Труды Ампера в электродинамике

Из трудов Ампера один превосходит все прочие и составляет науку, имя которой электродинамика, навсегда останется неразделимым с его именем. Не развлекая внимания различными предметами, останавливаюсь на самом обширном, на самом плодотворным соображении нашего друга; буду счастлив, если освобожу его от всего, что до сих пор считалось темным и двусмысленным, и через то покажу, какой глубокой признательности потомства достойны открытия Ампера в электричестве.

Среди успехов быстрых и важных в древних и новых науках учение о магнетизме оставалось неподвижным. Прошло по крайней мере шесть веков с того времени, как узнали, что железные, особенно же стальные бруски после некоторого приготовления получают способность располагаться от севера к югу. Это удивительное их свойство открыло обе Америки, Новую Голландию, многие архипелаги и сотни отдельных островов Океании, и пр.; в пасмурную или туманную погоду, начальники тысячи кораблей, день и ночь рассекающих морские воды, не могут обходиться без кусочков стали, указавших на колоссальные открытия, и до сих пор не было исследовано, каким волшебством, какой кабалистикой из недеятельных превращаются они в одушевленные.

Совокупность явлений магнетизма, ослабление, уничтожение его и перемена полюсов магнитной стрелки от жестоких ударов молнии, казалось, открывали тесную связь между магнетизмом и электричеством; но труды ad hoc, предпринимаемые по требованию многих академий для распространения этой аналогии, достигали столь незначительных результатов, что в программе Ампера, напечатанной в 1802 г., читаем:

«Профессор докажет, что электрические и магнитные явления происходят от двух различных жидкостей, действующих независимо одна от другой».

В таком состоянии находился вопрос о магнетизме, как в 1819 г. датский физик Эрстед объявил ученому миру о явлении важном самом по себе, а более по выведенным из него следствиям, — о явлении, память которого будет переходить из века в век, до тех пор, пока люди не перестанут уважать науки. Попытаемся дать точное и ясное понятие об этом капитальном открытии.

Столб Вольта на своих концах, или — как согласились говорить — на своих полюсах имеет разнородные металлы: положим, что этот удивительный снаряд оканчивается медью и цинком. Столб, кроме слабых следов напряжения электричества, останется мертвым, пока не соединятся его полюсы посредством металлической проволоки, называемой тогда соединительной.

По проволоке, соединяющей полюсы столба, движется электрический ток, непрерывно вращающийся в замкнутом круге, т. е. в столбе с соединенными полюсами. Сила тока зависит от силы столба.

Физики давно умели сообщить изолированной проволоке сильное электричество неподвижное или — как говорят в физических сочинениях — электричество в напряжении; они умели также пропускать электричество по проволокам неизолированным, но тогда оно проходило скоро и не оставляло никаких следов. Столб способен сообщать проволокам электричество не мгновенное, способен приводить их на минуты, на целые часы в такое состояние, в котором самые сильные электрические машины действуют не более миллионной доли секунды.

Проволока соединительная, проволока, по которой непрерывно движется определенное количество электричества, не приобретает ли особенных свойств? Опыт Эрстеда даст блистательный ответ на этот естественный вопрос.

Часть проволоки, медной, серебряной, платиновой или из всякого другого металла, наведем на горизонтальный компас параллельно его стрелке: не увидим никакого действия. Но пусть она будет принадлежать к проволоке соединительной — тогда магнитная стрелка тотчас переменит свое направление, — немного от столба слабого; сильный же столб, несмотря на действие земли, поворотит стрелку почти на 90° относительно ее естественного положения.

Я предполагал, что соединительная проволока находится выше магнитной стрелки: опустим ее вниз, — отклонение стрелки не переменится по величине, но сделается противоположным по направлению. Если соединительная проволока над стрелкой поворачивает ее к западу, то под стрелкой поворотит ее к востоку. Заметим еще, что проволока сохраняет свою уклонительную силу только до тех пор, пока она бывает соединительной, отделите ее от полюсов столба, — она совершенно потеряет свою силу.

Тот совсем не имеет ученого такта, кто не поймет всего необыкновенного в описанном явлении, не поймет, что невесомая жидкость способна сообщать проволоке временную, но сильную способность действовать на магнитную стрелку.

