В течение последнего периода электричество получило поразительное развитие в двух направлениях. Начав с малого, с нескольких своеобразных явлений, совершенно выходивших за пределы действия остальных физических сил, электричество в своем развитии не только постепенно приблизилось к последним, но из всех физических сил оказалось наиболее способным к превращениям и, таким образом, сделалось главной опорой идеи о единстве всех сил природы. Это привело в новейшее время, с одной стороны, к попытке теоретически проделать обратный путь и свести электричество к единой основе, общей со всеми прочими физическими силами, а с другой стороны; — вызвало стремление осуществить и в технике все необходимые превращения и передачи сил при посредстве электричества. Конечно, в обоих этих направлениях указанный процесс ни в коем случае еще нельзя считать законченным. Нельзя еще сказать, чтобы было доказано полное соответствие между электричеством и прочими физическими силами с точки зрения их сущности и характера действия; еще меньше можно утверждать, что электричество действительно уже осуществило в технике указанную выше роль посредника, — но в обоих этих направлениях цель вполне ясно поставлена и возможность ее окончательного достижения едва ли кем оспаривается.
Что касается общих воззрений на характер действия электрических сил, то для них, конечно, приходилось брать в качестве исходной точки наиболее общий и основной закон этого действия, закон Вебера, или же, по крайней мере, согласовать их с последним. В предыдущем отделе мы уже отметили, что в тот период всякая принципиальная оппозиция против этого закона прекратилась и исследования ставили себе целью лишь проверку соответствия выводов, сделанных из него по отношению к гальванической индукции, с прочими предложенными в то время теориями тех же явлений, причем результаты этих исследований оказались, во всяком случае, не неблагоприятными для закона Вебера. Идя тем же путем, Гельмгольц теперь, однако, пришел к иным результатам и этим вызвал новую общую дискуссию по поводу данного закона.
По словам самого Гельмгольца в 1870 г. ему пришлось в связи с некоторыми опытами обсудить вопрос, каким образом электрические токи начинают течь внутри телесных проводников, и за решением этого вопроса он обратился к теории. Уравнения движения электрических токов переменной силы для проводников трех измерений, следующие из веберовского закона электрического действия на расстоянии, были выведены в 1857 г. Кирхгофом и частью им, частью другими математиками были с успехом применены для объяснения некоторых экспериментальных явлений. При попытке же Гельмгольца применить их к указанной новой проблеме теория привела его к физически недопустимым выводам, и он убедился, что причина этого заключается в самих принципах этой теории. А именно, согласно выводам из теории Вебера равновесие покоящегося электричества в проводящем теле может быть неустойчивым и поэтому построенная на этом теория допускает возможность таких электрических токов, у которых сила и плотность непрерывно возрастают и могут достигнуть бесконечно больших значений. Наоборот, уравнения движения, выведенные Гельмгольцем на основе неймановского закона индукции, дали для покоящегося электричества устойчивое равновесие и, следовательно, не привели к вышеуказанным невозможным выводам. Для того чтобы сделать выбор между существовавшими в то время теориями индукции Вебера, Неймана и Клерка Максвелла, Гельмгольц вывел общее выражение для потенциала двух элементов тока, которое заключало в себе все установленные до того времени законы. Это выражение содержало в себе неопределенной величины постоянную k, которая должна была принимать значения, равные соответственно 1,0 и —1, когда общее выражение Гельмгольца должно было переходить в выражения, данные Нейманом, Максвеллом и Вебером. Дальнейшее исследование электрических движений показало, что при отрицательном значении постоянной k возможно и отрицательное значение работы, представленной электрическим движением, т. е. возможна величина меньшая, чем при состоянии покоя; таким образом, возможность неустойчивого равновесия в состоянии покоя допускалась одной лишь теорией Вебера. Поэтому, признавая, что закон Вебера находится в соответствии с законом сохранения силы постольку, поскольку он не допускает кругового процесса, который создавал бы работу из ничего, Гельмгольц 1 все же пришел к выводу, что первый закон противоречит второму в том отношении, что согласно закону Вебера две электрические частицы, начавшие свое движение с конечною скоростью, приобретают на конечном друг от друга расстоянии бесконечно большую живую силу и, следовательно, могут произвести бесконечно большую работу. На это возражение В. Вебер в 1871 г. 2 ответил замечанием, что довод Гельмгольца справедлив лишь при том условии, если электрическим массам приписать начальную скорость, значительно большую скорости распространения света, и если сверх того принять, что электрические массы могут сблизиться друг с другом на молекулярные, т. е. бесконечно малые, расстояния. Однако Гельмгольц продолжал стоять на своем, утверждая, что указанные им отношения могут сложиться согласно закону Вебера и при практически осуществимых условиях. Это разногласие дало повод к довольно продолжительным дискуссиям, в которых приняли участие и другие ученые, как, например, Нейман, Целльнер, Ж. Бертран, Рике и т. д., большею частью стоявшие на стороне Вебера; в результате этих дискуссий появилось несколько ценных работ на эту тему, которые, однако, не смогли разрешить данного спорного вопроса на физико-математической основе.
Но и на экспериментальной основе разрешение указанного расхождения между этими теориями представлялось тогда едва ли возможным. Сам Гельмгольц указал, что по отношению к круговым процессам закон Вебера не дает отклонений и что вообще для замкнутых токов все три указанных закона индукции в одинаковой мере соответствуют фактической стороне дела. Для незамкнутых же токов, или для концов тока, исследование встречало покуда непреодолимые препятствия, вызванные преимущественно продолжительностью токов, длящейся только в течение того времени, пока подводится количество электричества, необходимое для заряжения поверхности соответствующего проводника. Наконец, Гельмгольц решил, что имеется возможность получать достаточно активные концы тока с помощью электрической конвекции — так назвал он перенос электричества, осуществляемый путем перемещения наэлектризованных тел. Дело в том, что закон потенциала (Неймана-Гельмгольца) приписывает электродинамическое действие только электричеству, движущемуся в весомых массах, но не тому электричеству, которое перемещается конвективно, между тем как закон Вебера не делает между ними в этом отношении никакого различия. Однако опыты, произведенные Н. Шиллером в 1874 г., сначала в физической лаборатории Берлинского, а затем с усовершенствованными приборами в лаборатории Московского университета, привели, по меньшей мере, к следующему выводу: либо действий концов тока, следующих из закона потенциала, вообще не существует; либо помимо электродинамических действий, предуказанных на основе этого закона, существуют еще и аналогичные действия конвективного электричества; таким образом, закон потенциала, во всяком случае, оказывается неполным, если в нем принимают в расчет только действие на расстоянии электричеств, протекающих по проводникам. Произведенные вскоре за тем в той же Берлинской лаборатории исследования Генри А. Роуленда прямо показали, что движение наэлектризованных весомых масс действительно производит электромагнитное действие. На этом основании Гельмгольц признал, что результаты этих опытов, действительно, вполне соответствуют предпосылкам теории Вебера, но при этом отметил, что их можно вывести и из теории Максвелла, отрицающей какое-либо непосредственное действие на расстоянии, а также из закона потенциала, если только при последнем принять во внимание диэлектрическую поляризацию изоляторов, окружающих проводник.
