Подаривший миру новые тайны

Идея связи электричества и магнетизма, восходящая к простейшему сходству притяжения пушинок янтарем и железных опилок магнитом, носилась в воздухе, и многие лучшие умы Европы были ею увлечены.

В литературе были известны факты намагничивания стальных игл электрической искрой, размагничивания компасов молнией. В трактате по гальванизму Альдини (1804) упоминается о Можоне, намагнитившем стальную иглу вольтовым столбом, и Романьози, наблюдавшего отклонение магнитной стрелки при действии Вольтова столба. Но все эти факты носили характер случайных наблюдений и не только не обобщались, но даже и не описывались сколько-нибудь точно.

В наше время о магнитном действии электрического тока знают даже дети. Первооткрывателем же этого общеизвестного явления был Ганс (Ханс) Кристиан Эрстед. Заслуга Эрстеда заключается, прежде всего, в том, что он понял важность и новизну своего открытия и привлек к нему внимание ученого мира.

Знаменитый датский физик (его можно было бы назвать также и химиком, фармацевтом, философом, поэтом) Ганс Христиан Эрстед родился 14 августа 1777 года в маленьком городке Рюдкёбинге, расположенном на датском острове Лангеланд, в семье бедного аптекаря. Но Просвещение уже принесло свои плоды, и в несколько «провинциальной», но все же европейской Дании было немало образованных людей. Начальное образование братья Ганс Христиан и Андерс получали, где придется: городской парикмахер учил их немецкому языку, его жена - датскому, пастор учил их грамматике, литературе и истории, землемер научил их сложению и вычитанию, а приезжий студент впервые рассказал им о свойствах минералов.

С 12 лет Ганс был вынужден стоять за стойкой отцовской аптеки. В 1794 г. Эрстед в качестве абитуриента выезжает в Копенгаген и целый год готовится к экзаменам, которые затем успешно выдерживает. Его брат последовал за ним в Копенгаген и изучал там юриспруденцию. По воспоминаниям современников, братья часто подолгу просто гуляли по университету, наслаждаясь самой атмосферой храма науки.

Во время учёбы Эрстед занимается практически всеми возможными дисциплинами. За сочинение "Границы поэзии и прозы" он в 1797 г. награжден золотой медалью университета; отмечена была и его работа о свойствах щелочей, а за работу по медицине он получил степень доктора философии.

Университет Эрстед окончил фармацевтом. Выпускник-фармацевт устраивается временным управляющим одной из столичных аптек, но желание заниматься преподаванием приводит его к должности адъюнкта (младшая ученая должность в академиях и в вузах; помощник академика или профессора.) при университете. Ему поручается чтение двух лекций в неделю без оплаты труда. Следовательно, он вынужден был продолжать работать в аптеке. Эта работа хоть и отвлекала от науки, но позволяла использовать оборудование аптеки в качестве исследовательской лаборатории.

Три года преподавания в университете не проходят даром. Старательный адъюнкт был замечен начальством и отправлен в заграничную командировку для повышения научной квалификации. Сначала Германия, где произошла встреча командированного учёного с человеком, талант и ум которого оказал глубокое влияние на его научные интересы. Речь идёт о «гениальном фантазёре» и сумасброде, неординарном физике и химике Иоганне Вильгельме Риттере, принципиальном стороннике натурфилософии Шеллинга, прославившимся изобретением аккумулятора и редким талантом запутывать относительно ясные вопросы. Риттер, исходя из астрономических соображений, "вычислил", например, что эпоха новых открытий в области электричества наступит в 1819 - 1820 годах. И именно в 1820 г. Эрстед сделал свое открытие. Риттеру не пришлось быть свидетелем — он умер за десять лет до этого.

Затем Париж, где он слушает лекции учёных первой величины — физика Шарля, химика Бертолле, естествоиспытателя Кювье. Скверно говоривший по-французски, Эрстед познакомился с членами, Аркюэльского кружка, светилами в области физики: Араго, Лапласом, Бертоле, Био, Саваром. Большое впечатление на молодого учёного производят студенческие лаборатории Парижской политехнической школы — ведь тогда в Дании таких не было. И вот его вывод: «Сухие лекции без опытов, какие читают в Берлине, не нравятся мне. Все успехи науки должны начинаться с экспериментов».