Отличительные свойства этой способности не менее удивительны.

Даже дети понимают, что горизонтальный рычаг, опирающийся на неподвижную подставку, можно только оборачивать, а нельзя двигать вдоль линии, проходящей через конец подставки, и для обращения перпендикулярно к длине рычага потребна наименьшая сила. Опыт Эрнштеда совершенно противен элементарным правилам механики.

Действительно, вспомните, что когда сила, возбуждаемая во всех точках соединительной проволоки прохождением электрического тока, бывает снизу или сверху вертикальна к оси стрелки, тогда она производит наибольшее уклонение. Напротив, стрелка остается неподвижной, если проволока ставится почти перпендикулярно к ее направлению.

Чтоб объяснить это странное явление, физики предположили, что непрерывный прилив электрического вещества, производящий отклонения, обвивает соединительную проволоку в виде спирали. Такой ток есть миниатюрное изображение знаменитых вихрей, которыми Декарт думал объяснить общее движение планет около Солнца, так что опыт Эрстеда, казалось, отодвигал физические науки более, нежели на два столетия.

Мы уже сказали, что знаменитый датский физик совершенно уверился, что уклонение стрелки горизонтального компаса тем более приближается к 90°, чем сильнее вольтов столб; напротив, слабые столбы оказывают едва приметные действия: какую же роль играет здесь таинственная сила, которая, кажется, присутствует в арктических странах земного шара и привлекает и отталкивает тела намагниченные? Какое участие принимает она в уклонениях стрелки действием слабого столба?

Ампер с первого взгляда заметил важность вопроса; понял потребность тонких наблюдений, понял, что от решения вопроса зависит открытие отличительных свойств сил, действующих в опыте Эрстеда. Но каким средством уничтожить действие земного магнетизма, как удалить, как прекратить его участие в действиях вольтова столба?

Многие улыбнутся при моем вопросе и потом скажут разве моряки не покрывают парусами и плащами чугунные пушки, ближайшие к их компасам, когда хотят точно снять берега? Экраны должны также защитить стрелку от земного магнетизма, и для того, например, достаточно заключить ее в стеклянный шар.

Эти мечты уничтожаю одним словом: не найдено никакого вещества, сквозь которое не проникало бы действие магнетизма, подобно действию тяжести. Насмоленные или чистые паруса и плащи, которыми моряки покрывают чугунные пушки, ядра и якоря, принадлежат к средствам, вошедшим в мореплавание прежде света, разлитого наукой. Несмотря на их бесполезность, слепая, но могущественная рутина до сих пор не позволяла отстать от них, и до сих пор управляет не только моряками, но и целым миром.

Ампер не желал невозможного, не думал составить снаряд, который бы уничтожил действие земного магнетизма, он только хотел, чтоб это действие не мешало движению магнитной стрелки. Весьма простое соображение управляло знаменитым физиком в составлении особого рода компаса, о котором наблюдатели даже не думали.

Ориентирование — да позволят такое выражение — магнитных сил данного места производилось посредством горизонтальной стрелки, обращающейся в центре также горизонтального круга с делениями; когда же надобно было узнать наклонение тех же сил к горизонту, тогда ось, проходящая через центр тяжести стрелки, полагалась на две агатовые горизонтальные плоскости, и стрелка обращалась в плоскости уже круга вертикального. Круг с делениями нового амперова компаса не был ни горизонтальный, ни вертикальный: в Париже его наклонение к горизонту равняется 22°; во всяком другом месте оно должно равняться 90° без магнитного наклонения. В центре такого круга находится или агат, или другой подобный ему камень со скважиной, в которую вкладывается один конец оси стрелки, подобной стрелке в компасе наклонения; другой же ее конец вкладывается в такую же скважину, сделанную на конце одной из штук, весьма часто употребляемых в часах и называемых мостами (ponts)^*.

Положим теперь, что плоскость круга с делениями перпендикулярна к магнитному меридиану места: тогда земной магнетизм будет действовать перпендикулярно к магнитной стрелке и не может сообщать ей определенного направления. Итак, Ампер имел полное право назвать свой снаряд астатическим.

