Нет на свете ничего практичнее хорошей теории

В затемненном покое крутится на токарном станке укрепленный стеклянный шар. Нога в грубом черном башмаке и белом чулке упруго нажимает на педаль. Большие ладони скользят по гладкой стеклянной поверхности. Из шара вытянут насосом воздух. И вот разреженное пространство внутри стеклянного шара начинает светиться... "Что видимое сияние в месте, лишенном воздуха, произведено быть может, в том мы искусством уверены..." - запишет позже экспериментатор в тетради. И добавит: "Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает, которые в мгновение ока исчезают, и в то же время новые на их места вскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется. В северном сиянии всполохи или лучи;., вид подобный имеют..." Это писал Михаил Васильевич Ломоносов. Немало времени провел он в "електрической каморе" - в физической лаборатории, где стояли академические приборы.

Долгое время существовало предположение, что полярные сияния происходят в самой атмосфере. Но однажды в Петербурге, "учинив сравнение с ними" высоты зари, вывел он, что "вышина верхнего края дуги около 420 верст" (примерно 450 км). А это означало, что полярные сияния происходят выше воздушного слоя.

Сегодня специалисты установили, что нижняя граница полярных сияний находится примерно в сотне километров от поверхности Земли и простирается вверх на 100-200 километров, а может подниматься и до 400, 600, а то и до 1000 километров над Землей.

В 1751 году на заседании Конференции Академии наук Михаил Васильевич говорил об электрической природе наблюдаемого явления. Интересно отметить, что Франклин пришел к той же мысли почти одновременно с Ломоносовым. А епископ Бергена Э. Понтопидан, занимавшийся в то же время вопросами натурфилософии, очень образно сравнил Землю с вращающимся стеклянным шаром электрической машины. При этом электрические заряды такой машины он уподоблял вспышкам полярных сияний. Такой вывод в то время был далеко не очевидным. И предположения шведского физика и астронома А. Цельсия о том, что полярные сияния это не что иное, как отблески снегов, лежащих на горных вершинах, казались современникам значительно более убедительными.

Ломоносов был очень приметливым человеком. Но основные его воспоминания о полярных сияниях основывались на детских и отроческих впечатлениях, пока он "жил до возраста в таких местах, где северные сияния часто случаются". И теперь, объявляя сходство их с электрическими разрядами, он считал, что "електрическая сила, рождающая северное сияние", обязана своим существованием тому же трению, только не ладоней о стекло, как в лаборатории, а воздушных потоков друг о друга. Для объяснения полярных сияний это было неверно, по какие далеко идущие аналогии можно вывести из этого предположения, рассматривая, в частности, современный механизм образования грозы.

"Нет ничего практичнее хорошей теории", - говорим мы сегодня, в конце XX столетия. Двести лет тому назад теория с практикой были связаны не столь тесно. В науке об электричестве еще не были открыты даже основополагающие законы, не существовали те основные понятия, которыми мы пользуемся теперь. Хорошая теория электричества была крайне нужна, чтобы от гипотез о механизме электрических явлений перейти наконец к прогрессивной ньютоновской программе - к нахождению механической силы, измеряющей взаимодействие между наэлектризованными телами.

Потому и возникло предложение Петербургской Академии- "сыскать подлинную електрической силы причину и составить точную ея теорию".

В ту пору, как писал француз Лемонье в статье "Электричество", помещенной в знаменитой "Энциклопедии", издававшейся Д. Дидро, "мнения физиков относительно причины электричества расходятся: все они, впрочем, согласны в том, что существует электрическая материя, которая более или менее собирается вокруг наэлектризованных тел и которая вызывает своими движениями наблюдаемые нами электрические явления, но каждый из них по-разному объясняет причины и направления этих различных движений".

Во Франции теорию Франклина о существовании электрической жидкости, "электрической субстанции", обходили молчанием. Не одобряли ее и в России. Ломоносов и Рихман были противниками ньютонианских сил, предпочитая взгляды Декарта о существовании вихрей во всемирном эфире. По этой причине не соглашались они и с Франклшговой теорией.

К 1756 году, когда окончился срок конкурса, в Академию поступило довольно много работ. Лучшей была признана присланная из Берлина и подписанная именем Иоганна Эйлера, сына великого математика. Сам Леонард Эйлер права участвовать в конкурсе не имел, поскольку являлся членом Собрания Петербургской Академии. Однако, после того как результаты конкурса были объявлены и работа получила премию, Эйлер признался в обмане - ученые записки принадлежали ему. Свои рассуждения Эйлер строил на предположении, что сверхтонкая материя, создающая электрические силы, есть не что иное, как светоносный эфир. И все известные исследователям электрические явления относил за счет "нарушений равновесия в эфире", сгущения его или разряжения вблизи электризуемых тел. Таким образом, он обходился без введения "специальной электрической материи" Франклина.

