Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Обмотки эти не имели контактов, однако, когда он прикасался проводами первой обмотки к полюсам батареи, гальванометр, подсоединенный ко второй обмотке, начинал дергаться, колебаться и только через какое-то время успокаивался в первоначальном положении. Думая, вероятно, о возникновении волн в его акустических экспериментах, он поначалу представлял все так, что «волна электричества», возникшая в первой обмотке, пройдя по кольцу, могла породить ток во второй обмотке. В результате он обнаружил электромагнитную индукцию и распахнул окно в совершенно иной мир.

Катушка индуктивности

Рисунок из дневника Фарадея

Перемещение бруска магнита вперед и назад внутри полой рамки тоже приводило к образованию электрического тока в проволоке. Эрстед преобразовывал электричество в магнетизм, а теперь Фарадей преобразовал магнетизм в электричество, создав некое подобие динамо-машины, т. е. механическую противоположность мотора, который он изобрел за десять лет до этого. «Выходит, за всем тем, что существует в мире, непременно скрывается нечто глубинное, потаенное», — как впоследствии выразится Эйнштейн. И задача ученого — извлечь это на поверхность.

Чем больше Фарадей размышлял, тем больше ему открывалось. Он заметил, что со временем медные электроды в его электрических батареях постепенно покрываются окисью цинка, а цинковые электроды — медью. Перетекание электричества между двумя полюсами батареи, вероятно, сопровождалось движением атомов. Это делало возможным не только новый многообещающий промышленный процесс — покрытие металлов медью или серебром, но и другие, гораздо более сложные технологии. Батарея оказывалась тем тиглем, в котором одна энергия, химическая, превращалась в другую, электрическую. Этот процесс действовал и в обратном направлении. Когда две положительно и отрицательно заряженные проволочки погружались в подсоленный раствор, то на одной из них накапливался водород, а на другой — кислород. Электричество порождало химические реакции, а химические реакции порождали электричество.

По всей Европе ученые сталкивались с этими загадками. Может быть, вода состоит из водорода и кислорода? Или, как предполагал один немецкий ученый, вода является первоосновой, и кислород возникает при взаимодействии с положительным электричеством, а водород — с отрицательным? Этот ученый даже пытался возродить теорию флогистона. Но именно Фарадею удалось покончить с сим заблуждением. В 30-е годы XIX столетия он раз за разом опытным путем показывал взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и химией. И вдруг за несколько лет до того, как в его жизнь настойчиво постучалась Ада Лавлейс, он охладел к своим занятиям.

Фардей долгое время жаловался на проблемы с памятью, а потом погрузился в мрачную депрессию, не мог концентрировать свое внимание, жаловался на частое головокружение. Не исключено, что причина была в его умственном переутомлении или медленном отравлении всеми химикатами, которые периодически попадали на его кожу. По совету врача он стал отказываться от выступлений и научных исследований. Почти все время он писал или проводил в размышлениях. Еще более он удалился от людей после разрыва с Церковью — вероятно, из-за каких-то споров сектантского характера. Именно в этот момент в его жизни появилась изысканная лесть из уст Ады Лавлейс, которая подействовала на него столь сильно, что он понял: для него есть только один выход — оборвать все отношения с ней. «Не повергайте меня в отчаяние своими приглашениями, — умолял он ее. — Я не смею и не могу явиться и, в то же время, у меня нет сил отказать вам».

Может, будет слишком большой натяжкой утверждать, что общение с «суженой науки» стало поворотной точкой в его судьбе, но тем не менее именно в это время к Фарадею вновь возвращаются силы. Он приходит в лабораторию, чтобы найти ответ на вопрос, который мучил его многие годы. Уже было совершенно ясно, что магнетизм и электричество тесно взаимосвязаны. Но нет ли такой же связи между электричеством и светом?

Будучи научным консультантом «Тринити-хаус», организации, учрежденной в 1514 году указом Генриха VIII, «дабы упорядочить проводку судов по водным потокам королевства», Фарадей был занят усовершенствованием масляной лампы Арганда, которая использовалась на маяках по всему побережью Англии и Уэльса. В конце августа 1845 года он зажег один из маяков в своей лаборатории и приготовился к эксперименту, ставшему самым красивым в его научной карьере.

Свет, распространяясь, колеблется в двух перпендикулярных направлениях под прямыми углами к вектору движения. Но, отразившись от плоской поверхности или пройдя через обладающий определенными свойствами кристалл, например турмалин, свет становится поляризованным, то есть все его колебания происходят в одном направлении.

Если посмотреть на такой луч через второй поляризующий кристалл, вращая его вокруг оси на 360°, то изображение луча будет периодически темнеть и светлеть в зависимости от того, как синхронизируются фильтры.

Вопрос, на который теперь хотел найти ответ Фарадей, сводился к тому, может ли электрический ток повернуть световой пучок, заставив вращаться его плоскость колебаний. Заполнив длинную ванну слабопроводящим раствором, он поместил платиновые электроды в противоположных концах емкости и подсоединил их к электрической батарее, состоящей из пяти гальванических элементов. Установка была схожа с той, в которой воду разлагают на составляющие ее газы или покрывают медью ложку. Затем он включил лампу Арганда и поставил на пути светового пучка плоскую стеклянную поверхность, чтобы получить отраженный поляризованный пучок. После этого он пропустил его через раствор в ванне, а затем проверил поляризацию, пользуясь приспособлением, известным как призма Николя.

Поляризация света при отражении и прохождении через поляризующий кристалл

Однако ничего не произошло. Направление колебаний не изменилось. Фарадей стал повторять эксперимент при постоянных токах, при перемежающихся токах, при токах, проходящих через различные растворы, но сколь-нибудь заметного эффекта отмечено не было. Он стал направлять световой поток не перпендикулярно, а параллельно электрическому току, однако смещения поляризации не происходило и в этом случае. Подумав, что его батареи недостаточно мощные, Фарадей продолжил эксперименты с генератором статического электричества, заряжая стеклянную пластину и пропуская пучок света сквозь нее в разных направлениях. Но и это ни к чему не привело.

Опыт с поляризацией. Квадратная стеклянная пластинка (слева) помещается между противоположными полюсами (северным и южным) электромагнита. Пучок поляризованного света, проходящего через стекло, вращается электромагнитным полем