Астатическая стрелка Ампера от действия соединительной проволоки располагается к ней совершенно перпендикулярно, и — что весьма замечательно — весьма слабое электричество производит такое сильное действие, какое производит ток, способный раскалять металлы.

Вот один из простых законов, считаемых в науке драгоценными, потому что они заслуживают полное доверие, и пред ними уничтожаются все ложные теории.

Открытие Эрстеда дошло до Парижа через Швейцарию. В еженедельном собрании, 11 сентября 1820 г., один академик (Араго), возвратившийся из Женевы, поверил опыты ученого датчанина. После семи дней, 18 сентября, Ампер представил академии новое явление, которое было важнее открытого копенгагенским физиком. В столь короткое время товарищ наш угадал, что две соединительные проволоки, две проволоки, проходимые электрическими токами, действуют одна на другую; он придумал чрезвычайно остроумные способы сделать эти проволоки подвижными, не отделяя их от полюсов двух столбов; и наконец исполнив свои идеи на деле, посредством особенных снарядов, он сделал решительный опыт. Я не знаю ни одного примера, который бы показывал, что можно сделать великое открытие почти в одно мгновение.

Вот в чем состоит блестящее открытие Ампера: Две параллельные соединительные проволоки взаимно притягиваются, когда электричество движется по ним в одном направлении, и отталкиваются, когда направления токов противоположны.

Итак, две соединительные проволоки двух одинаково расположенных столбов, двух столбов, которых цинковые и медные полюсы соответствуют друг другу, всегда притягиваются, и напротив, взаимно отталкиваются, когда цинковый полюс одного столба соответствует медному другого.

Это удивительное притяжение и это отталкивание происходят даже в двух соединительных проволоках, прицепленных к одному и тому же столбу: одну из них можно так согнуть, что по двум ее частям будут проходить токи и одного направления и токи противоположные. Тогда выходят те же самые явления, которые открыты в двух разных источниках электричества.

При самом начале явления, открытые Эрстедом, по справедливости названы электромагнитными; но явления, открытые Ампером, в которых магнит не участвует, должны получить общее название электродинамических.

Опыты французского ученого не избежали критик, которыми зависть преследует все новое, важное и предназначаемое для жизни в потомстве. Притяжение и отталкивание токов показалось многим весьма простым изменением притяжения и отталкивания обыкновенного электричества, известных со времени Дюфая. На это возражение товарищ наш отвечал скоро и решительно.

Два тела, одинаково наэлектризованные, взаимно отталкиваются: два одинаковых тока взаимно притягиваются. Тела, противоположно наэлектризованные, взаимно притягиваются: токи противоположные взаимно отталкиваются.

Два тела, одинаково наэлектризованные, удаляются одно от другого после взаимного прикосновения: две проволоки, проходимые одинаковыми токами, соприкоснувшись, остаются соединенными, как два магнита.

Никакое ухищрение не может устоять против такого краткого доказательства.

Другие возражатели озаботили нашего товарища поболее первых. Они выказывали даже доброжелательство; они требовали разрешения великого затруднения и чистосердечно сожалели, что слава новых открытий может исчезнуть как дым.

Вот это непреодолимое затруднение. Два тела, способные действовать на третье, должны действовать одно на другое: соединительные проволоки действуют на магнитную стрелку; следовательно, две таких проволоки должны действовать одна на другую; следовательно, взаимное их отталкивание и притяжение суть необходимые следствия из опыта датского физика; следовательно, наблюдения Ампера напрасно считают капитальными, открывающими в науке пути для исследований.

В этом возражении не видим ли ложного применения неоспоримого механического закона: действие равно противодействию? Ампер отвечал на него вызовом: не угодно ли его соперникам из опытов Эрстеда вывести a priori направление взаимного действия электрических токов? На вызов не явилось ратоборцев, однако ж они не считали себя побежденными.

Для прекращения неблагонамеренного спора оставалось одно средство: надобно было показать, что два тела, действующие на третье, могут не действовать одно на другое. Один из друзей Ампера заметил, что в магнетизме есть такое явление. Он сказал: «Вот два ключа из мягкого железа; каждый из них притягивает вот эту магнитную стрелку; если вы не докажете, что эти ключи взаимно притягиваются или взаимно отталкиваются, то должны согласиться, что все ваши возражения совершенно ложны».

