Драконоборцы. 100 научных сказок

Книга посвящается сыну Александру

Автор искренне благодарит учёных, которые стали консультантами данной книги и значительно улучшили её содержание.

Научные консультанты:

Александр Павлович Васильков, кандидат физико-математических наук, Илья Николаевич Горькавый, кандидат технических наук, Александр Юрьевич Исупов, кандидат физико-математических наук, Владислав Вячеславович Сыщенко, доктор физико-математических наук.

Особый вклад в книгу внёс Владислав Сыщенко, который воспроизвёл важнейший опыт Фарадея с помощью самых простых средств. Описание этого эксперимента и соответствующая цветная иллюстрация включены в книгу (эксперимент приписан Джерри – прости, Влад!).

Сказка о трёх рыцарях-богатырях, которые решили сразиться с электрическим драконом

Испокон веков не было ничего страшнее для человека, чем сильная гроза с молниями и громом. Мрачная тёмная туча наваливалась на деревни и города, как дракон, ревела-гремела, пылала огнём, молниями, расщепляла дубы, сжигала дома, убивала людей. Все, кто мог, – прятались; все, кто верил в милосердие богов, – молились. Мыслимое ли дело – бросить вызов этому могучему и ужасному дракону? Но всегда находится среди людей тот, кто превосходит всех остальных силой, кто не боится сразиться с самым опасным врагом. Таких смелых и сильных людей в одних странах называют богатырями, в других – рыцарями.

– Неужели на самом деле нашлись богатыри… или рыцари, которые решили победить грозу и молнию? – удивилась Галатея, слушавшая вечернюю сказку, которую читала её мама, принцесса Дзинтара.

– Вечно ты перебиваешь! – укоризненно сказал Галатее старший брат Андрей. Впрочем, он был не настолько стар, чтобы не слушать мамины научные сказки.

– Да, нашлись! – с гордостью за человеческий род сказала Дзинтара. – Их было трое: русский Михайло, немец Георг и американец Бенджамен. Они не испугались грозового дракона, плюющегося молниями и рычащего громом, решили узнать его слабые места и победить, чтобы он больше не причинял людям зла. А можно ли заставить это чудовище работать на человека?

– Дракона? Работать? – недоверчиво покачала головой Галатея.

– У каждого богатыря свой путь к битве с драконом. Когда Михайло, Георг и Бенджамен были подростками, никто не догадывался, что из них вырастут богатыри. Этих троих пареньков объединяли только две вещи – они были очень бедны и очень хотели учиться.

Михайло был из крестьян, он вырос в глухой деревне Холмогоры возле Белого моря – и была ему уготована отцовская судьба: ходить за сохой да тащить невод с рыбой. Но больше всего на свете Михайло хотел постичь науки, увидеть разные страны и разгадать – почему гремят грозы и отчего светят полярные сияния. Но отец даже слышать не хотел про то, чтобы отпустить сына на учение. Тогда девятнадцатилетний Михайло надел тулуп, взял котомку с двумя книжками: «Грамматикой» и «Арифметикой» – и в декабрьский лютый мороз убежал из дома. Три дня и три ночи он шёл пешком по заснеженной дороге, по санному следу, пока не нагнал рыбный обоз – и не попросился ехать с рыбаками.

– Он же мог замёрзнуть насмерть! – ужаснулась Галатея. – Или его могли съесть волки!

– Да, это был отчаянно смелый план, – согласилась Дзинтара. – Но Михайло был богатырь, и он очень хотел учиться!

В северном безлюдье, заросшем болотистым лесом, нет дорог, их роль зимой заменяли замёрзшие реки. Рыбаки из Холмогор пользовались холодами, чтобы отвезти мороженую рыбу в город.