Эрстед увидел в шеллинговской идее о всеобщей связи явлений оправдание и смысл своей кажущейся разбросанности — все изучавшееся им оказывалось по этой философии взаимосвязанным и взаимообусловленным. Он стал одержим идеей связи всего со всем.

В 1804 г. Эрстед возвращается в Данию. Но с работой в университете у него не всё ладилось. Он не мог рассчитывать на государственную оплачиваемую должность. Однако после того как Эрстеду было поручено ведать коллекцией физических и химических приборов, принадлежащих королю он решается читать частные лекции по физике и химии.

«Мои лекции по химии, — писал начинающий лектор, — привлекают столько слушателей, что не все могут поместиться в аудитории». Именно этими лекциями Эрстед доказал администрации университета своё право на оплачиваемую штатную должность.

В 1806 г. он становится профессором физики, в функции которого входила обязанность экзаменовать кандидатов по философии, а также преподавать физику и химию студентам-медикам и фармацевтам. «Отныне, — писал уже штатный профессор, — я получил привилегию основать физическую школу в Дании, для которой я надеюсь найти среди молодых студентов много талантливых людей». После этого назначения физика была признана полноправной дисциплиной в Копенгагенском университете. И через сто лет один из воспитанников этого университета Нильс Бор (1885—1962) станет одним из создателей современной квантовой физики.

В 1812 г. Эрстед снова выезжает за границу — в Берлин и Париж. И там он пишет работу «Исследование идентичности электрических и химических сил». Эта работа свидетельствует о том, что автор продолжает руководствоваться своей философской концепцией.

После возвращения в Данию Эрстед женился на Инжер Бирджит Боллум. Супруги в гармонии прожили вместе до конца своих дней и воспитали восьмерых детей: трех сыновей и пятерых дочерей.

Но женитьба и семейные заботы не отвлекли Эрстеда от науки. Он напряженно искал доказательства магнитного действия электрического тока. Кроме этого, понимая, что уровень развития физики в Дании сильно уступает европейскому, ученый прилагал много усилий для того, чтобы создать на родине достойную физическую школу. Именно он создал первую в стране физическую лабораторию. С 1815 года Эрстед был также бессменным секретарем Королевского научного общества Дании, в 1817-м получил должность ординарного профессора.

Эрстеду были свойственны два качества, которые принято считать помехой для успешной карьеры исследователя, а именно, страстное увлечение философией и сильное желание донести науку до понимания масс.

Присущая Эрстеду необычайная энергия вела его к новым поискам. В вышедшей в 1813 г. работе он впервые высказал идею о связи электричества и магнетизма. Эрстед постоянно носил в кармане сюртука магнит, который должен был заставлять его непрерывно думать об этом направлении.

Часто пишут, что Эрстед открыл магнитное действие электрического тока. Но вернее будет сказать, что он доказал и экспериментально подтвердил связь между электричеством и магнетизмом. К тому времени существовало уже немало подтверждений связи между электрическими и магнитными явлениями. Большую работу по сбору сведений в этой области провел французский ученый и историк науки Доминик Франсуа Араго. Так, исследуя корабль, поврежденный ударом молнии, Араго обратил внимание на то, что стрелки компасов показывают в разные стороны. Позже, осматривая разбившееся генуэзское судно, он также обнаружил, что стрелки компасов перемагничены (что и стало причиной катастрофы), а часть металлических предметов намагнитилась. И Араго, и другие физики осознавали, что открытие назревает.

15 февраля 1820 г. профессор химии Эрстед читал студентам Копенгагенского университета лекцию и продемонстрировал ещё одно подтверждение идеи о всеобщей связи явлений. На столе находился источник тока, провод и компас. Когда Эрстед замыкал цепь, стрелка компаса вздрагивала и поворачивалась. При размыкании цепи стрелка возвращалась обратно. Это было первое экспериментальное подтверждение связи электричества и магнетизма. Некоторые студенты потом утверждали, что Эрстед обнаружил это явление совершенно случайно, что на поворачивающуюся стрелку первым обратил внимание один из студентов. Сам же Эрстед в своих позднейших работах писал: «Все присутствовавшие в аудитории свидетели того, что я заранее объявил о результате эксперимента. Открытие, таким образом, не было случайностью, как хотел бы заключить профессор Гильберт из тех выражений, которые я использовал при первом оповещении об открытии».