С этой минуты прекратились все возражения, и взаимное действие электрических токов окончательно заняло приличное ему место между прекраснейшими открытиями в новой физике.

Ампер, победив затруднения в спорном вопросе об оригинальности и первенстве открытий, устремился к составлению теории ясной, строгой, математической, способной привести к единству все электродинамические явления, весьма многочисленные и разнообразные даже в его время. Его путь был загроможден различными препятствиями, но он преодолел их способами, в которых видим великий гений изобретательности. Эти способы навсегда останутся драгоценными примерами, научающими, как нужно выпытывать из природы ясные ответы и открывать простые законы в многосложных явлениях.

Ослепленные блеском, величием и всеобъемлемостью закона тяготения, бессмертного открытия Ньютона, люди, худо знающие математику, вообразили, что для подчинения планетных движений математическим вычислениям, надобно было победить множество препятствий, которые несравненно сильнее препятствий, встречаемых новыми геометрами в исследованиях всех явлений, открытых и изучаемых новейшими физиками. Это мнение принято всеми, но оно ложно. Ничтожные величины планет относительно солнца, их огромные расстояния, их почти сферическая форма и отсутствие вещества, способного оказывать сопротивление в обширном пространстве их эллиптических орбит, много упрощают задачу о движении частей солнечной системы, так что это движение можно считать почти отвлеченным движением, составляющим предмет общей механики. Но когда вместо движения планет, т. е. тел, представляемых почти точками, внимание ваше обратится на притяжение неправильных многогранников, взаимно действующих на малых расстояниях; тогда, может быть, еще понадобится открыть новые законы тяготения.

Вот замечание небольшое, но достаточное для того, чтоб предвидеть действительные препятствия, способные замедлять успехи математической физики, и потому неудивительно, что распространение звука и света, движение небольших волн, покрывающих поверхности жидкостей, атмосферные течения, происходящие от неравенств давления и температуры, и пр., и пр., гораздо труднее вычислять, нежели величественное движение Юпитера, Сатурна и Урана.

Ампер приступил к исследованию сложнейших явлений земной физики. Взаимное притяжение и отталкивание соединительных проволок происходят от притяжения и отталкивания всех их частей, и переход от целого к бесконечному множеству его элементов, или — другими словами — исследование, каким образом изменяется взаимное действие двух бесконечно малых частиц, когда переменяется их расстояние и относительное наклонение, представляет необыкновенные затруднения.

Но эти затруднения были побеждены. Четыре состояния равновесия, помощью которых Ампер объяснил явления электродинамические, названы законами Ампера, подобно трем великим следствиям, выведенным Кеплером из наблюдений Тихо Браге.

Качания, посредством которых Кулон измерял слабые действия магнита или электричества, непременно требуют, чтоб тела, подвергаемые опытам, висели на одной некрученой нити: соединительная проволока не удовлетворяет этому условию, потому что она теряет свою силу, как скоро отделится от двух полюсов вольтова столба.

Из качаний можно выводить точные меры, но с необходимым условием: они должны быть многочисленны; соединительные же проволоки Ампера останавливаются в покое после весьма малого числа качаний.

Задача казалась совершенно неразрешимой, когда наш товарищ увидал, что он достигнет цели только посредством наблюдений различных состояний равновесия соединительных проволок различных форм, т. е. затруднение оказалось в выборе форм, и здесь-то гений Ампера явился во всем своем блеске.

Ампер сперва обернул шелком две равные части одной и той же неподвижной соединительной проволоки и согнул ее так, что две упомянутые части легли одна на другую и сделались проводниками противоположных токов одного столба, он уверился, что два равных и противоположных тока не оказывают никакого действия на соединительную проволоку, способную двигаться от малейшей силы, и тем доказал, что притягательная сила определенного электрического тока совершенно равна силе отталкивающей того же тока, происходящей от перемены его направления.

