Физика. Великие открытия: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Поляризация молекул воды по Гроттгусу. 1806 год.

«Немало удивило нас, — пишет Никольсон, — что водород выделялся на одном конце, тогда как кислород — на другом, отстоявшем от первого почти на два дюйма». Не удивляйтесь этому удивлению — ученые, по существу, первый раз наблюдают разложение воды электрическим током. До этого было известно, что электрические заряды, полученные при трении, способны вызывать химические действия, но сколько длится разряд? Слишком мало, чтобы успеть заметить какую-нибудь реакцию и собрать ее конечный продукт. А вольтов столб был первым электрохимическим генератором, дающим ток длительное время, и вот отличие не замедлило сказаться. Через несколько дней после того, как в Англии стал известен этот замечательный снаряд, он помог сделать новое открытие, которое давно уже созрело и только ждало случая, чтобы заявить о себе.

Сообщение Никольсона и Карлайла произвело огромное впечатление. Тотчас же и другие исследователи начинают повторять этот нехитрый опыт и подмечают всё новые особенности. По-видимому, где-то в августе доходит новая весть и до Бристоля, а оттуда и до его пригорода Клифтона, местечка, которое стало известным в основном благодаря тому, что за десять лет до этого там был основан Пневматический институт, который в свою очередь остался известным только потому, что руководил им Хэмфри Дэви, один из крупнейших химиков XIX века, чье имя, как правило, связывают с открытием электролиза. Но прежде чем рассказать о нем, надо попрощаться с двумя его соотечественниками, впервые обнаружившими электролиз воды, обнаружившими — и прошедшими мимо.

Признаться, это редкий случай в истории науки, когда ученый, первым натолкнувшийся на какое-то новое явление, предоставляет другим возможность исследовать его подробно, а сам удаляется к иным делам. Однако именно таким образом и поступили Никольсон и Карлайл. Проделав для порядка несколько экспериментов, вдоволь наудивлявшись и поудивляв других, они оставили опыты по электролизу и разошлись. Карлайла ждала медицинская практика, Никольсона — его журнал. Я не хочу сказать ничего плохого об этих двух людях, но как не разглядели они, что держали в руках? Может быть, сказалось отсутствие должного образования? Или занятия медициной и издательством давали более высокий и стабильный доход, нежели наука? Быть может. Но, вероятно, правильный ответ заключается в том, что каждый старается в жизни делать то, что он может сделать лучше. Карлайл стал знаменитым врачом, Никольсон издавал журнал, в котором печатались многие ученые того времени. А электролиз — ну что электролиз? — он требовал времени, терпения и специальных знаний. И даже если бы они пожертвовали каким-то временем и даже если бы решили приобрести недостающие знания, а это тоже вопрос времени, то еще неизвестно, рассудили они, вероятно, чем все это кончится, принесет ли эта жертва что-нибудь им и науке. Ведь другие не будут ждать, пока они подучатся немного.

И, кстати, в этом пункте они оказались совершенно правы: никто не ждал даже недели, работы по открытому ими электролизу развернулись сразу же в нескольких лабораториях.

А за свою слепоту Никольсон и Карлайл были достаточно наказаны историей. Она, правда, оставила их имена среди имен исследователей электролиза, но — мелким шрифтом, да и то лишь в специальных изданиях.

Глава 7 Рождение электрохимии. Открытие вольтовой дуги и щелочных металлов

Хэмфри Дэви 1778–1829

Хэмфри Дэви родился в тот год, когда Вольта получил кафедру физики в Павии, — в 1778 году. Его способности проявились очень рано — в два года он уже хорошо говорил, а в пять читал и писал — и не изменяли ему до конца жизни. Всеми своими знаниями Хэмфри обязан только себе самому. Поступив в семнадцать лет в обучение к аптекарю, он составил программу своего самообразования, которой может позавидовать иное высшее учебное заведение. Вот некоторые из пунктов этой программы: ботаника, фармакология, анатомия, хирургия, химия, (заметьте, химия, которой он в дальнейшем посвятит свою жизнь, пока скромно стоит в середине списка), география, логика, физика, механика, риторика, история, математика; и языки — английский, французский, латинский, греческий, итальянский, еврейский. Настроен Хэмфри очень решительно.