Английский физик Брэгг писал, что удивление вызывает не то, что открытие произошло случайно, а то, что его пришлось ждать целых двадцать лет после изобретения вольтова столба.

В июле 1820 г. Эрстед снова повторил эксперимент, используя более мощные батареи источников тока. Теперь эффект стал значительно сильнее, причём тем сильнее, чем толще была проволока, которой он замыкал контакты батареи.

         Используя данное сообщение, А. М. Ампер вскоре предложит на его принципе магнитоэлектрический гальванометр, роль которого в развитии электрической науки трудно переоценить.

Дальше начались вообще чудеса. Экспериментатор решает проверить действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого берутся проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. И о чудо! Металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретали их, когда через них протекал электрический ток.

Эрстед стал экранировать стрелку от провода стеклом, деревом, смолой, гончарной глиной, камнями, диском электрофора. Экранирование не состоялось. Стрелка упорно отклонялась. Отклонялась даже тогда, когда её поместили в сосуд с водой. Последовал вывод: «Такая передача действия сквозь различные вещества не наблюдалась у обычного электричества и электричества вольтаического».

Изучая открытый им эффект, Эрстед установил, что сила, действующая между магнитом и проволокой, была направлена не по соединяющей их прямой, а перпендикулярно к ней. Магнитная стрелка никогда не указывала на проволоку, а была всегда направлена по касательной к окружностям, эту проволоку опоясывающим. Это не укладывалось в ньютоновские представления о действии и противодействии.

Открытие Эрстеда буквально вдохновило целый ряд ученых, прежде всего Ампера, а также Био и Савара, на проведение новых экспериментов с целью определения математических закономерностей выявленной связи и, в конечном итоге, проложило дорогу к теории электромагнетизма Максвелла.

То, что открыл Эрстед, было новой тайной, не укладывающейся в рамки известных законов. Д. Араго, познакомившийся с этим опытом в Женеве, понял, что это и есть разгадка задачи, над которой он, как и многие другие, бился. Один из присутствовавших при демонстрации с волнением произнес ставшую знаменитой фразу: "Господа, происходит переворот!"

Вернувшись в Париж, Араго повторил этот эксперимент на заседании Академии наук. Присутствовавший в зале академик А. Ампер через две недели сообщил о результатах своих исследований, которые сводились к гениальной идее: все магнитные явления можно свести к электрическим явлениям. Так зародилась электродинамика, которая через сорок лет стала составной частью в теории электромагнитного поля Максвелла.

Летом 1820 г. всех физиков взволновало пришедшее из Дании известие о том, что в Копенгагене на латинском языке вышла маленькая брошюра (всего четыре страницы) малоизвестного профессора местного университета Г.Х.Эрстеда "Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку". Описанные в брошюре опыты положили начало новой области физического исследования - электродинамики.

Опыты Эрстеда ставили науку в затруднительное положение. Из экспериментов следовало, что сила, действующая между магнитным полюсом и током в проводнике, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т. е. перпендикулярно. Этот факт подвергал сомнению всю ньютонианскую систему построения мира. Это почувствовали переводчики, переводившие на французский, итальянский, немецкий и английский языки латинский текст датского учёного. Зачастую, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечаниях латинский оригинал.

Эрстед обнаружил новый тип сил, отличных от ньютоновской силы, гравитации и, кулоновской электростатической силы. Эти силы вызывают поворот стрелки и исчезают, когда нет движения зарядов. Это был первый удар по механистической картине мира. То, что открылось, было новой тайной, не укладывающейся в рамки известных законов.

