МАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

14. МАГНИТНОЕ СКЛОНЕНИЕ И МАГНИТНОЕ НАКЛОНЕНИЕ

Каждый, кто прочтет сейчас трактат Пьетро Перегрино, восхищающий ясностью и систематичностью изложения, убедится, что автор не компилятор, а искусный экспериментатор. Он пишет не о том, что слышал или читал, а о лично обнаруженных фактах. Поэтому если Перегрино утверждает в главе VII и вновь подтверждает в главе X, что стрелка поворачивается к северному полюсу, то отсюда следует заключить, что именно таким он наблюдал точное положение стрелки. Кроме того, имеются и другие указания, что во времена Перегрино магнитное склонение, т. е. угол между магнитным и географическим меридианами в точке наблюдения, было равно нулю в Италии. Поэтому два примечания, имеющиеся лишь в письме Перегрино, хранящемся в библиотеке Лейденского университета, в которых упоминается о склонении в 5°, следует рассматривать как позднейшие вставки.

Так кто же обнаружил магнитное склонение? Этот вопрос остается до сих пор без ответа. До XIX века почти все единодушно считали, что это открытие сделал Христофор Колумб (1436?-1506) во время своего первого путешествия (1492 г.) в Америку. Но в 1905 г. немецкий ученый Волькенауэр показал, что уже в середине XV века в Германии были построены солнечные часы (несколько экземпляров их хранится еще в немецких музеях), на которых указан угол, образуемый магнитной стрелкой с направлением гномона в полдень. Однако этот отдельный факт - единственное свидетельство среди многих рассмотренных - не может заставить историков отказаться от первоначальной версии, приписывающей открытие магнитного склонения Христофору Колумбу, поскольку кажется весьма странным, что это явление было обнаружено в сухопутной стране и не было известно мореплавателям, намного чаще имеющим дело с компасом.

Как бы то ни было, хотя первооткрыватель этого явления неизвестен, -можно установить время, когда оно стало известным морякам, - начало XVI века.

Мореплаватели очень быстро заметили, что магнитное склонение меняется от места к месту. Не зная еще об изменении магнитного склонения во времени [его обнаружение потребовало, естественно, существенно более длительных наблюдений и произведено лишь в 1634 г. Генри Геллибрандом (1597-1636)], они полагали до конца XVIII века, что знание склонения для каждой точки решило бы вторую основную проблему навигации - определение долготы, которую считали связанной со склонением некоторой жесткой зависимостью, так что знание склонения позволило бы найти долготу. Это ложное мнение привело к появлению первой магнитной карты, составленной миссионером Христофором Борри (который родился в Милане, дата рождения неизвестна, умер в Риме в 1632 г.). Он опубликовал в издании «De arte navigandi» («Об искусстве мореплавания») географическую карту, на которой соединил линиями точки, соответствующие, по имевшимся у него данным, одинаковым значениям магнитного склонения. Такие магнитные карты распространялись все больше, пока в 1701 г. одну из них не опубликовал английский астроном Эдмонд Галлей, которому обычно и приписывают заслугу в их создании.

Явление магнитного наклонения (т. е. тот факт, что намагниченная стрелка, могущая вращаться вокруг горизонтальной оси, располагается северным концом вниз в северном полушарии) требовало для своего обнаружения целого ряда опытов. Действительно, для стрелки, которая могла бы свободно вращаться на вертикальной опоре, угол наклонения неизбежно очень мал, так что это явление легко не заметить. Для плавающей или закрепленной на стерженьке стрелки, а также для плавающего магнитного шара описанное явление не наблюдается. И даже заметив это явление, когда стрелка подвешена на вертикальной опоре, можно легко приписать его несимметрии механической конструкции, из-за которой северный полюс стрелки наклонен вниз. Чтобы обнаружить это явление, нужно изготовить железную стрелку, хорошо уравновесить ее на вертикальной опоре так, чтобы она была горизонтальной, потом намагнитить ее и убедиться, что теперь, будучи помещенной на вертикальную опору, она не остается горизонтальной. Именно такую серию измерений и проделал в 1544 г. Георг Гартман (1489-1564), который впервые описал это явление и нашел угол наклонения равным 9°. Это значение слишком мало именно потому, что применялся прибор, приспособленный для измерения магнитного склонения, а не наклонения. Позже, в 1576 г. англичанин Роберт Норман предложил сделать стрелку свободно вращающейся вокруг горизонтальной оси, создав тем самым первую конструкцию инклинатора.

15. ПЕРВЫЙ ИТАЛЬЯНСКИЙ ТРАКТАТ ПО МАГНЕТИЗМУ

В то время, когда Норман производил свои опыты в Англии, Джован Баттиста Порта лихорадочно работал в Италии над всеми таинственными явлениями, носящими магический характер. А что могло ему казаться более таинственным, чем магнетизм? И понятно, что в поисках таинственного он часто видел одно вместо другого, больше верил, чем экспериментировал, больше фантазировал, чем конструировал.