В одной из ранних записных книжек, которые он вел для самого себя и которые были опубликованы после смерти братом, он записал: «Я не могу сослаться для своей характеристики ни на богатство, ни на власть, ни на знатное происхождение; и, однако же, если я останусь в живых, то надеюсь быть не менее полезным для человечества и для моих друзей, чем в том случае, если бы я был наделен всеми этими преимуществами». И надо сказать, Дэви прекрасно удалось доказать, что для пользы человечества вовсе не обязательно иметь «все эти преимущества».

Когда подошла очередь химии, Дэви соорудил себе в доме аптекаря небольшую лабораторию, оснастив ее самыми простыми и дешевыми приборами. Однако и на них ему удалось сделать многое, позволившее лучше понять природу изучаемых явлений. Через четыре месяца он создает свою собственную гипотезу о природе света и тепла. Ему удается познакомить с ней доктора Томаса Беддо из Бристоля. Сей ученый муж не сделал никакого особого вклада в науку, но он читал курс химии в Оксфордском университете, переводил на английский химические книги, выпущенные в других странах, занимался библиографией, и эти занятия, весьма уважаемые и нужные, создали ему имя у современников. Потомки же вспоминают о нем главным образом в связи с тем, что именно ему пришла в голову счастливая, хотя, на первый взгляд, нелепая мысль пригласить молодого, даже юного и никому не ведомого и ничего еще особого не сделавшего в науке Хэмфри Дэви на должность заведующего новым Пневматическим институтом.

Создан институт был также по инициативе доктора Беддо. В середине XVIII века были открыты многие газы, и ученые, медики в первую очередь, заинтересовались необычными свойствами, рассчитывая найти среди них какие-то, действующие лечебным образом на организм человека. Эту идею вынашивал и лелеял Томас Беддо, ибо был он не только химик, но и доктор медицины. Беддо выбрал наиболее разумный путь: чем разным ученым заниматься самостоятельно кустарными исследованиями, лучше создать специализированный институт, где и сосредоточить усилия всех, кому интересна данная тема. Как всякая частная инициатива, эта идея потребовала также и частных пожертвований. Беддо оказался человеком энергичным и сумел найти лиц, достаточно богатых, чтобы иметь возможность дать какую-то сумму денег, и достаточно просвещенных, чтобы иметь на это охоту. Среди главных жертвователей был даже Джеймс Уатт, знаменитый изобретатель паровой машины. Правда, он, помимо научных и общегуманных интересов, имел и личный интерес к этому начинанию: его сын Грегори был болен туберкулезом и Уатт надеялся, что спасение можно найти среди новых газов.

Вот так и был образован Пневматический институт в пригороде Бристоля — Клифтоне, куда 2 октября 1789 года выехал новый молодой директор. Этой поездке, правда, предшествовали некоторые колебания и оживленная переписка. Колебались не столько учредители института — их Беддо довольно быстро уговорил, — сколько сам Хэмфри. Он имел неосторожность — а может быть, осторожность — написать Беддо в ответ на его любезное приглашение, что примет оное, если ему будет положено «подобающее содержание». Причем повторил это несколько раз. Я не сказал бы, что такой меркантильный подход к науке способен украсить юного химика. Наверное, это понял и сам Дэви, потому что, объяснившись уже лично на сей счет, он больше не поднимает щекотливый вопрос, хотя, судя по письмам, его жалованье не было значительным. Поскольку он имел осторожность, а может быть, неосторожность — не уточнять своих требований, фраза «подобающее содержание» толковалось достаточно широко и позволяла Дэви в любой момент отступить, не нарушая границы приличия.

Приступив к работе в Пневматическом институте, Дэви уже имел перед собой программу действий. Она вытекала из тех целей, ради которых институт и был создан. Первый пункт ее гласил: испытание физиологического действия различных газов. Такого рода работы и поныне ведутся в научных учреждениях, однако никто их сейчас не делает так, как делал Дэви. Он решил испытывать действие всех газов на самом себе. Нетрудно представить, к чему бы это могло привести. Но Хэмфри повезло — он начал с закиси азота, а уж только потом, через несколько месяцев, научивших его осторожности, дошел до метана. Начни он в обратном порядке, боюсь, не пришлось бы мне теперь рассказывать о его дальнейшей жизни. Выбор закиси азота как исходной точки был удачен вдвойне. Помимо личной безопасности, Дэви обрел таким образом и личную известность, причем весьма значительную. Так нередко бывало в истории науки: не бог весть какое важное открытие — с научной точки зрения — становилось шумной сенсацией, приносящей автору гораздо больше известности и славы, чем оно того стоило. Так было, кстати, с первыми опытами Гальвани, так случилось и с открытием Дэви. И вновь помог в этом случай.