Несмотря на то что теория Эйлера исходила из картезианских воззрений, отрицавших "электрические материи", и основывалась на явлениях в эфире, Ломоносов, по-видимому, не был удовлетворен ею полностью. В том же 1756 году он написал диссертацию "Теория электричества, разработанная математическим способом", которая осталась неопубликованной. В ней Михаил Васильевич писал: "Электрические явления - притяжение, отталкивание, свет и огонь - состоят в движении. Движение не может быть возбуждено без другого движущегося тела". Электризация, по гипотезе Ломоносова, обусловливалась вращательным движением частиц внутри вещества и в окружающем пространстве.

Обе теории были принципиально новыми, потому что сводили причину электрических явлений не к свойствам мифической жидкости, а к специфическим формам движения эфира, признанного реально существующим наукой того периода. Теории Эйлера и Ломоносова носили чисто электростатический характер. Отрицая движение электрической жидкости - электрического тока, они приводили к неправильному представлению о грозозащите и об устройстве громоотводов.

По мнению Ломоносова, надежным громоотводом могли служить изолированные "электрические стрелы", которые должны были отводить в землю не электрический заряд, а "електрическую силу". Потому и устанавливать их он предлагал не на крышах зданий, а на пустырях, подальше от строений, "дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах (т. е. на зданиях - А. Т.) силы свои изнуряла".

В принципе не заземленный громоотвод тоже способствовал разряду и отводил молнию в землю через окружающий воздух. Но при заземлении этот процесс, конечно, происходил несравненно спокойнее.

Второй надежный способ грозозащиты Михаил Васильевич видел в "потрясении воздуха", в том, чтобы "разбивать громовые тучи колокольным звоном". "Того ради кажется, - говорил он, - что не токмо колокольным звоном, но и чисто пушечной пальбою во время грозы воздух трясти не бесполезно, дабы он великим дрожанием привел в смятение електрическую силу и оную умалил".

Таким образом, более глубокие концепции электричества в принципиальном отношении у Эйлера и Ломоносова на практике приводили к неправильному конструированию громоотводов.

Идеи Франклина в России получили дальнейшее развитие в работе Эпинуса, вышедшей в 1759 году в Санкт- Петербурге. Тридцатитрехлетний профессор астрономии Берлинской Академии наук и астроном Берлинской обсерватории Франц Ульрих Теодор Эпинус всего два года назад переселился в Россию, приняв предложение войти в члены Петербургской Академии.

В первые же годы жизни в Петербурге Эпинус развивает бурную деятельность. Он пишет работу о возвращении комет, о способах "поправления морского компаса и магнитных стрелок", об "умножении силы в натуральных магнитах". И наконец - большое сочинение "Опыт математической теории электричества и магнетизма", изданное отдельной книжкой. Эта работа изобиловала математическими выражениями, все они носили формально-описательный характер и нужны были, по выражению самого автора, лишь для того, "чтобы избежать излишней пространности обычной речи". Никаких расчетов по этим "формулам" делать было нельзя^*. Однако профессор Эпинус высказал немало замечательных мыслей, характеризующих не только его научную эрудицию, но и подлинный дар научного предвидения. Так, он отмечает, что неизвестный никому вид закона электростатического и магнитостатического воздействия представляется ему похожим по форме на закон тяготения. "Я охотно утверждал бы, - писал он, - что величины изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний... В пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими явлениями природы".

^* (См.: Дорфман Я. Г. Всемирная история физики, т. 1, М., 1974, с. 291)

Пройдет 26 лет, и в 1785 году французский физик и военный инженер Шарль Огюстен Кулон установит основной закон электростатики, подтвердив предвидения Эпинуса. А три года спустя тот же Кулон распространит свой закон и на взаимодействие точечных магнитных полюсов, заложив тем самым основы электро- и магнитостатики.

В уже упоминавшейся выше работе Эпинус использует представление о "сгущении" электрической жидкости, приближаясь тем самым к понятию электрического потенциала^*. И даже приходит к понятию электроемкости, предвосхитив тем самым английского физика и химика Генри Кавендиша, строго сформулировавшего это понятие 10-12 лет спустя.

^* (См.: Дорфман Я. Г. Всемирная история физики, с. 291)

В работе Эпинуса есть и другие интересные предвидения, реализованные позже учеными.

Франц Ульрих Теодор Эпинус, физик, член Петербургской Академии наук с 1756 года, родился в 1724 году в городе Ростоке в семье пастора. В том же городе поступил в университет, откуда уходил в Иену, по обычаю буршей, меняющих университеты. Однако, в конце концов, снова вернулся в Росток, где и получил степень доктора медицины.