Но даже учитывая все это, следует все же признать, что седьмая книга «Магии», которую мы уже упоминали, является первым итальянским трудом по магнетизму. В ее создании в значительной мере принимал участие Пао-ло Сарпи, как признает сам Порта в предисловии к книге:

«Мы знали в Венеции во время занятий этими исследованиями достопочтенного венецианца маэстро Паоло - тогда провинциала^ а сейчас достойнейшего прокуратора ордена, и мы не стыдясь, а с гордостью признаем, что научились от него некоторым вещам, потому что нам еще никогда не приходилось знать более разностороннего, более проницательного человека, являющегося украшением и славой не только Венеции и Италии, но и всего мира» (Magiae naturalis - Io Baptista Porta auctore, Neapoli, 1558).

Седьмая книга «Магии» может быть разделена на три части, если не считать последней главы (LIX), в которой собраны все распространявшиеся в течение многих веков легенды о магических свойствах магнитов. Первая часть содержит экспериментальное описание уже известных магнитных явлений. Во второй части критикуются и отвергаются прежние ошибочные взгляды, причем уже дает себя знать дух независимости и даже нетерпимости к господству авторитетов. Третья часть, наиболее интересная, представляет собой оригинальный вклад в науку о магнетизме. Новым является здесь следующий прекрасный эксперимент. Помести металлические опилки в пакет и затем приблизь к ним магнит. Опилки приобретут магнитные свойства, как если бы это был цельный кусок железа. Теперь высыпь опилки и размешай их, а потом опять помести их в пакет; сила будет в них подавлена и рассеяна.

Этот опыт, повторенный Гримальди в следующем столетии, позволил выдвинуть гениальную теорию, послужившую фундаментом теории Юинга, созданной в конце прошлого века. Порте мы обязаны также опытом с железными опилками, образующими «бороду» у магнитных полюсов, что следует рассматривать как первое наблюдение магнитного поля. Упомянем еще два крупных достоверных открытия: использование железной пластины как магнитного экрана (глава XVI) и опытное обнаружение исчезновения магнитных свойств при нагреве магнита до высокой температуры (эффект Кюри, как мы бы сказали сейчас).

16. УИЛЬЯМ ГИЛЬБЕРТ

О том, какое место занимает англичанин Уильям Гильберт в истории магнетизма, было много споров, возможно, отчасти из-за общих условий, в которых находилась в то время Англия. Гильберт родился в Колчестере в 1544 г., умер в Лондоне в 1603 г. Во время своих юношеских путешествий он побывал в Италии, где познакомился с Паоло Сарпи и беседовал с ним о магнетизме. Не только па философию, но даже на стиль Френсиса Бэкона (1561-1626) сильно повлиял главный труд Гильберта «О магните...». Этот труд начинается гневной филиппикой против философов того времени!

«...зачем мне, повторяю, вносить кое-что новое в эту пребывающую в таком смятении республику наук и отдавать эту славную и (ввиду множества заключающихся в ней неведомых до сего времени истин) как бы новую и поразительную философию на осуждение и растерзание злоречием либо тем, кто поклялся соблюдать верность чужим мнениям, либо нелепейшим исказителям добрых наук, невежественным ученым, грамматикам, софистам, крикунам и сумасбродной черни? Я, однако, препоручаю эти основания науки о магните - новый род философии - только вам, истинные философы, благородные мужи, ищущие знания не только в книгах, но и в самих вещах» (W. Gilbert!, De inagnete, magneticisque corporibus et de magno magnete tellure physiologia nova, Londini, 1600. (Есть русский перевод: В.Гильберт, О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле, М., 1956.)).

Этот новый род философии состоял в поисках знаний не только в книгах, но и в самих вещах, с помощью тщательного, терпеливого их исследования. И тщательное исследование действительно является большой заслугой Гильберта, описавшего свыше 600 опытов, которые привели его к формированию концепции большого научного и философского значения.

Исходя из идей Перегрино, Гильберт изготовил магнит сферической формы, «маленькую Землю». Затем, обходя с помощью небольшой намагниченной стрелки поверхность шара, он исследовал магнитные свойства своего шара и нашел, что они соответствуют магнитным свойствам Земли - большого магнита. Итак, заключает он, с точки зрения магнитного действия Земля отличается от этого шара лишь своими размерами.

Значение этого вывода, о котором Галилей сказал, что он «достоин удивления», далеко выходит за пределы чистой техники. Здесь впервые человек осмеливается сопоставлять явление, полученное в стенах лаборатории, с явлением космического порядка. Тем самым наносился тяжелейший удар тысячелетнему мифу, противопоставлявшему подлунный мир миру небесному, поскольку концепция Гильберта в конечном счете означала, что явления космоса следует изучать теми же методами, которые пригодны для изучения обыденных явлений.

Помимо упомянутой замечательной концепции и собственной переработки всего комплекса знаний о магнитных явлениях, накопленного за прошедшие века, в трудах Гильберта имеется еще несколько новых экспериментальных фактов, например такой: железная проволока, натянутая по магнитному меридиану, после ковки и вытяжки приобретает магнитные свойства; сила магнита значительно увеличивается при тщательной обработке поверхности. Этот способ был далеко превзойден Галилеем, который для удобства работы ввел применение сердечника - якоря, а также само слово «якорь».