Хотя, таким образом, правильность закона Вебера с количественной стороны не была оспорена, но уже приведенный только что отзыв Гельмгольца указывает на то, что теперь речь шла уже не столько о правильности выводов, вытекающих из этого закона, сколько о принципиальной допустимости его исходных предпосылок, что теперь критика была направлена вообще против возможности и необходимости, во-первых, непосредственного действия электрических сил на расстоянии и, во-вторых, одновременного течения двух противоположных жидкостей по одному проводнику. К. Нейман в 1871 г. 5 попытался обойти, по крайней мере, допущение существования двух противоположных токов в одном проводнике. Сохранив в силе основной веберовский закон электрических сил, он вывел законы электродинамического действия и индукции на основе допущения, что только одно из электричеств, положительное, находится в движении, тогда как другое, отрицательное, остается неразрывно связанным с весомой массой.
Клаузиус тоже был против допущения Вебера, что при гальваническом токе в каждом элементе проводника должны одновременно перемещаться в противоположных направлениях и с одинаковыми скоростями равные количества положительного и отрицательного электричества. «Пока не существует, — говорит он, — неопровержимых доводов в пользу допущения подобного двойного тока, не следует отказываться от более простого представления, что ток является течением одной только жидкости, и на основе этого представления следует попытаться объяснить действия гальванического тока». Но так как закон Вебера казался ему несовместимым с этим простым представлением, то он сам попытался построить новый основной закон электродинамического действия двух движущихся частиц электричества. При этом он счел необходимым отказаться и от другого положения Вебера, согласно которому силы притяжения и отталкивания двух электрических элементов должны действовать по линии, соединяющей эти элементы. Для случая тяготения двух весомых покоящихся частиц он принял подобное направление взаимодействия как само собою разумеющееся, так как в данном случае иного определенного направления, кроме соединяющей их линии, не существует; но для двух частиц электричества, находящихся в движении, дело обстоит совершенно иначе. В данном случае кроме прямой, соединяющей обе частицы, есть еще и другие определенные направления, а именно — направления движений самих частиц, и есть все основания думать, что и эти направления влияют на направление силы их взаимодействия. Таким образом, из всех основ веберовской теории Клаузиус оставляет в силе лишь допущение, что взаимодействие двух электрических частиц зависит от их положения и от состояния движения, обусловленного их скоростями и ускорениями. На этой основе и с помощью только опытных фактов Клаузиус выводит для электродинамического взаимодействия новый потенциал V=k(ee'vv'/r)cose или вообще для потенциала двух электрических масс е и е' друг по отношению к другу V=(ee'/r)(1+kvv'cose), где, однако, v и v' обозначают уже не относительные, а абсолютные скорости частиц и e — угол между направлениями их движения. Однако и закон Клаузиуса вызвал ряд возражений и привлек на свою сторону лишь мало последователей. Сам Вебер был склонен признать его лишь постольку, поскольку он совпадал с его собственным законом. Г. Лорберг, по-видимому, вполне правильно, признал совершенно неприемлемой вытекающую из формулы Клаузиуса зависимость действий от абсолютных скоростей электричеств, признавая возможной зависимость этих действий только от относительной их скорости. «A priori, — говорит он, — конечно, нельзя отвергать допущения, что между двумя электрическими частицами может возникнуть сила не только в результате относительного их движения, но и в результате абсолютного движения их по отношению, скажем, к окружающему эфиру; но тогда, конечно, сила только кажущимся образом исходила бы из электрических частиц, и закон, поскольку он совершенно не учитывает истинного действия внешних сил, представлял бы собою нечто неудовлетворительное». Он пытается затем обосновать это действие, не делая никаких определенных допущений о движении электричества в токе, и снова приходит к тому выводу, что как пондеромоторная, так и электродвижущая силы двух элементов тока вполне соответствуют основному закону Вебера и что поэтому должно быть допущено существование противоположных движений двух электричеств в токе. Клаузиус признает ценность исследования Лорберга для выяснения данной проблемы, но продолжает настаивать на правильности своего закона и характеризует создавшееся положение следующими словами: «Если исходить из предположения, что только относительное движение в веберовском смысле этого слова может влиять на электродинамические силы, то приходишь к выводу, что основной закон Вебера является единственно возможным и что в гальваническом токе должны течь два электричества в противоположных направлениях и с равными скоростями. Если же не желают прибегать к допущению, что в гальванических, а равно и в других электрических токах, относительно которых имеют силу электродинамические законы, оба электричества движутся с равными скоростями в противоположных направлениях, то нельзя и допускать, что на электродинамические силы влияет только относительное движение (все равно, в веберовском или же в обычном смысле этого слова), а следует приписать такое влияние и абсолютным движениям; в этом случае мы приходим к моему основному закону как к единственно возможному».