…Убаюкивающий скрип санных полозьев по стылому снегу сменялся на громыхание и тряску, когда рыбный обоз проезжал по бугристому речному льду, с которого резкий ветер смёл снег. В санях обоза ехал рослый Михайло. Он охотно помогал толкать застрявшие в сугробах сани и собирать сушняк для костров во время ночёвок. Рыбаки знали, что парень едет в город учиться, – и посмеивались над этим у вечернего трескучего костра. «Дык, разве учение поможет поймать больше рыбы?» Михайло в ответ отшучивался и присутствия духа не терял. Вот только ночью приходили в голову разные тревожные мысли: как там живётся, в невиданном доселе городе? Справится ли он? Говорят, для учения языки надо знать хорошо: латынь, немецкий. А с этим в Холмогорах было непросто. Неграмотный отец был против мечты сына – и даже решил его женить, чтобы дурь из головы выбить. Но какая-то неодолимая сила толкала парня вперёд, в бурную неизвестность. Перерос он Холмогоры, тесно ему было там.

И вот спустя три недели после начала путешествия, в январе 1731 года, рыбный обоз прибыл в Москву.

Михайло шёл по улице и дивился. Народищу-то сколько! Дома-то какие здоровенные!

В те времена в России учёба была привилегией дворян. Чтобы учиться, Михайло пошёл на обман: подделал документы, сказался не крестьянским, а дворянским сыном. И его взяли в единственное в то время высшее учебное заведение России – Славяно-греко-латинскую академию. Малолетние ученики посмеивались над взрослым Михайло, но именно он стал самым знаменитым выпускником академии.

Следующие десять лет прошли в бедности и в упорной учёбе. Михайло Ломоносов учился в Москве, Киеве, Германии, Голландии, Санкт-Петербурге – и к своим тридцати годам превратился из крестьянского парня в талантливого учёного, владеющего латынью и несколькими европейскими языками. Ломоносов был исключительно многогранным человеком, но исследование молний и северных сияний заняло важное место в его трудах.

Второй рыцарь – Георг родился в семье прибалтийских немцев. Он был сверстником Михаила и вообще не знал своего отца, который умер от чумы ещё до рождения Георга. Но с учением ему повезло больше – он без особых помех начал учёбу в Таллине, а продолжил в Германии. В результате он стал домашним учителем детей немецкого графа. Когда тот вместе с детьми и их учителем переехал в Санкт-Петербург, Георг очень обрадовался – ведь здесь находилась известная Санкт-Петербургская академия наук и художеств. Георг Рихман подал в академию своё сочинение по физике с просьбой принять его в академию – и стал её студентом. К своим тридцати годам Георг Рихман стал опытным учёным – и подружился с Михаилом Ломоносовым, который к тому времени уже стал профессором академии.

Третьим, кто бросил вызов молнии, стал Бенджамен. Он родился в Америке, в городе Бостоне. У его отца-ремесленника было 17 детей, а Бенджамен был пятнадцатым. Отец отдал сына в школу, но денег хватило только на год учёбы. Так как мальчуган очень любил читать, то отец определил двенадцатилетнего Бенджамена подмастерьем в типографию своего старшего сына. Мальчик печатал и сам продавал газеты на улицах Бостона. Ему очень хотелось написать что-нибудь в газету своего брата, но тот только смеялся над малолетним подмастерьем. Тогда Бенджамен написал письмо в газету от имени пожилой вдовы – и тайно подсунул письмо под дверь типографии. Письмо «вдовы» понравилось – и было напечатано. 16 «вдовьих» писем, опубликованных в газете, вызвали огромный интерес и розыски таинственной «вдовы». Когда мальчик Бенджамен признался в своём авторстве, то все пришли в восторг от его писательского таланта, только хозяин типографии оказался недоволен славой своего младшего брата, которого он даже стал поколачивать. Бенджамен ушёл из дому и отправился на юг – в Нью-Йорк, и далее – в Пенсильванию.

– Мама, как же так – уже второй герой твоей истории бежит из дому! – воскликнула Галатея.