Потом Ампер весьма подвижную соединительную проволоку повесил точно в середине пространства между двумя неподвижными соединительными проволоками, из которых одна была прямая, а другая разнообразно изогнутая; по ним проходил ток по одному направлению, и от того обе эти проволоки должны отталкивать среднюю подвижную. Когда началось движение тока, тогда средняя подвижная проволока осталась неподвижной, и будучи выводима из своего положения, опять к нему возвращалась. Итак, с обеих сторон оказывались равные действия и, несмотря на значительную разность между длинами неподвижных проволок, силы их равны, если концы их соединяются в одних и тех же точках.

В третьем опыте Ампер доказал, что всякий сомкнутый ток не сообщает вращательного движения части соединительной проволоки, согнутой в дугу круга, если ось вращения перпендикулярна к плоскости этой дуги и проходит через центр.

Четвертый и последний фундаментальный опыт нашего товарища открывает тот случай равновесия, в котором участвуют три проволоки, согнутые в окружности, центры которых находятся на одной прямой линии, и радиусы составляют непрерывную геометрическую пропорцию.

Посредством этих четырех законов Ампер нашел, что остается неопределенным в аналитической формуле, выражающей в возможной общности взаимное действие двух бесконечно малых элементов двух электрических токов.

Сравнение общей формулы с наблюдениями четырех случаев равновесия показало: 1) взаимное действие элементов двух токов происходит по линии, соединяющей их центры; 2) оно зависит от взаимного наклонения этих элементов, и 3) переменяется в обратном отношении квадратов расстояний.

Благодаря глубоким исследованиям Ампера, мы узнали, что закон, управляющий небесными движениями и распространенный Кулоном на электричество в напряжении, и даже, хотя с меньшей вероятностью, на явления магнитные, составляет также отличительное свойство электричества динамического.

Когда известна общая формула взаимных действий бесконечно малых элементов, тогда определение действий целого тока всякой формы есть дело высшего анализа. Ампер не мог пренебречь таким приложением своего открытия и прежде всего искал, каким образом действует прямолинейный ток на систему круглых замкнутых токов, содержащихся в плоскостях, перпендикулярных к этому прямолинейному току: вычисление, подтвержденное опытами, показало, что подвижные плоскости круглых токов должны располагаться параллельно току прямолинейному. Перекрестные направления магнитной стрелки в опытах Эрстеда казались неизъяснимыми; но если предположим, что по всей длине стрелки проходят поперечные токи, то явления, открытые датским физиком, оказываются необходимыми следствиями теории Ампера. Не удивительно ли, что намагнитить стрелку значит возбудить небольшой электрический вихрь, вращающийся около каждой частицы стали? Товарищ наш вполне понимал важность своей идеи и старался проверить ее опытами и числовыми выводами, единственными доказательствами всяких предположений.

Трудно составить систему круглых сомкнутых и весьма подвижных токов. Ампер ограничился одним только подражанием такой системе, заставив один электрический ток обращаться по проволоке, обернутой шелком и согнутой в спираль с весьма сжатыми завитками. Большое сходство между действиями этого снаряда и действиями магнита побудили знаменитого физика приняться за трудное и подробное вычисление действий замкнутых и совершенно круглых токов.

Предположив, что такие токи существуют около частиц намагниченных тел, Ампер получил законы Кулона, посредством которых великий геометр объяснил все известные магнитные явления. Итак, предположение Ампера есть несомненная их теория.

Наконец, то же предположение, приложенное к исследованию действий прямолинейной соединительной проволоки на магнитную стрелку, привело к закону Био, выведенному из весьма тонких опытов.

Если согласно с общими мнением старых физиков, предположим, что в каждой частице стали находится две жидкости с противоположными свойствами, жидкости, соединенные и действия которых взаимно уничтожены, когда металл бывает не намагничен, и жидкости разделенные, когда он намагничен; то объясним все магнитные явления, кроме действий магнита на соединительную проволоку и кроме взаимных действий самых соединительных проволок.

Но если, согласно с Ампером, предположим, что взаимное действие двух токов есть явление основное, закон природы, то все упомянутые явления будут приведены к одной общей причине.

Итак, остроумное предположение нашего товарища имеет все отличительные признаки теории: простоту и всеобщность.

Во всех магнитных опытах, производимых до открытия Эрстеда, земля играла роль огромного магнита; поэтому надобно было заключить, что она будет действовать и на электрические токи. Опыты, однако ж, не оправдывали этого заключения. Призвав на помощь свою электродинамическую теорию и необыкновенную способность изобретать приличные снаряды, Ампер дополнил и этот пробел в науке.