То, что Дэви начал с закиси азота не было случайным — еще в годы своего ученичества он пытался экспериментировать с этим газом, но в то время он не располагал достаточным его количеством. То, что он начал испытывать газ на самом себе, тоже не случайно, ибо это правило ввел в институте сам Дэви. Случайным оказалось лишь то обстоятельство, что во время опыта у Хэмфри разболелся зуб.

Правда, во время первых опытов с газом зуб о себе знать не давал. Поэтому запись Дэви, относящаяся к этому времени, хоть и красочна и интересна, но значения большого не имеет. Дэви на себе установил, что, вдохнув закись азота, человек становится веселым, беспричинно смеется, находится в радужном возбуждении. Отсюда и пошло название закиси азота, сохранившееся до сих пор: веселящий газ. Действительно же важный вывод был сделан Дэви в другой день, когда у него разболелся прорезающийся зуб мудрости. Несмотря на боль, Хэмфри решил продолжить опыты с веселящим газом. И как странно, стоило ему вдохнуть газ, боль прошла. Через некоторое время, когда действие газа кончилось, зуб снова заболел. Дэви опять подышал газом — и опять боль исчезла.

Тогда и была впервые сделана в дневнике запись об анестезирующем действии веселящего газа: «Так как закись азота убивает боль, то она может быть с успехом использована при хирургических операциях с небольшим пролитием крови». Так написал Дэви, продемонстрировав свою немалую дальновидность. Однако, несмотря на открытие, которое должно было бы вдохновить всех врачей, закись азота для анестезии была применена лишь через сорок четыре года, да и то не в Англии, а в Америке. Дантист Гораций Уэлз решился наконец использовать ее при удалении зубов. Но потом закиси азота вновь не повезло: ее вытеснили из хирургии хлороформ и эфир, обладающее более сильным наркотическим действием. И только в последние годы веселящий газ вновь появился в больницах.

Тем не менее открытие Дэви вызвало шумный интерес. Но не научный, а светский. Дэви наперебой приглашали в знатные дома, слава о молодом ученом перешагнула Ла-Манш и распространилась по Европе. Еще бы, он открыл «элексир жизни» — так окрестили закись азота некоторые невежественные люди, увидевшие в ней способ быстро исправить плохое настроение, вырваться из круга мрачных мыслей и тяжелых забот. Работать Дэви уже не давали; каждый день ему приходилось устраивать сеансы для влиятельных лиц, желавших, не вставая с кресла, посетить несуществующую страну грез и веселья. И все же за десять месяцев Хэмфри удалось собрать и обобщить материал по физиологическому действию закиси азота. Еще три месяца, и на стол издателя легла книга «Закись азота». Это было в 1800 году, в том самом году, начало которого ознаменовалось письмом Вольты Джозефу Бэнксу.

А дальше — дальше легко можно представить себе цепь событий. Бэнкс читает письмо Никольсону и Карлайлу; те сооружают батарею и обнаруживают разложение воды; их статья появляется в журнале Никольсона в июле; журнал этот читает регулярно Дэви, поскольку сам в нем печатается, и он, естественно, на время бросает все и начинает опыты с вольтовым столбом.

Темп исследований поистине невероятный: с сентября по декабрь Дэви печатает в журнале четыре статьи по гальванизму — по одной в месяц. В этих статьях он идет значительно дальше случайных наблюдений: он, по существу, закладывает основы новой науки — электрохимии.