После окончания учебы Эпинус некоторое время работал приват-доцентом в том же университете, преподавал астрономию и физику. Но вскоре переехал в Берлин, где получил должность профессора астрономии при Академии наук. Одновременно он выполнял обязанности астронома при обсерватории.

В Берлине Эпинус познакомился с молодым, только что окончившим Ростокский университет Иоганном Карелом Вильке.

В то время многие физики были увлечены загадкой удивительных кристаллов, привезенных голландскими купцами в начале столетия с острова Цейлон. Назвали этот камень турмалином, или турмалем. Он бывал разного цвета, и его прозрачные кристаллы ценились наравне с индийскими рубинами и другими драгоценными камнями. Но физиков привлекало то обстоятельство, что стоило нагреть турмалин на огне, как он тут же начинал притягивать к себе и отталкивать частички золы. Его даже прозвали за это "зольным камнем".

Знахари и "специалисты" черной и белой магии платили за кристаллы турмалина бешеные деньги. Надетый на шею или на палец при восходе солнца турмалин обещал своему владельцу счастье на целый день. Особенно хорошо помогал он в осенние дни. Впрочем, по данным современных ювелирных фирм, турмалин может принести счастье своему владельцу и в феврале, и в мае, и в августе...

В 1717 году удивительные свойства турмалина рассматривались на заседании Парижской Академии. Поскольку его притягивающая сила была признана магнитной, то минерал получил название "цейлонского магнита".

Молодой шведский врач Каролус Линнеус, в будущем знаменитый естествоиспытатель и почетный член многих академий Карл Линней, одним из первых стал сомневаться в магнитной природе силы турмалина. Линнеус читал лекции по минералогии и пробирному искусству, занимался медицинской практикой и еще находил время для обдумывания и подготовки своей "Системы природы".

Линней предположил, что сила притяжения турмалина при его нагревании имеет электрическую природу. И хотя у ученого не было доказательств, он назвал минерал "Lapis electricus".

После серии опытов Эпинусу и Вильке удалось доказать, что при неравномерном нагревании турмалина на его противоположных сторонах возникают электрические заряды. По сути дела было открыто новое природное явление - еще одно проявление электрических сил, показывающее их связь с теплотой. Результаты опытов Эпинус опубликовал в мемуарах Берлинской Академии. Они обратили на себя внимание ученого мира. И в том же году молодой профессор получил не только лестное, но и выгодное приглашение - переехать в Россию, занять должность профессора физики Петербургской Академии наук.

На новом месте Эпинус проявляет завидную энергию и работоспособность. Он пишет популярные статьи, которые помещаются в академических изданиях. Пишет и ту замечательную работу, с которой мы начали знакомство с ним, - "Опыт математической теории электричества и магнетизма".

Во введении автор рассказывает, как открытый им пироэлектрический эффект в турмалине натолкнул его на мысль о глубоком сходстве электрических и магнитных явлений. Ведь до этого только магнит имел всегда два полюса, а теперь и нагретый турмалин оказался обладателем дипольного эффекта. Вот только почему? В чем причина обнаруженного явления? Однако Эпинус отказывается даже от обсуждения сил притяжения и отталкивания. При этом он ссылается на Ньютона, который также не занимался, по его мнению, выяснением причин всемирного притяжения. Правда, при этом автор трактата, чтобы избежать обвинений в эпигонстве, подчеркивает: "Я отнюдь не считаю их, как поступают некоторые неосторожные последователи великого Ньютона, силами внутренне присущими телам, и я не одобряю учения, которое постулирует действие на рас-стоянии. Действительно, я считаю несомненной аксиомой предположение, по которому тело не может производить никакого действия там, где его нет". Значит, силы притяжения и отталкивания, действующие на расстоянии, в его работе - лишь условное допущение. По мысли Эпинуса - это универсальное свойство электрических зарядов, точно так же, как всемирное притяжение - универсальное свойство масс в механике Ньютона. А за субстанцию, обладающую свойствами электрического притяжения и отталкивания, Эпинус принимает некую единую электрическую жидкость, предложенную Франклином в своей теории.

Частицы электрической жидкости отталкиваются друг от друга, но притягиваются обычной материей. Они свободно проникают через поры одних тел и с трудом преодолевают другие. Первые, как мы можем легко понять, являются проводниками электричества, вторые - изоляторами. И все электрические явления, известные современной науке, Эпинус делит на два ро-да. К одному относит все, что связано с переходом электрической жидкости от одного тела к другому. Примером могут являться искры, возникающие при электризации тел. К другому - притяжение и отталкивание.