– В те времена жизнь людей была очень трудна, – вздохнула Дзинтара. – У них не было денег на обучение. Еда и крыша над головой заботили их больше всего – и, как правило, сыновья продолжали налаженное дело отцов. Если подросток стремился к своей мечте, то он должен был взбунтоваться против этой рутины. Далеко не всегда это приводило к успеху, но без сопротивления существующему порядку вещей ни учёный, ни изобретатель появиться на свет не может. Они – бунтари по своей природе.

Жизнь бунтарей трудна. Бенджамен Франклин голодал, перебивался случайными заработками и работал подмастерьем в типографии. Он совершил путешествие в Лондон и после многочисленных приключений, в возрасте 21 года, основал в Филадельфии свою собственную типографию и стал выпускать «Пенсильванскую газету» и ежегодник с разной занимательной информацией. Бенджамен имел склонность к изобретательству – и даже сконструировал печь новой конструкции.

Достигнув сорокалетнего возраста, Франклин занялся изучением молнии и электрических явлений.

…В 1733 году француз Шарль Дюфе объявил о существовании двух видов электричества – стеклянного, возникающего от трения стекла о шёлк, и смоляного, вызванного трением смолы о шерсть.

Дюфе писал, что открыл принцип: «…проливающий свет на электрическую материю. Этот принцип заключается в том, что существует два рода электричества, одно из которых я называю стеклянным электричеством, а другое – смоляным электричеством. Первое находится в стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, волосах, шерсти и во многих других телах. Второе – в янтаре, в камеди, шелке, нити, бумаге и в большом количестве других веществ. Характерным для этих двух электричеств является способность отталкивать и притягивать объекты. Так, если тело обладает стеклянным электричеством, оно отталкивает тела, содержащие такое же электричество, и наоборот, притягивает всё то, что имеет смоляное электричество. Соответственно смоляное электричество отталкивает смоляное и притягивает стеклянное».

Франклин, проводя свои электрические опыты, пришёл к выводу, что смоляное и стеклянное электричество являются проявлением одной субстанции – «электрической жидкости», только находящейся в разных условиях. Он ввёл понятие положительных и отрицательных электрических зарядов и выдвинул идею электрического двигателя.

Франклин изучил и объяснил действие недавно созданной «лейденской банки», которая представляла собой простейший конденсатор и могла хранить значительное количество электрического заряда. В 1750 году Франклин опубликовал работу, в которой предложил провести эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу.

– Он решил подразнить электрического дракона! – воскликнула Галатея. – Запустить перед самым его носом игрушечного змея!

– Франклин понимал, что это очень опасно, поэтому, подняв летом 1752 года змея в грозовую тучу, он не стал дожидаться молнии, а с помощью ключа, надетого на бечеву, доказал, что гроза содержит в себе такое же электричество, что и лейденская банка.

– Как он это сделал с помощью ключа? – полюбопытствовал Андрей.

– Он заметил искры, исходящие от ключа, надетого на бечеву, конец которой удерживал рукой. Этот простой эксперимент позволил Франклину доказать тождество атмосферных громыхающих молний и «домашнего» электричества в виде искр от лейденской банки или от шерстяной одежды зимой.

– Тем самым он смог перенести изучение небесного дракона в лабораторию!

– Верно. В лаборатории изучать электричество было гораздо безопаснее, чем в грозовой туче. Франклин понимал угрозу, которую несёт в себе мощь электрического дракона. Он, рассматривая электричество как жидкость или электрический огонь, указывал на важность заземления, то есть стока небесного электричества в землю.

Франклин сделал в своём доме первый громоотвод (или молниеотвод). Он крепился к верхней части дымохода и возвышался над ним почти на три метра. От основания этого стержня проволока толщиной с гусиное перо шла через стеклянную трубку в крыше и далее – вниз по лестнице, мимо двери спальни Франклина, к хорошо заземлённому железному насосу. Напротив своей двери Франклин сделал от основной проволоки два ответвления и подвесил на них колокольчики. Между ними он поместил латунный шар на шёлковой нитке, рассчитывая, что грозовое электричество, проходящее по проводу, заставит шарик колебаться и звонить в колокольчики. Действительно, во время грозы вся эта конструкция звенела и искрила. Кроме всего прочего, Франклин заряжал таким способом стеклянные лейденские банки для своих опытов.