Названия статей вполне невинны, по ним нельзя сказать, прибавил ли что-нибудь новое английский химик к работам итальянского физика. Лишь одна работа, датированная ноябрем, уже самим заглавием намекает на вклад молодого Дэви. Она называется «Заметки о некоторых наблюдениях над причинами гальванического феномена и о методах увеличения мощности вольтова столба». Поначалу Дэви как бы примеряется к открытию Вольты, затем он начинает примеряться к открытию Карлайла и Никольсона. Он ведь химик, его интересует химия, а не физика. А в электролизе воды, как и вообще в самом факте возникновения электрического тока в элементе, он угадывает процесс химический. Весь мир говорит о физической природе вольтова электричества, а Дэви заявляет, что ток рождается при окислении металлов и, следовательно, это явление целиком химическое. Далее ученый предпринимает экспериментальную разведку. Она приносит свои плоды, пока, правда, скромные: Дэви устанавливает, что, если цинковые пластины смочить чистой водой, столб работать не будет, как не будет он работать и в атмосфере водорода или азота, и, напротив, столб усиливает свое действие при погружении в кислород. Установив эти факты, пока еще не обобщая их, Дэви принимается за сообщение своих нерадивых соотечественников, поймавших было перо жар-птицы, но так и не уразумевших, что держали в руках.

Нет смысла подробно описывать содержание всех его работ того периода; наиболее важная, пожалуй, ноябрьская, в которой Дэви удалось найти путь увеличения мощности вольтова столба. Было бы неверным утверждать, что произошло это случайно; когда человек методично, шаг за шагом, продвигается вперед по неизведанной территории, пусть даже ощупью и пусть даже его действия носят иногда интуитивный характер, это все же поиск. Поначалу Дэви не искал чего-либо определенного, он просто внимательно знакомился со столбом Вольты, с необычными свойствами прибора, описанными самим изобретателем, подмечал новые. В один из дней, размышляя над тем, какую роль играет в столбе вода, смачивающая прокладки, он подумал: а что будет, если воду заменить кислотой?

Этот вопрос не столь наивен, с него — с «а что будет, если…» — начинается почти любой новый научный эксперимент. В этой бесхитростной фразе сконцентрирована вековая мудрость научного исследования, когда человек оказывается перед лицом неизвестности. И вместе с тем этот вопрос, конечно же, наивен. Потому что эта формула не только ученого, но и ребенка, впервые открывающего для себя мир. В этом смысле каждый из нас в детстве исследователь, но и каждый исследователь должен обладать детской непосредственностью в восприятии нового, способностью удивляться, а не только удивлять других. Еще великий Эйнштейн говорил, что такая способность — профессиональное качество ученого. Поэтому Дэви и удивился, обнаружив, что кислота действует ничуть не хуже воды. Тогда он стал уже умышленно пробовать разные кислоты. И заметил, что, когда кружочки смочены азотной кислотой, столб производит удар наибольшей силы. И тогда Дэви сделал первый шаг в направлении к современным аккумуляторам: он уменьшил число металлических пластин в столбе и получил при меньшем весе и размере батареи большую мощность.

Вероятно, в этот момент Дэви почувствовал, что находится на верном пути, который должен привести его к новым, еще более удивительным и важным открытиям. Казалось бы, тут надо бросить все другие дела, оставить все прежние планы и заняться только одним гальваническим электричеством. Но судьба Дэви сложилась так, что ему пришлось на несколько лет прервать начатое дело. Вернее, он сам выбрал свою судьбу. В конце концов, получив в декабре письмо от графа Румфорда с предложением покинуть Клифтон и переселиться в Лондон, он мог бы и отказаться, во всяком случае теперь, когда работа шла полным ходом, — от добра добра не ищут. Но уж слишком заманчиво предложение: и новая, более высокая должность, и более высокий оклад, и столица, и казенная квартира, и даже повар, — словом все, что полагается сотруднику вновь созданного Королевского института.

Не правда ли, может показаться совпадением: второй раз Хэмфри приглашают во вновь создаваемый институт. Но дело совсем в ином: в то время в Англии было не так уж много хороших химиков, а Дэви был хороший химик. И, кроме того, у него оказалось еще одно достоинство, высоко ценимое в том учреждении, куда его приглашали работать: талант лектора.

Королевский институт был создан 7 марта 1799 года. Инициатором его создания выступил граф Румфорд, который еще за двадцать три года до этого звался Бенджамином Томпсоном и имел американское подданство. Но в 1776 году он переехал в Англию, через три года был избран в члены Королевского общества, получил дворянский титул, а позднее и титул графа Священной Римской империи. А по существующей до сих пор в Англии традиции, человек, произведенный в графы или лорды, может выбрать себе новое имя.

Вильям Томсон, лорд Кельвин в конце жизни.