Правда, пытаясь дать теорию магнетизма, Гильберт после долгих и неясных рассуждений пришел к выводу, что ему не представляется «совершенно абсурдным мнение Фалеса, приписывавшего магниту душу»(Там же, р. 68), Однако возвращаться к Фалесу было поздновато!

17. РОЖДЕНИЕ НАУКИ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ

Гильберту мы обязаны зарождением науки об электричестве, остававшейся до 1600 г. практически на уровне знаний Фалеса, когда было известно лишь, что натертый янтарь - а может быть, еще некое неведомое вещество, называемое «линкурием», - притягивает соломинки. Трудно поверить, что такое универсальное свойство приписывалось в течение многих столетий только янтарю. Одна из главных причин, пожалуй, заключается в том, что электризация трением других тел настолько слаба, что эффект ускользает, если нет чувствительных приспособлений, позволяющих специально его выделить. Говоря современным языком, нужно было преодолеть порог явления.

Возможно, это предвидел знаменитый поэт и ученый Джероламо Фрака-сторо (1483-1553), который в 1550 г. в книге «De sympathia et antipathia rerum» («О симпатии и антипатии вещей») описывает прибор, состоящий из стерженька, подвешенного в одной точке наподобие магнитной стрелки. С помощью такого прибора Фракасторо устанавливает, что янтарь притягивает не только соломинки, но и серебро.

Но если Фракасторо не пошел дальше в своем экспериментальном исследовании, то Гильберт, поняв, какую помощь мог бы ему оказать прибор Фракасторо, тотчас сам изготовил его, назвал его версором и систематически применял в своих исследованиях, описанных в гл. II книги II «О магнитах».

С помощью этого первого электроскопа Гильберт показал, что притягивает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, карбункул, опал, аметист, берилл, горный хрусталь, стекло, сланцы, сера, сургуч, каменная соль, квасцы. Все эти тела он назвал «электрическими телами». Абстрактное понятие «электричество» появилось в 1650 г. Гильберт установил также, что каждое из этих тел притягивает не только соломинки и щепочки, но и все «металлы, дерево, листья, камни, комки земли и даже воду и масло» (Там же, р. 68).

Гильберт полагал, что другие тела не притягиваются подобно металлам, многим сортам дерева и камня. Он заметил также, что пламя уничтожает свойство притягивания, приобретаемое при трении.

После столь обильной экспериментальной жатвы Гильберт попытался построить теорию притяжения электрических тел. Он отбросил оба объяснения, дававшиеся в XVI веке притяжению янтарем. Одно предполагало, что теплота обладает свойством притягивать и янтарь притягивает именно потому, что нагревается от трения. Но уже Бенедетти показал, что теплота обладает свойством разрежать или конденсировать, а отнюдь не притягивать. Гильберт повторяет рассуждение Бенедетти, добавляя, что если бы теплота обладала свойством притягивать, то притягивали бы все нагретые тела, а не только янтарь. Другая теория была весьма древнего происхождения, так как восходила еще к Лукрецию. Согласно этой теории, истечения от натертого янтаря вызывают разрежение воздуха, так что соломинки вталкиваются более плотным воздухом в частичный вакуум, образуемый этими истечениями. Однако, если бы было так, замечает английский ученый, горячие тела и пламя тоже должны были бы притягивать, а наэлектризованное тело должно было бы притягивать пламя находящейся поблизости свечи, но оно не только не притягивает его, а даже теряет свою силу в присутствии пламени.

Критика Гильберта, безусловно, правильна, но выдвигаемая им теория представляется не более правдоподобной, чем отвергаемые. Согласно Гильберту, все тела берут начало только от двух первичных элементов - воды и земли. Те, которые берут начало от воды, обладают свойством притягивать, потому что из воды исходят особые истечения, которые «подобно распростертым рукам» хватают тело и несут его к источнику истечения. И, проникнув в него и как бы зацепив его, они удерживают это тело, пока не ослабеют и, обессилев, не отпустят жертву. В таком духе рассматриваются и другие случаи. Нельзя сказать, чтобы теория Гильберта была лучше теорий Кардана или Порты.

Подчеркивая различие между магнитным и электрическим притяжением (оно было замечено еще Карданом, тогда как раньше оба эти явления считались одной природы), Гильберт заметил еще один важный факт: влажные тела трудно поддаются электризации трением, тогда как на притяжении магнитов влажность не сказывается.

Не останавливаясь на других характерных различиях электрических и магнитных явлений, заметим в заключение, что наука об электричестве, сводившаяся раньше к единственному забавному факту, была благодаря Гильберту обогащена многочисленными новыми явлениями, точными наблюдениями, инструментальной техникой, которая сама по себе есть новый этап в науке. Уильям Гильберт вполне заслуживает титула «отца науки об электричестве».