– Он уже заставил работать на себя небесного дракона! – удовлетворённо воскликнула Галатея.

– Да, но пока совсем немного. Но всё равно это дракону не нравилось – и он «рычал».

Однажды Франклин был разбужен громким треском на своей лестнице. Он выглянул из двери и увидел, как латунный шарик, вместо того чтобы звонить в колокольчики, отстранился от них. Между колокольчиками проскакивали яркие искры, а потом возникла электрическая дуга толщиной в палец, которая так ярко светила, что лестница была освещена как днем. Франклин отмечал – при этом свете «можно было собирать иголки».

– Так это он открыл, что электричеством можно освещать дома? – спросил Андрей.

– Ну… в общем-то, да, хотя до изобретения первой электролампы оставалось ещё много времени. Когда Франклин уехал по делам в Лондон, он оставил свой молниеотвод…

– Вернее – драконоулавливатель! – отметила Галатея.

– …в полной готовности к грозам. Внезапный громкий звон и яркие искры на лестнице так пугали жену Франклина, что она написала мужу письмо в Лондон с просьбой, чтобы он отключил своё электро-грозовое устройство.

Примерно в это же время к исследованию электрического дракона приступили Рихман и Ломоносов.

Для измерения электрической силы молнии Рихман изобрёл электроскоп – прибор для количественного измерения заряда, который несёт в себе молния. Он установил на доме металлический стержень, провод от которого он подвёл к своему электроскопу. Рихман, конструируя свой прибор для исследования молний, присоединил его проводом к внешнему стержню, но не стал заземлять, считая, что измерения заряда молний будут точнее без заземления.

Михаил Ломоносов, соавтор Георга Рихмана по электрическим исследованиям, установил у себя такую же «громовую машину» и занялся теоретическими исследованиями электричества и полярных сияний. Он рассматривал электрический ток как поток корпускул, чем значительно опередил современные представления об электрическом токе. Например, Ломоносов выдвинул гипотезу о связи электрических и световых явлений и задался следующим вопросом: «Будет ли луч света иначе преломляться в наэлектризованных стекле и воде?» Эффект, который предвидел Ломоносов, действительно существует: он был открыт почти полтора века спустя шотландским оптиком Джоном Керром. Подтвердились и прозорливые идеи Ломоносова о том, что свет свечи или солнца тоже имеет электрическую природу, как и тепловые явления, – ведь в основе всех этих эффектов лежит движение мельчайших частиц материи. Ломоносову принадлежит множество выдающихся достижений в различных областях науки, например открытие атмосферы у Венеры. При наблюдении прохождения этой планеты по диску Солнца учёный обнаружил, что при сближении с краем солнечного диска возле диска Венеры вспыхнул яркий ободок, или «пупырь», вызванный рассеянием солнечных лучей в венерианской атмосфере. Это было первое наблюдательное доказательство существования атмосферы у небесного тела.

Новости о впечатляющих опытах Франклина с молнией достигли и России. К опытам Рихмана с интересом отнеслась российская императрица Елизавета – и даже выделила во дворце специальную комнату для его приборов. В этой комнате Рихман не раз демонстрировал иностранным послам и российским вельможам свои электрические опыты. Летом 1753 года, когда над Петербургом собралась гроза, императрица с вельможами решили посмотреть, как Рихман собирает энергию грозы в свой электроскоп. Рихман демонстрировал искры, которые рассыпались от его установки при грохоте молний за окном. Императрицу слегка ударило током, но Рихман успокоил её, рассказав о том, как один учёный наэлектризовал свою даму сердца, от чего в науке появилось понятие «электрического поцелуя». Придворные улыбались забавной истории, забыв о крутом нраве электрического дракона.

Опыты Рихмана и Ломоносова регулярно освещались в «Санкт-Петербургских новостях». По результатам своих электрических исследований друзья готовили совместный доклад на заседании Академии наук, которое должно было состояться в начале сентября 1753 года. Поэтому Рихман и Ломоносов старались не пропустить ни одной летней грозы.