В данном вопросе исследователи действительно продолжали бы оставаться между Сциллой и Харибдой, если бы они не использовали указанного Лорбергом выхода и не допустили участия окружающей среды в процессе взаимодействия двух электрических частиц. Но последнее, в конечном счете, приводит к пути, уже намеченному Гельмгольцем, принявшим в расчет диэлектрическую поляризацию, а именно, к отказу от действия на расстоянии (actio in distans), по крайней мере, в области электричества, и к допущению передачи электрических действий при посредстве диэлектрика. Однако раньше чем говорить об относящихся сюда работах, примыкающих к воззрениям Фарадея, нам следует остановиться еще на некотором среднем пути. Если действие силы происходит при посредстве среды, то оно требует для своего распределения известного времени. Отсюда возникает вопрос, можно ли при определении действия силы ввести в расчет время ее распространения, совершенно отвлекаясь от посредствующей среды, природа и движения которой нам неизвестны. Первым, который подобным образом ввел в расчет время распространения электрических сил, был, по-видимому, Гаусс. Уже в 1847 г. водном из своих писем к В. Веберу он сообщает, что давно размышляет над вопросами электродинамики и что он опубликовал бы свои исследования, если бы ему удалось включить в свою работу действительное завершение электродинамики, а именно, вывод добавочных сил (присоединяющихся к взаимодействию покоящихся частиц электричества, когда последние находятся в относительном движении) и их действий, но не мгновенных, а требующих для своего распространения времени (аналогично тому, как при свете). Он высказал при этом твердое убеждение в том, что наиболее существенное в данной проблеме — это составить себе определенное представление о характере распространения этих действий. Позднее, в 1858 г., Б. Риман представил Геттингенскому научному обществу работу, которая была опубликована лишь после его смерти в 1867 г., так как он взял ее назад. В этой работе Риман выразил электрический потенциал V двух электрических частиц друг относительно друга с помощью формулы, составленной по образцу уравнения Лапласа-Пуассона:
здесь a представляет собою определенную скорость (именно a2=1/2c2, где с есть упомянутая раньше постоянная Вебера). Риман не сделал никаких предположений относительно среды, в которой должно распространяться действие, но согласно самой формуле это распространение должно соответствовать распространению волн и других возмущений в упругой среде, так как приведенный потенциал V зависит не только от электрической плотности r, но также и от времени, а, следовательно, и от движения, а постоянная a приблизительно равна скорости света в эфире. К. Нейман в 1868 г., отстаивая закон Вебера и давая новый вывод этого закона, тоже исходит из предположения, что электрические действия распространяются от частицы к частице постепенно с течением времени. Он четко отличает от электростатического потенциала ee’/r как излучающего (emissiv) электродинамический, или воспринимающий (receptiv), потенциал
последний он выводит из того представления, что хотя излучающий потенциал распространяется между телами не изменяясь, но он требует для своего распространения времени, так что на движущиеся тела он действует иначе, чем в случае допущения мгновенного удаления электрических частиц.
Совершенно то же представление, не упоминая имени Неймана и, по-видимому, не зная его работы, применил Эдлунд непосредственно к действию двух электрических частиц в своей работе 1871 г. «Über die Natur der Electricitat» («О природе электричества»), притом в чрезвычайно остроумной и плодотворной форме. Из всех принятых раньше невесомых, — говорит Эдлунд, — в настоящее время остались только две электрические жидкости, которые признаются еще необходимыми с теоретической точки зрения. Но он, Эдлунд, попытается теперь доказать, что все электрические явления как статические, так и динамические могут быть объяснены на основе одной жидкости, которая, по всей вероятности, представляет собою не что иное, как эфир. С этой целью он допускает существование тонкой, в высшей степени упругой материи, распространенной во всей вселенной и заполняющей собою не только вакуум, но и те части пространства, которые заняты весомым веществам. Молекулы этой материи, находясь на определенных расстояниях друг от друга, взаимно отталкиваются по направлению соединяющей их прямой в обратном отношении квадратов этих расстояний. Таким образом, электрический эфир в высшей степени сходен с обыкновенным газом. Далее, для установления связи между эфиром и прочей материей остается еще сделать одно допущение, что в телах, которые мы называем хорошими проводниками, заключенный в них эфир, или, по крайней мере, часть его, легко перемещается от одной точки к другой, тогда как в непроводниках электричества он в большей или меньшей степени связан с весомыми молекулами. Если при этом непроводящее материальное тело есть газ или идеальная жидкость, то эфирные частицы сохраняют еще часть своей подвижности, а именно, поскольку они могут перемещаться вместе с частицами газа или жидкости. Из подвижности эфирных атомов необходимо следует, что в эфире, как в газах и жидкостях, давление должно быть по всем направлениям одинаково. Поэтому к эфиру может быть, с необходимыми модификациями, применен принцип Архимеда, согласно которому каждое тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость; но при этом, конечно, здесь следует иметь в виду не тяжесть, а отталкивание эфирных молекул.
Материальное тело, на которое действует электричество, не может двигаться, если заключенный в нем эфир отталкивается со всех сторон с одинаковою силою. Но если отталкивание с одной стороны меньше, чем с других сторон, то тело, если оно свободно, должно двигаться в направлении, определяемом отталкивательною силою. Поэтому при электрическом взаимодействии двух тел необходимо принимать во внимание следующие обстоятельства: «1) Непосредственное действие между эфиром тела А и эфиром тела В; 2) действие всей окружающей среды, за исключением эфира в А, на эфир тела В; 3) действие эфира в А на тот эфир, который занимает место тела В после удаления последнего; 4) действие всей окружающей среды, за исключением пространства, занимаемого телом А, на тот эфир, который находится на месте, занимаемом под конец телом В, если последнее переместить». Первые два случая соответствуют действию всей окружающей массы эфира на эфир тела В, а два последних выражают собою действие всей окружающей массы на эфир того места, которое занимает тело В, когда последнее было удалено. Если взять алгебраическую сумму двух первых случаев и вычесть из нее сумму двух последних, то соответственно закону Архимеда получается выражение для движения тела В. Сделав затем допущение, что тело, заряженное положительным электричеством, содержит эфира больше, а тело, заряженное отрицательным, наоборот, содержит меньше, чем в нормальном состоянии, Эдлунд выводит формулы Кулона для электрических притяжений и отталкиваний; точно так же и явления индукции статического электричества непосредственно вытекают из этих допущений. Разрядный электрический ток представляет собою тогда не что иное, как переход эфира из одного тела в другое. Гальванический ток представляет собою перемещение электрического эфира по направлению тока от одной точки к другой; сила же тока есть произведение плотности движущегося эфира на его скорость, или, говоря иначе, сила тока пропорциональна количеству эфира, проходящего по цепи за единицу времени. Масса эфира, заключенная в замкнутой цепи, остается одинаковой, независимо от того, существует ли ток или нет. Электродвижущие силы, под действием которых возникает ток, не могут создавать эфира; их функции ограничиваются лишь тем, что существующее уже в виде теплоты колебательное движение они превращают в поступательное. Отсюда следует, что теплота должна исчезать в том месте цепи, где действует электродвижущая сила, что подтверждается и явлением Пельтье. То обстоятельство, что любая последующая точка провода может воспринять электричество лишь после того, как все предшествующие ей точки им уже насыщены, делает скорость перемещения электричества по проводам зависимой от свойств последних и составляет причину того, почету до сих пор не удалось найти определенного числа для скорости распространения электричества в проводах. Однако все опыты согласны в том, что эта скорость очень велика и не зависит от силы тока.