В продолжение многих недель французские и иностранные физики собирались в скромный кабинет в улице Фоссе-Сент-Виктор и удивлялись там платиновой соединительной проволоке, повинующейся действию земного магнетизма.

Что сказали бы Ньютон, Галлей, Дюфай, Энинус, Франклин и Кулон, если бы кто-нибудь стал уверять их, что придет время, когда мореплаватели, за недостатком магнитной стрелки, будут управлять своими кораблями по указанию электрических токов, по указанию наэлектризованных проволок.

Действие земли на соединительную проволоку тождественно с действием токов, находящихся внутри земли, в южной части Европы, и обращающихся от запада к востоку, или по направлению суточного движения. Итак, нельзя говорить, что можно руководствоваться той или другой теорией по произволу, потому что в обеих теориях законы магнитных явлений одинаковы. Примите теорию Ампера, и Земля будет для вас огромным вольтовым столбом, из которого исходят электрические токи по направлению от запада к востоку, и записка, содержащая это великолепное заключение, не потеряет своего высокого достоинства от сравнения с бессмертными трудами, превратившими Землю в одну из планет, в эллипсоид, сжатый под полюсами, в тело, прежде накаленное во всех своих частях, а ныне только внутри, в большой глубине, и на поверхности своей не сохранившее признаков первобытного жара.

Утверждали, что превосходные идеи Ампера, подробно здесь изложенные, были приняты холодно; говорили, что французские геометры и физики не соглашались с ними или даже не хотели ими заниматься, и вся академия, кроме одного ее члена, под влиянием предупреждения долгое время противилась очевидности. Эти упреки дошли до публики от человека красноречивого и достопочтенного. Итак, я не могу оставить их без ответа.

Опыты Ампера сперва подвергались строгой критике, о которой я упоминал; но вскоре потом они сделались предметом общего удивления. Что же касается глубоких и сложных вычислений и теоретических заключений, важность которых я старался сделать очевидной, то о них могли судить только ученые геометры, и можно ли упрекать французских геометров в холодности к их товарищу, когда, при самом рождении электродинамизма, Савари объяснил весьма важную часть этой теории, когда Лиувиль старался упростить ее основание и сообщить ему большую строгость, и когда Дюгамель помогал Амперу в редакции самой трудной части его записки?

Притом, справедливо ли, что в формуле Ампера не было ничего удивительного для геометров? Занимавшиеся теориями Ньютона, разве не имели причины изъявить некоторого сомнения в употреблении тригонометрических линий, относящихся к взаимным наклонениям бесконечно малых элементов электрических токов? Разве не позволительно сомнение, когда видим, что давно известные пути приводят к объяснению новых явлений? Такое сомнение геометров весьма обыкновенно: за несколько лет до теории Ампера поперечные светотворные волны Френеля также были встречены возражениями со стороны тех же геометров, хотя автор вывел из них очевидное следствие, объяснив ими интерференцию лучей поляризованных.

Вообще, не нужно жаловаться на уважение к идеям, под влиянием которых образовался наш ум. Весьма естественно, весьма справедливо следовать им до тех пор, пока основательное изучение нового предмета не принудит переменить утвердившиеся понятия. В науках критика, возражение против новых идей весьма полезны, потому что они пробуждают леность, подстрекают недеятельность; даже отвратительная зависть бывает иногда причиной успехов: она заставляет дополнять пропуски, уничтожать пятна в трудах самых осторожных ученых; ее контроль бывает во сто раз полезнее дружеских мнений. Однако ж зависть навсегда останется презренной, потому что она приносит пользу против своего желания, и люди гениальные не должны слишком оскорблять ее нападками; слава и спокойствие не всегда идут рука с рукой; кто ищет высокого места в мире вещественном или в мире умственном, тот должен ожидать соперников; только мелкие дела и мелкие умы не встречают затруднений и пользуются невозмутимым миром под покровом посредственности.

Примечания

*. Полное описание и чертеж этого компаса содержится в «Expose des nouvelles decouvertes sur l'electricite et le magnеtisme; par Ampére et Babinet», 1822 г.