Изучая действие электрического тока на магнитную стрелку, Эрстед утверждал, что магнитное действие электрического тока проявляется только тогда, когда проводник этим током накалён. Ошибочность этого вывода связана, вероятно, с тем, что Эрстед в качестве индикатора использовал стрелку на острие, и для получения заметного эффекта требовалось пропустить по проводнику ток большой силы, который сильно нагревал проводник. Здесь мы имеем дело с неправильной оценкой связей между явлениями: несущественная связь принята в качестве определяющей.

Эрстед выработал правило, с помощью которого можно было бы заранее определить направление магнитного действия сил, возникающих в проводнике при прохождении по нему электрического тока. Вот это правило: «Полюс, который видит отрицательное электричество входящим над собой, отклоняется к западу, а полюс, который видит его входящим под собой, отклоняется к востоку».

В 1821 г. Эрстед одним из первых высказал мысль, что свет представляет собой электромагнитные явления. В 1822 - 1823 г.г. он переоткрыл термоэлектрический эффект Ж. Фурье и построил первый термоэлемент. В тот же период он экспериментально изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрел пьезометр, проводил исследования по акустике, исследовал отклонения от закона Бойля – Мариотта. Также Эрстед стал первым, кто смог получить металлический алюминий (в 1825 году).

Эрстед был блестящим лектором и популяризатором науки, он создал первую в Дании физическую лабораторию.

После своего открытия Эрстед стал всемирно признанным учёным. Он был избран членом многих наиболее авторитетных научных обществ: Лондонского Королевского общества и Парижской Академии. В частности? в 1830 г. его избрали почётным членом Петербургской академий наук. Англичане присудили ему медаль за научные достижения, а из Франции он получил премию в 3000 золотых франков, когда-то назначенную Наполеоном для авторов самых крупных открытий в области электричества.

С 1829 г. он являлся директором Копенгагенской политехнической школы. Эрстед основал в Дании общество для поощрения научных занятий и литературный журнал. Учёный организовал просветительские лекции для женщин. Со временем дом знаменитого ученого стал своего рода культурным центром Копенгагена, где собирались учёные, писатели, философы.

Он поддерживал "маленького Ганса Христиана" - будущего великого писателя Г.Х.Андерсена. Эрстед стал национальным героем.

Умер Г.X. Эрстед 9 марта 1851 года. Хоронили его ночью. Двести тысяч человек провожали его в последний путь при свете факелов и под звуки траурной мелодии, сочинённой в его память. Датчане ощущали его смерть как личную потерю.

«Учёный датский физик, профессор, — писал Ампер, — своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом».

За преданность Эрстеда делу популяризации науки и публичную демонстрацию только что открытого явления Американская ассоциация учителей физики назвала премию, присуждаемую учителю года, «медалью Эрстеда». Медалью Эрстеда были награждены: Ханс Альбрехт Бете, Виктор Вайскопф, Исидор Айзек Раби, Ричард Фейнман и др.

Человечество благодарно Г.Х. Эрстеду, как за его открытия, так и за то, что он подарил ему новые тайны.

Однажды он сказал:

• Мое твердое убеждение, что великое фундаментальное единство пронизывает природу. После того как мы убедились в этом, вдвойне необходимо обратить наше внимание на мир разнообразия, где эта истина найдет свое единственное подтверждение. Если мы не сделаем этого, единство само по себе становится бесплодным и пустым рассуждением, ведущим к неправильным взглядам.

• Сухие лекции без опытов, какие читают в Берлине, не нравятся мне. Все успехи науки должны начинаться с экспериментов.

Рассказывают, что…

• Обнаружить магнитные действия тока было нелегко. Их пытался обнаружить русский физик Петров, соединяя полюсы своей батареи железными и стальными пластинками. Он не обнаружил никакого намагничивания пластинок после нескольких часов пропускания через них тока. Имеются сведения и о других наблюдениях, однако с полной достоверностью известно, что магнитные действия тока наблюдал и описал Эрстед.

• В сказке «Два брата» Х. К. Андерсен писал про знаменитых братьев Ханса Кристиана и Андерса Эрстедов.

• Братья Эрстеды — главные герои трилогии Г.Л.Олди и А.Валентинова «Алюмен».