Переходя к электродинамике, Эдлунд говорит: «В ходе этой работы мы будем исходить из положения, которое, насколько нам. известно, еще не было выдвинуто в качестве принципа для объяснения явлений природы, но которое по нашему мнению обладает аксиоматической достоверностью. Положение это заключается в следующем: все, что происходит или совершается во внешнем мире, требует известного времени. Это время может быть сколь угодно малым, но никогда оно не может быть равным нулю. Время и пространство представляют собою неизбежные условия бытия явлений природы. Это — априорная истина, подтверждаемая опытом по мере того, как совершенствуются научные методы измерения времени и пространства... Это положение по своему значению может быть приравнено к тому положению, которое рассматривают как основание механической теории теплоты и которое гласит: «Ничто не возникает из ничего». Приведенное положение должно быть применено, прежде всего, в области электричества, так как большая скорость распространения этого явления вызывает быстрые видоизменения взаимодействий эфирных молекул».
При помощи этого положения — и это составляет наиболее интересную и плодотворную часть его работы — Эдлунду удается электрические силы, действующие непосредственно на расстоянии, связать с состоянием движения электрических масс и, таким образом, получить формулу, подобную основному закону Вебера, не внося при этом в представление о силах, действующих на расстоянии, еще какого-либо иного допущения, кроме приведенного выше. Две молекулы m и m' на расстоянии r, находясь в состоянии покоя, взаимно отталкиваются с силой mm'/r2. Но когда m приближается к m' с постоянной скоростью h, то создается иное соотношение: когда m находится сначала в точке х, удаленной от m' на расстояние r+Dr, а затем за время Dt приближается к m на промежуток Dr, то взаимное отталкивание возрастает от mm'/(r+Dr)2 до mm'/r2. Но если сближение происходит с достаточно большой скоростью, то отталкивание не успевает соразмерно увеличиться, и в точке q оно меньше того, какое соответствует расстоянию r. При прочих равных условиях это уменьшение является функцией постоянной скорости. Следовательно, отталкивание в точке q можно выразить с помощью mm'/r2f(h), где функция скорости f(h) должна быть меньше единицы. Наоборот, для случая удаления m от m' можно легко получить, что отталкивание равно mm'/r2F(h), где F(h) должно быть больше единицы. Если, далее, скорость, с которой элементы сближаются друг с другом, считать отрицательной, а обратную скорость — положительной, то обе формулы можно объединить в одной mm'/r2F(h), где F(h) для положительных значений h должно быть больше, а для отрицательных значений меньше единицы. Но еще целесообразнее будет дать последнему выражению вид mm'/r2[1+f(h)], в котором f(h) представляет изменения электростатической силы вследствие движения и одновременно со скоростью принимает нулевое значение. Однако эта формула имеет силу лишь в случае постоянной скорости. Если допустить, что m снова приближается к m', но уже с убывающей скоростью, и снова за то же время Dt проходит тот же путь Dr, то вблизи точки х скорость будет больше, чем около q. Хотя в данном случае молекула т за время, Dt прошла тот же путь, что и в первом случае, и, следовательно, величина Dr/Dt имеет прежнее значение, тем не менее, сила отталкивания в точке q уже не будет прежней. Молекула m движется вблизи х с большей скоростью, чем около q; поэтому в тех местах, где отталкивательная сила больше, молекула m пребывает более продолжительное время, чем в тех местах, где эта сила меньше; вследствие этого сила отталкивания в q должна, очевидно, быть больше, чем в первом случае при постоянной скорости. Таким образом, сила отталкивания зависит не только от скорости, но и от изменения последней, причем эта последняя зависимость приводит к увеличению силы отталкивания. Легко показать, что такое усиление происходит при всяком вообще изменении скорости. Так как под скоростью здесь всегда подразумевается, конечно, относительная скорость, то последняя выражается через dr/dt, а ее изменение через d2r/dt2; поэтому общая формула взаимодействия двух электрических элементов m и m' имеет следующий вид:
Из этой формулы взаимодействия двух электрических молекул путем суммирования легко получается выражение для взаимодействия двух элементов тока, а из последнего, путем сопоставления его с формулой Ампера, можно определить вид функции f и y. Мы не можем дальше следить за выводами, которые привели Эдлунда к формуле, совершенно аналогичной закону Вебера, и должны ограничиться указанием, что на основе двух своих гипотез о применимости принципа Архимеда к учению об электричестве и о постепенном распространении действия электрических сил Эдлунду удалось разрешить и все проблемы гальванической индукции.
И здесь он стоит посредине между прежними и новыми воззрениями, поскольку индукцию он выводит не только из непосредственного действия движущегося эфира на эфир, покоящийся в проводниках, но также — из действия промежуточной среды. Когда ток возникает в замкнутой цепи вблизи замкнутого проводника, то, согласно его воззрению, положения равновесия эфирных молекул изменяются не только в замкнутом проводнике, но и в окружающей изолирующей среде, и индукционный ток представляет собою не что иное, как переход молекул из прежнего положения равновесия в новое. На это новое положение молекул в замкнутом проводнике вызывается не только непосредственным действием индуцирующего тока, но также изменением положения равновесия в эфире окружающей изолирующей среды. Лишь только индуцирующий ток прекращается, эфирные молекулы возвращаются в прежнее положение, и тогда в замкнутом проводнике мы имеем индукционный ток прежней силы, но противоположного направления.