6 августа они собрались в доме Рихмана возле установки для измерения заряда молнии, но тут Ломоносова позвали обедать жена и дочь. Он был голоден и решил отлучиться ненадолго.

С Георгом Рихманом оставался гравёр Иван Соколов.

– А зачем нужен был гравёр при таком эксперименте? – полюбопытствовала неугомонная Галатея.

– Тогда ещё не было фотоаппаратов, и научный опыт иллюстрировался рисунком в книге, который для печати должен был быть выгравирован на специальной металлической пластине. Поэтому гравёр работал как художник: он должен был увидеть происходящее, а потом перенести это на гравюру – для последующей печати в типографии.

– Значит, гравёр был живым фотоаппаратом, – кивнула Галатея, радуясь своей догадке.

– Когда разразилась гроза, Рихман стоял в тридцати сантиметрах от своего прибора. К несчастью, опыт пошёл не так, как ожидал Рихман, недооценивший силу электрического дракона. После разряда молнии, попавшей во внешний стержень, из прибора с пушечным грохотом вылетела ярко-синяя шаровая молния, которая ударила учёного в лоб. Рихман погиб, а оглушённый гравёр Соколов упал.

Соколов выполнил свою миссию и создал гравюру, на которой изобразил смерть Рихмана. Весь мир узнал про эту трагедию, а исследования атмосферного электричества были временно запрещены в России. Ломоносов, сильно переживавший из-за смерти друга и коллеги, писал: «Рихман умер прекрасной смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет». Ломоносов хлопотал о пенсии для семьи погибшего друга и беспокоился, чтобы этот трагический случай не был использован как повод для запрета научных исследований. Смерть Рихмана стала предупреждением всем исследователям атмосферного электричества и спасла жизни многих других людей.

Работы Франклина, Рихмана и Ломоносова сделали XVIII век первым веком научного исследования молний и электричества. Прежде всего, был найден надёжный и до сих пор применяющийся способ защиты от молний. Убедившись в том, что его громоотвод – или молниеотвод – хорошо защищает дом от молнии, Франклин опубликовал способ защиты от молний в своём ежегоднике «Альманах Бедного Ричарда» в 1752 году.

«Способ этот таков, – писал Франклин. – Возьмите тонкий железный стержень (каким, например, пользуются гвоздильщики) длиною достаточною для того, чтобы три-четыре фута одного конца опустить во влажную землю, а шесть-семь другого поднять над самой высокою частью здания. К верхнему концу стержня прикрепите медную проволоку длиной в фут и толщиной с вязальную спицу, заостренную как игла. Стержень можно прикрепить к стене дома бечёвкой (шнуром). На высоком доме или амбаре можно поставить два стержня, по одному на каждом конце, и соединить их протянутой под коньками крыши проволокой. Дому, защищённому таким устройством, молния не страшна, так как остриё будет притягивать её к себе и отводить по металлическому стержню в землю, и она уже никому не причинит вреда. Точно так же и суда, на верхушке мачты которых будет прикреплено остриё с проволокой, спускающейся вниз на палубу, а затем по одному из вантов и обшивке в воду, будут предохранены от молнии».

«Альманах Бедного Ричарда» имел огромный по тем временам тираж – 10 000 экземпляров. Прочитав его, многие американцы стали устанавливать на свои дома «франклиновские стержни». Во время грозы 1760 года молния на глазах очевидцев ударила в дом филадельфийского купца Уэста, снабжённый громоотводом Франклина, – и дом не сгорел, как часто бывало после удара молнии.

В Европе громоотвод приживался трудно. В 1780 году один из жителей французского города Сент-Омер установил громоотвод на крыше своего дома. Соседи через суд потребовали снять его: они считали, что, отводя молнию от своего дома, владелец громоотвода наводит её на соседей, а перед Богом все должны быть равны. И судья согласился с этим доводом!

