "Следует испробовать, не. производит ли электричество... каких-либо действий на магнит..." Соображение было простым: электричество может производить свет искру, звук - треск, наконец, оно может производить тепло - проволока, по которой идет ток, нагревается. Спрашивается, не может ли электричество производить магнитных действий, или, как выражался Эрстед, производить действия на магнит "как таковой". Говорят, Эрстед не расставался с магнитом, который должен был непрерывно напоминать ему о необходимости думать в этом направлении. Магнит совершил, видимо, немало километров в Эрстедовом сюртуке, пока... Нет, магнит Эрстеду так и не пригодился.
Открытие произошло почти случайно.
15 февраля 1820 года9 Эрстед, уже возмужавший сорокатрехлетний профессор, читал своим студентам в копенгагенском университете лекцию, по ходу которой он хотел продемонстрировать очень интересное по тем временам (да, впрочем, и сейчас) свойство электрического тока нагревать проволоку, по которой он проходит. Это была великолепная случайность - рядом с проволокой, на которую были устремлены глаза студентов, оказался компас, в общем-то не имевший прямого отношения к теме лекции. И один из зорких студентов обратил внимание, что в то время, как в проволоке проходит ток, стрелка компаса вздрагивает и немного поворачивается. Имени студента мы не знаем, да и вряд ли знать должны. Он лишь указал профессору на непонятное явление в надежде получить ответ. И для профессора явление было столь же неожиданным. Но очень и давно желанным впервые ясно открылось человеку прямое действие электрического тока на магнит, увидеть которое он уже много лет стремился.
Можно ли назвать это открытие случайным? Оно, конечно, было бы сделано и в том случае, если бы не было лекции 15 февраля, если бы не было случайно положенного компаса, если бы прогулял лекцию востроглазый студент, если бы не существовало даже самого Эрстеда. Но "...история носила бы очень мистический характер, если бы "случайности" не играли никакой роли. Эти случайности входят, конечно, и сами составной частью в общий ход развития, уравновешиваясь другими случайностями. Но ускорение и замедление в сильной степени зависят от этих "случайностей", среди которых фигурирует также и такой "случай", как характер людей, стоящих вначале во главе движения"10.
Придя домой после лекции, Эрстед тут же принялся за описание и объяснение явления, наблюдавшегося в аудитории. Его "памфлет" на латинском языке, состоящий всего лишь из четырех страничек, содержал в нескольких строках описание наблюдаемого явления, а на остальном пространстве - ошибочное объяснение его. Вышел он в свет 21 июля 1820 года (мы не случайно датируем здесь так точно - события в дальнейшем будут развиваться в весьма непривычном для неторопливой тогда науки темпе).
Через несколько дней "памфлет" появился в Женеве, где в то время Араго был с визитом. Первое же знакомство с опытом Эрстеда показало Араго, что разгадка, над которой он бился, найдена. Если молния - это электрический ток, то в таком своем качестве она вполне может влиять на компасные стрелки.
Араго, не выезжая из Женевы, повторяет перед де-ля Ривом и Пикте (запомните, читатель, эти имена - нам они еще не раз встретятся) опыты Эрстеда и убеждается в полной его правоте. Затем опыты были показаны в августе 1820 года де-ля Ривом на заседании съезда естествоиспытателей и врачей, ради которого Араго, собственно, и прибыл из Парижа. Опыты произвели на собравшихся ученых столь сильное впечатление, что один из них произнес непроизвольно:
- Господа, происходит переворот!