Эдлунд чрезвычайно остроумно показал, каким образом старое воззрение о зависимости силы только от расстояния можно соединить с идеей Вебера о зависимости действия силы от скорости и ускорения. Тем не менее, нельзя утверждать, чтобы он содействовал укреплению чисто ньютоновских воззрений на силу, — чего он, впрочем, и не имел в виду; следует, наоборот, признать, что его точка зрения о не мгновенном, а постепенном распространении действия силы была несовместима с представлением о силе как actio in distans (действии на расстоянии). Ибо все, что движется в пространстве и движется со скоростью, поддающейся определению, не может быть не чем иным, как материей, и передача его не может заключаться не в чем ином, как в передаче материальных движений.
Теория Эдлунда встретила возражения в двух пунктах, которые показались особенно неприемлемыми приверженцам господствовавших тогда воззрений на сущность электричества. Этими пунктами были, вопервых, допущение единой электрической жидкости, тождественной, быть может, с эфиром, и, во-вторых, объяснение электрических токов непосредственным течением эфира.
С целью разрешения последнего вопроса Ант. Роити попытался применить метод Физо, при помощи которого последний доказал, что эфир может частично увлекаться движущимися жидкостями. Он пропускал ток один раз по направлению распространения светового луча, а другой раз — в противоположном направлении, рассчитывая с помощью явлений интерференции доказать влияние направления тока на движение света, но эти опыты привели к отрицательному результату; последнему, однако, не придали большого значения как доводу против воззрений Эдлунда. Что же касается борьбы между дуалистической и унитарной теориями электричества, то мы уже раньше указали, что по этому вопросу тоже не пришли ни к какому решению. При рассмотрении теории Эдлунда К. Нейман попытался сослаться в пользу дуалистической теории электрической материи на явления униполярной индукции. В 1832 г. во второй серим своих «Экспер. исследований» Фарадей показал, что в проводящей цепи ток может быть индуцирован и в том случае, когда возбуждение вызывается лишь одним полюсом магнита. Один конец проводника он привел в соприкосновение с одним из полюсов магнита, а другой конец он привел в скользящее соприкосновение с серединой магнита; когда затем магнит был приведен в быстрое вращение около своей оси, то в проводнике был замечен индукционный ток. В. Вебер в 1839 г. установил общие законы этой так называемой униполярной индукции. На основании опытов Плюкера 1862 г. Нейман пришел к выводу, что эти явления не могут быть объяснены унитарной теорией электричества, и В. Вебер присоединился к его мнению. Но Эдлунд в ответ на это указал, что все доводы Неймана против унитарной теории могут быть обращены и против дуалистической теории, и затем доказал, что все явления униполярной индукции могут быть вполне исчерпывающе объяснены на основе унитарной гипотезы.
У Эдлунда все электрические силы представляют собою, в конечном счете, еще элементарные силы напряжения эфира, но в это время существовали уже более глубоко обоснованные с кинетической точки зрения теории электричества. Подобную детально разработанную теорию представляет собою вихревая теория Ганкеля, опубликованная им в 1865 и 1867 гг. Согласно этой теории, при заряжении тела свободным электричеством на поверхности его во всех точках возникают бесконечно малые круговые колебания (вихри), выполняемые большим количеством частиц эфира (с некоторым участием молекул тела). В зависимости от направления круговых колебаний тело представляется наэлектризованным положительно или отрицательно. Эти колебания на поверхности тела следует представлять себе в виде стоячих колебаний; но при посредстве окружающего эфира они могут сообщаться и удаленным точкам, причем благодаря силам напряжения эфира возникают силы притяжения и отталкивания. Изолирующее вещество можно сравнить с прозрачной стеклянной пластинкой по ее отношению к свету: электрические колебания просто проходят через него; наоборот, на проводниках электричества попадающие на них поступательные колебания вызывают стоячие вихри. Исходящие из наэлектризованного тела колебания вызывают на проводнике, например на металлическом шаре, колебания совершенно такого же рода; однако со стороны проводника, обращенной к наэлектризованному телу, они кажутся (так как на них смотрят с противоположной стороны) происходящими в обратном направлении, и только на противоположной стороне шара они кажутся совпадающими с колебаниями наэлектризованного тела. Поэтому первая сторона будет казаться наэлектризованной противоположно, а вторая — одноименно с индуцирующим телом. Гальванический ток возникает в проводнике вследствие того, что эфирные молекулы, лежащие в поперечном сечении провода, образуют при участии весомых молекул общее круговое вращение вокруг оси провода и, таким образом, в виде общего вихря распространяются по его длине. Гальваническая индукция объясняется тем, что это вихревое движение через поверхность провода сообщается окружающему эфиру.