По аналогии с гипотезами, высказанными в теории электричества, Эпинус строит и теорию магнетизма. Он предполагает существование магнитной жидкости, частицы которой взаимно отталкиваются. Точно также делятся и тела: одни проявляют индифферентность, безразличие, к частицам магнитной жидкости (они являются аналогами диэлектриков), другие притягивают ее частицы (они являются проводниками).

Правда, закон Ньютона утверждал, что все тела природы связаны друг с другом силами притяжения, а если принять теорию единой электрической жидкости, то она приводила к тому, что материальные частицы должны отталкиваться друг от друга. Это обстоятельство немало смущало Эпинуса и его соратников. Позже ученый выдвинул предположение, что закон Ньютона применим к телам, содержащим естественное количество электрической жидкости. Это позволило обойти затруднения в формальном смысле, но убедительности теории не прибавило. И потому многие выдающиеся физики отказались принять франклиновскую унитарную теорию. Высоко оценивая труды Эпинуса за то, что в них дана приближенная математическая теория взаимодействия электрических и магнитных тел, исследователи все же вернулись к идее электрических жидкостей. Интересно, что и для этого случая вычисления Эпинуса оставались справедливыми.

До появления работы Эпинуса физики были уверены, что взаимодействие электризованных тел с неэлектризованными вполне возможно. Эпинус же утверждал, что лишь после того, как заряд одного тела вызовет появление заряда на другом, они приходят во взаимодействие. Это было совершенно новым представлением, которое впоследствии пришлось весьма кстати, когда были открыты явления электрической и магнитной индукции и поляризации тел.

Интересно и утверждение петербургского профессора о том, что электрическая материя существует только в телах и отсутствует в пространстве, где действуют электрические силы. Здесь Эпинус довольно близко подходит к понятию электрического и магнитного поля, которое возникло и получило развитие в физике следующего столетия.

Работы Эпинуса сразу же стали широко известны и оказали большое влияние на взгляды физиков того времени, на развитие науки об электричестве. На его труды ссылались Кэвендиш и Кулон, о его теории писали Гауи и французские академики Лаплас, Кузен и Лежандр, а также Вольта и Фарадей...

Условия работы в академии были трудные. Одряхлевшего Шумахера заменил, по меткому выражению Ломоносова, "зять его, и имения, и дел, и чуть не Академии наследник" Тауберт - серая посредственность с угодливым характером. Этот академический советник держал себя всегда благопристойно и с достоинством, обладал в высшей степени умением вкрадываться в милость к знатным и пользоваться их расположением. Вместе с тем это был мелкий честолюбец и великий интриган... Другими членами канцелярии были назначены академики Ломоносов и Штелин. Ломоносов и Тауберт уже много лет питали друг к другу враждебные чувства. Понятно, что такое назначение не могло служить дальнейшему успеху работы канцелярии, да и всей Академии в целом.

К сожалению, Эпинус недолго занимался чисто научной деятельностью. Обласканный Таубертом, он полностью перешел на его сторону, стал в оппозицию Ломоносову и другим ученым, занявшись интригами и "искательством".

К 1758 году относится и его первый конфликт с Ломоносовым по поводу изобретенной тем "ночезрительной трубы". Вот как пишет о том сам Михаил Васильевич: "Подал советник Ломоносов в профессорское собрание проект о делании трубы, коею бы яснее видеть можно было в сумерках, и представил давно сделанный тому опыт. Физики профессор, что ныне коллежский советник, Эпинус делал на то объекции, почитая сие невозможным делом. Ломоносов немного после того спустя получил от камергера Шувалова присланную трубу того же сродства, и он представлял в доказательство своей справедливости. Однако профессор Эпинус не токмо слушать не хотел, но и против Ломоносова употреблял грубыя слова и вдруг вместо дружбы прежней стал оказывать неприятельские поступки. Все ясно уразумели, что то есть Таубертов промысел по шума- херовскому примеру, который ученые между профессорами споры, кои бы могли дружелюбно кончиться, употреблял в свою пользу, портя их дружбу. Все ясно оказалось тем, что Эпинус не токмо с Ломоносовым, но и с другими профессорами, ему приятелями, перестал дружиться, вступил в Таубертову компанию и, вместо прежнего прилежания, отдался в гуляние..."

В 1765 году Эпинус по желанию вступившей на престол Екатерины II принял на себя заботу о воспитании великого князя Павла Петровича. И с тех пор уже занимался только административной и государственной деятельностью.

Участвуя в придворных интригах, Эпинус забросил свои академические занятия, хотя и продолжал занимать должность. Как и большинство иностранцев, работавших в России, заботился главным образом о собственном благополучии. И это ему вполне удалось. Лишь в 1798 году в возрасте 74 лет он покинул русскую службу и перебрался в Дерпт (ныне Тарту), где через четыре года и умер.