В Англии в споры вокруг громоотводов Франклина вмешался сам король Георг III, который попросту запретил их: ведь их изобретатель Франклин выступал за независимость американских колоний Англии, чем ужасно злил английского короля.

– Значит, Георг Рихман пожертвовал жизнью, чтобы спасти других людей от молний, а другой Георг – Георг III – рискнул жизнью своих подданных из-за своих антипатий? – сказал задумчиво Андрей.

– Душевное величие человека трудно измерить каким-либо прибором, но, полагаю, что оно – увы! – не растёт с высотой общественного положения человека, – вздохнула Дзинтара. – Франклин стал политиком и внёс огромный вклад в дело независимости Америки, а также основал один из старейших университетов Америки. Ломоносов стал просветителем России и создал проект Московского университета, который сейчас носит его имя. Эти два энциклопедиста стали ярчайшими фигурами XVIII века. Эстафету электрических исследований у них подхватил другой исследователь – итальянец Вольта. Он понёс дальше искрящийся факел электрической науки.

– Мама, – воскликнула Галатея. – Давай установим у нас дома громоотвод с колокольчиками, как у Франклина!

– Нет! – решительно сказала Дзинтара.

– Ну почему… – заныла Галатея.

– Потому что первые исследователи молний показали, насколько опасно атмосферное электричество. Надо уважать знание, которое добыто такой дорогой ценой. Электрический дракон живет сейчас в розетках, но он подчиняется людям только тогда, когда они следуют определённым правилам. Стоит нарушить хотя бы одно их них – и трагедия неминуема. И главное правило обращения с электрическим драконом гласит, что с ним должны иметь дело только квалифицированные люди, прошедшие специальное обучение. Даже при этом сохраняется риск того, что дракон вырвется на волю: ведь тайна шаровых молний до сих пор не раскрыта – и никто не знает, как они возникают и что собой представляют…

– Тайна шаровых молний ещё не раскрыта… – протянула Дзинтара, и глаза её заискрились самым электрическим образом.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) – великий русский учёный-энциклопедист, химик, физик, поэт, художник, просветитель. Создатель проекта Московского университета, который носит его имя. Исследователь атмосферного электричества. Универсальный человек.

Георг Рихман (1711–1753) – видный немецкий учёный, друг Ломоносова и исследователь атмосферного электричества. Погиб от удара шаровой молнией при эксперименте.

Бенджамен Франклин (1706–1790) – выдающийся американский учёный, политик и издатель. Исследователь атмосферного электричества и изобретатель громоотвода (молниеотвода). Универсальный человек.

Шарль Дюфе (1698–1739) – французский физик, член Парижской академии наук. Один из первых исследователей электрических явлений.

Джон Керр (1824–1907) – шотландский физик, один из пионеров электрооптики. В 1875 году он наблюдал в изотропном веществе, которое поместил в электрическое поле, явление двойного лучепреломления.

Лейденская банка – первый электрический конденсатор. Создан в городе Лейден в 1745 году голландскими учёными Питером ван Мушенбруком (1692–1761) и Андреасом Кюнеусом. Годом ранее принцип конденсатора был открыт лютеранским священником Эвальдом фон Клейстом (1700–1748).

Алессандро Вольта (1745–1827) – выдающийся итальянский учёный-физик, создавший в 1800 году первую электрическую батарею, дававшую постоянный ток, и открывший новую эру в изучении электричества. В его честь названа единица измерения электрического напряжения – вольт.

Шаровая молния – малоизученное электрохимическое явление. Представляет собой возникающий при грозах огненный шар, летящий по воздуху и несущий в себе значительное количество энергии. Смертельно опасное явление, которое послужило причиной гибели Георга Рихмана, одного из первых исследователей молнии.

Сказка об электрической лягушке, учёном Вольте и 220?вольтах

– Жила-была электрическая лягушка… – начала очередную научно-сказочную историю Дзинтара.

– Мама! – воскликнула Галатея. – Ты же рассказывала об электрических драконах! Откуда взялись лягушки?