Позднее был предложен целый ряд аналогичных с принципиальной точки зрения вихревых теорий электричества, но все они страдают сложностью, неясностью и почти не поддаются математической обработке. Последнее, несомненно, и было причиной того, что физики-математики обратили очень мало внимания на эти теории. Однако и для старого, столь удобного воззрения на электрические силы как на элементарные основные свойства особых электрических материй, проявляющихся непосредственно на расстоянии, наступали все более и более трудные времена. Пока во всех явлениях распространения электричества наблюдалась только передача действий через промежуточную среду, независимо от свойств последней, до тех пор можно было действие электрических сил рассматривать как мгновенное и непосредственное действие на расстоянии. Однако все яснее выявлявшиеся в новейшее время влияния поляризации так называемого диэлектрика заставляли все сильнее думать, что распространение электрических действий целиком зависит от среды, а, следовательно, и от времени, т. е. смотреть на их распространение как на явление, происходящее только при посредстве среды. В таком случае указанный характер распространения электрических сил уже мог быть, по крайней мере, положен в основу математической разработки, независимо от несозревших еще для разрешения сложных вопросов о том, как эти действия возникают и как на них влияет природа материи. На такой именно основе К. Максвелл 1 и построил свои гениальные широко объемлющие математические теории электричества и магнетизма. Исходя из взглядов Фарадея на сущность электричества, Максвелл, не входя в более детальные пояснения, принимает, что всякое наэлектризованное тело приводит окружающую его и наполняющую все пространство среду в состояние некоторого напряжения, которое определяется пространственным расположением силовых линий Фарадея, исходящих из этого тела. А именно, по направлению силовых линий это напряжение действует притягательно, как некоторая сила тяги, а перпендикулярно к этим линиям оно действует отталкивательно, как некоторое давление. Дав математическое выражение для силовых линий и для обусловливаемого ими состояния напряжения диэлектрика, Максвелл затем приходит к формулам потенциала наэлектризованных тел, которые по своим выводам согласуются с данными опыта, по меньшей мере, в такой степени, как и законы, построенные на прежних представлениях о силе. По поводу того обстоятельства, что эта теория не в состоянии более детально связать напряжения со свойствами среды, сам Максвелл говорит следующее: «Единственное новое в настоящем исследовании заключается в выводе математического выражения для величины натяжения, действующего вдоль силовых линий, и для давления, действующего перпендикулярно к ним, а также в доказательстве, что это особое состояние действительно способно породить те механические силы, которые наблюдаются в электромагнитном поле на проводящем немагнитном и не поддающемся намагничиванию теле. Но каким образом вызывается это вынужденное состояние, а также, каким образом оно поддерживается, об этом я ничего сказать не мог. Следует, однако, констатировать, что взаимные притяжение и отталкивание двух токов могут быть так же хорошо объяснены напряжением состоянием окружающей их среды, как и действием токов на расстоянии. Дальнейшее изучение вынужденного состояния, каким образом, скажем, оно возникает и поддерживается пол действием движения частиц среды, должно составить предмет совершенно иного исследования.
Возможно ли произвести подобное исследование, и какие новые гипотезы, быть может, потребуются для него, это не имеет никакого отношения к полученным нами выводам». В другом месте он по тому же поводу говорит: «При помощи гипотезы напряженного состояния промежуточной среды мы сделали только один шаг в выяснении той роли, какую играет среда в передаче электрической силы с одного наэлектризованного тела на другое, потому что мы еще пока не выяснили, каким образом физически возникает и поддерживается это состояние. Следующий шаг, который нам следовало бы сделать, должен был бы нам показать, каким образом это состояние возникает в результате взаимного действия частиц среды. Он кажется мне особенно важным потому, что явления, которые до сих пор могли быть объяснены на основе допущения действия на расстоянии, были бы тогда сведены к игре молекулярных сил». В непосредственной связи с этим темным пунктом теории Максвелла находится другой, а именно, наша неосведомленность о взаимодействии между весомой материей и промежуточной средой, или незнание механизма превращения электродвижущих сил в пондеромоторные, и обратно. По этому поводу Максвелл говорит: «Под электродвижущей силой следует всегда подразумевать такую силу, которая действует только на электричество, но не на тела. Ее, следовательно, никогда не следует смешивать с тем, что мы называем механической силой, так как эта последняя, наоборот, действует только на тела, но никогда не действует на электричество, которое может находиться в телах. О формальной связи между электродвижущими и механическими силами мы узнаем только тогда, когда полностью будут выяснены отношения электричества к материи». Надежными основами своей электрической теории Максвелл считает, главным образом, бесспорные соотношения, существующие между светом и электричеством, прямо требующие отождествления промежуточной среды, в которой распространяются электрические действия, со световым эфиром. Из этих соотношений особенно обращают на себя внимание следующие три. Во-первых, скорость распространения света совпадает со скоростью, которая получается из данной теории для распространения электромагнитных возмущений в непроводнике и которая равна отношению электростатической единицы электричества к электромагнитной. Во-вторых, согласно данной теории показатель преломления (для света с наибольшей длиной волн) должен быть равен корню квадратному из диэлектрической постоянной соответствующей среды, что для парафина доказано с большой точностью. Наконец, в-третьих, влияние магнетизма на плоскость поляризации света указывает на столь тесную связь между ними, что Максвелл пытается даже разработать электромагнитную теорию света, исходя из допущения, что свет представляет собой электромагнитное возмущение. Максвелл заканчивает свою работу следующими ясными словами. «Итак, мы видели, что математические выражения для электромагнитного действия сил привели Гаусса к убеждению, что распространение электрических действий со временем должно составить действительную основу теории электродинамики. Но распространение мы можем только представить себе либо в виде материального тела, летящего в пространстве, либо в виде распространения некоторого состояния движения или напряжения, — при посредстве среды, находящейся в пространстве. В теории Неймана принимается, что математическое понятие «потенциал», которого мы ни в коем случае не можем себе представить как нечто материальное, перебрасывается от частицы к частице (независимо от существования среды)... Риман и Бетти, по-видимому, представляли себе это распространение несколько более схожим с распространением света... Однако при всех этих теориях естественно возникает вопрос: если нечто переносится через промежуточное пространство с одной частицы на другую, то в каком состоянии находится это нечто, после того как оно оставило одну частицу и еще не достигло другой?.. Действительно, если вообще энергия передается от одного тела к другому не мгновенно, а в конечное время, то должна существовать среда, в которой она временно пребывает, оставив первое тело и не достигнув еще второго... Поэтому и эти теории должны привести к понятию среды, в которой и происходит распространение. Но коль скоро гипотеза существования среды принята, мы должны, мне кажется... всячески стараться составить себе ясное понятие обо всех деталях ее действия. Это и было моей главной целью при составлении настоящего труда».
Почти все приведенные до сих пор теории электричества принадлежали физикам-математикам, которые стремились разработать определенное представление о сущности электричества, необходимое в качестве твердой базы для их дедукций. Однако новейшие экспериментальные достижения, не поддававшиеся полностью объяснениям на основе обычных допущений, побудили и физиков-экспериментаторов заняться новыми для них общими вопросами о природе электричества. Эти новые экспериментальные достижения сводились, главным образом, к явлениям электрических разрядов в вакууме или в разреженном пространстве, на важное значение которых указал еще Фарадей. Однако на первых порах исследование касалось преимущественно старых проблем, а именно, проводимости безвоздушного пространства, влияния магнита на явления разряда, а также слоистости света в гейслеровских трубках.
Прежними опытами П. Эрмана, П. Рисса и других была, по-видимому, строго доказана невозможность прохождения электричества через пустое пространство. Но так как теперь заметили, что в разреженных газах с усилением разрежения разряды электричества не только не ослабевают, но скорее усиливаются, то стали сомневаться в сделанных раньше выводах, а многие физики были даже склонны считать, что пустота представляет собой наиболее совершенный проводник электричества. Однако и эта точка зрения вскоре была поколеблена, когда из дальнейших опытов выяснилось, что проводимость газов не повышается непрерывно с разрежением, а для каждого газа имеет свой определенный максимальный предел. В 1866 г. А. де-ла-Рив признал в качестве такого предела для водорода давление в 2,5 мм ртутного столба, а в 1861 г. Гассиот дал описание новых своих опытов, из которых вытекало, что пустота совсем не проводит электричества. Объяснение этих интересных явлений было менее трудно, чем это показалось с первого взгляда. Если допустить, что проведение электричества в газах осуществляется не действительным течением электричества, а путем конвекции, — таким образом, что молекулы газа при своих взаимных столкновениях на одной стороне принимают электричество, а на другой его отдают, тогда с увеличением разрежения газа и, следовательно, удлинением среднего пути молекул должна увеличиваться и скорость проведения электричества; но, с другой стороны, ввиду уменьшения массы газа, при посредстве которого происходит проведение, количество проводимого электричества должно уменьшаться; под действием этих двух противоположно направленных причин у каждого газа может создаться свой максимум проводимости электричества при известной степени разрежения. Эдлунд, конечно, принципиально не мог согласиться с таким объяснением. Так как, согласно его теории электрические явления вызываются только поступательным движением эфира, но отнюдь не газовых частиц, то распространение электричества в так называемой пустоте должно быть легче, чем в пространстве, заполненном веществом. Он, правда, не отрицает, что при бесконечно большом разряжении ток под конец встречает бесконечно большое сопротивление, но в противовес этому указывает на то обстоятельство, что в пустоте все-таки можно вызвать электрические явления через влияние; что касается указанного выше сопротивления, то он полагает, что оно не представляет собой сопротивления вакуума, а сопротивление перехода между твердыми электродами и газом, которое по мере разрежения растет до бесконечности и перевешивает ослабление сопротивления в газе, вызванное его разрежением. К его мнению полностью присоединился и Э. Гольдштейн. Последний вместе с тем выступил с возражением против довода, который был выдвинут против участия одного лишь эфира в электрическом разряде и который заключался в том, что при разрядах каждый газ дает свой собственный характерный спектр. По его мнению, этот факт очень просто объясняется тем обстоятельством, что сам эфир совершенно не обладает оптической лучеиспускательной способностью и что, следовательно, движения эфира сами по себе не дают света. Только тогда, когда эти движения передаются в разрядных трубках по резонансу остаткам газа, возникают те световые явления, которые, конечно, тогда дают спектр, свойственный соответствующему газу. Э. Видеман тоже склоняется к этому мнению, он полагает, что незначительное нагревание, которое дает положительный разряд в сильно разреженных газах, представляет собой прямое доказательство хорошей теплопроводности последних. Тем не менее, большинство физиков, по-видимому, не признает еще проводимости вакуума (что, конечно, было бы почти равносильно отказу от прежних воззрений на природу электричества) и склоняется к тому, чтобы выждать более убедительных экспериментальных доказательств этой теории.
Различие света на аноде и катоде в разреженном воздушном пространстве и существование темного пространства между ними были открыты Фарадеем в 1838 г. В 1843 г. Абриа, доведя разрежение в электрическом разряде до 2 мм, наблюдал чередующиеся в нем светлые и темные слои. Однако на эти явления обратили так мало внимания, что Ке мог приписать их открытие себе, а другие физики приписали его Грове. Но с тем большим рвением принялись за объяснение этих явлений, когда интерес к ним вновь пробудился. Рисс различал непрерывные и прерывистые разряды, в зависимости от того, протекает ли электричество в хороших проводниках сплошным током или же оно пробивается через дурные проводники с перерывами. Слоистость света он объяснял прерывистыми частичными разрядами, проходящими в газах отдельно друг от друга. Ке и Сегэн объясняли слои света слоями газов, которые, подобно твердым непроводникам, под действием электрической индукции распадаются на чередующиеся слои положительного и отрицательного электричества. Огюст де-ла-Рив экспериментальным путем установил, что темное катодное пространство проводит лучше, чем светлый слой, и поэтому сравнил слоистый свет с цепью, составленной попеременно из платиновых и серебряных звеньев, в которой только первые накаливаются от гальванического тока. Совершенно иное объяснение, в большей мере примыкающее к механической теории газов, дали этому явлению Г. Видеман и Рюльман. По их представлению частицы газа отбрасываются от обоих электродов с такою скоростью, что они начинают светиться; достигнув соседнего слоя покоящегося газа, они теряют свою живую силу, но при этом они обмениваются скоростями с противоположными электрическими частицами газового слоя, так что вместо них дальше идут вперед, излучая свет, соответствующие электрические частицы газового слоя. Места, где обмениваются друг с другом потоки молекул, несущиеся с противоположных электродов, соответствуют темным слоям разрядной трубки. Однако в начале семидесятых годов, благодаря усовершенствованию способов получения вакуума, эти явления так усложнились, что объяснение их без допущения новых начал, новых состояний весомой материи или нового непосредственного воздействия эфира стало невозможным. Ряд подобных работ открыл в 1869 г. Гитторф своим большим исследованием «Über die Elektricitätsleitung der Gase» («Об электропроводности газов»). В нем он показал, что темный мерцающий свет у катода, при понижении давления ниже 1 мм ртутного столба, очень быстро распространяется и, наконец, заполняет всю трубку; что свет этот, попадая на стенки трубки, повсюду вызывает довольно сильную фосфоресценцию; и, наконец, он подробно описал разнообразные влияния магнита на свет гейсслеровских трубок, что, впрочем, отчасти было уже известно и раньше.
Однако гораздо большую сенсацию вызвали соответствующие наблюдения Крукса, описанные им в конце семидесятых годов, а также предложенное им широкое теоретическое обоснование этих явлений. Крукс тоже исходил из наблюдения, что с усилением разрежения темный свет катода все больше распространяется и, наконец, совершенно вытесняет анодный свет. Так как с разрежением газа увеличивается и средняя длина свободного пути его частиц, то естественно было распространение темного катодного пространства поставить в связь с удлинением свободного пути; но Крукс полностью отождествил обе эти величины. По мнению Крукса, когда благодаря разрежению свободные пути газовых частиц становятся сравнимыми с размерами сосуда, тогда молекулярное состояние газов коренным образом изменяется; в этом случае вещество, находящееся в трубке, уже нельзя относить к газообразному агрегатному состоянию, и оно подчиняется совершенно иным законам, чем газ; Крукс называет это ультрагазовое состояние четвертым агрегатным состоянием, а материю в этом состоянии он называет «лучистой материей». Молекулы этой ультрагазовой материи отбрасываются от электродов с огромной скоростью, причем с катода еще с большей скоростью, чем с анода. Темное катодное пространство есть, следовательно, то пространство, по которому отрицательные молекулы газа, отлетая от катода, несутся свободно по прямым линиям, ни с чем не сталкиваясь, и на границе которого они задерживаются летящими им навстречу положительными молекулами. Относительно физических свойств лучистой материи Крукс устанавливает следующие законы: 1) Лучистая материя всюду, где она появляется, вызывает сильное фосфорогенное действие. Если разрежение довести до того, что темное катодное пространство достигнет противоположной стенки, то последняя под действием ударов газовых частиц начинает светиться; в этом потоке молекул фосфоресцируют и другие вещества, например алмаз, глинозем и пр. Материя в ее обычном газообразном состоянии не вызывает никакой фосфоресценции, так как скорость ее молекул слишком мала. 2) Лучистая материя движется прямолинейно. Так, например, если в трубку с сильно разреженным воздухом впаяны в любых местах три положительных и один отрицательный полюс, то при умеренной степени разрежения вся трубка заполняется светом; при сильном же разрежении фосфоресцирует только та часть стенки, которая лежит против отрицательного электрода; ее положение, следовательно, не зависит от расположения трех положительных электродов. 3) Падая на твердое тело, лучистая материя дает тень. Если на пути лучей, исходящих от катода, поставить крест (прозрачный), то на фосфоресцирующей стенке наблюдается его тень. 4) Лучистая материя производит сильное механическое действие — она приводит в движение поставленную на ее пути маленькую световую мельницу. 5) Лучистая материя отклоняется магнитом; параллельные потоки лучистой материи относятся друг к другу не как гальванические токи, а как одноименно наэлектризованные тела. 6) В тестах, на которые она падает, лучистая материя развивает теплоту. Если катоду придать форму вогнутого зеркала, то при достаточной силе разряда в фокусе этого зеркала могут быть расплавлены даже сплавы иридия с платиной.
Крукс ожидал очень многого от вновь открытого им состояния материи, от нового мира, к которому применима теория материальности света — мира, который мы в состоянии наблюдать только извне, но в который мы никогда не будем в состоянии проникнуть. Однако большинство других физиков, и, прежде всего немецких, было весьма мало склонно к принятию этого нового мира, полагая, что покуда можно еще обойтись с тремя прежними агрегатными состояниями, не прибегая к четвертому. Э. Гольдштейн, описавший уже ранее Крукса некоторые особенности катодного света в 1880 г., показал, что предложенное Круксом отождествление длины темного катодного пространства с длиною свободного пути газовых молекул ни в коем случае не может быть принято. Он установил на пути катодных лучей в трубке фосфоресцирующую пластинку таким образом, что она частично еще лежала в темном катодном пространстве. Тогда обнаружилось, что это пространство не имеет резко очерченной границы и что сила света изменяется лишь постепенно. При разрежениях не ниже 1/125 мм, когда длина свободного пути, по Максвеллу, должна быть равна 5,7 мм, толщина темного слоя оказалась в 10 раз большей и пластинка ярко фосфоресцировала даже на расстоянии 0,9 м от катода. Кроме того, катодные лучи в действительности заканчивались вовсе не на границе темного слоя, — при очень сильных разрежениях они оказались в состоянии пронизать даже слоистый свет анода.
В. Ф. Гинтль указал, что все явления в круксовых трубках можно объяснить и без помощи ультрагазового состояния материи, если только допустить, что электрический ток непрерывно срывает с катода металлические частицы, которые затем уходят от полюса и движутся прямолинейно до тех пор, пока какое-либо препятствие не изменит их движения или же их поглотит. Пулуй развил дальше эту гипотезу, связав ее с унитарной теорией электричества Эдлунда. Согласно теории Пулуя химические силы развивают в гальванической батарее поток эфира, который, входя в проводник с большим сопротивлением, должен здесь застаиваться и образовать положительный полюс, а при выходе из этого проводника должен разрежаться и образовать отрицательный полюс. Поэтому-то в светящейся дуге электрической лампы, где воздушное пространство между остриями углей представляет большое сопротивление, положительный полюс образуется в месте выхода электричества. Но для индукционного тока в гейсслеровских трубках создаются обратные условия, так как при высоком напряжении тока воздушное пространство в трубках представляет меньшее сопротивление. Здесь, на месте входа эфирного потока в газовый столб, образуется недостаток эфира, а вместе с тем и свободное отрицательное напряжение, а на другом конце возникает свободное положительное напряжение. Между обоими этими концами должно существовать, по крайней мере, одно место, где напряжение равно нулю, — это и есть граница темного катодного пространства; слоистость света указывает на то, что таких мест с нулевым напряжением имеется много. Сильный поток эфира, исходящий из отрицательного полюса, срывает с последнего частицы его вещества, которые, разлетаясь от катода по прямолинейным путям, вызывают явления мнимой лучистой материи, но истинная природа которых неопровержимо проявляется в красивых металлических зеркальных налетах, образующихся на стенках трубок 3. При ударе катодных частиц о стенки их живая сила превращается в теплоту; однако эта теплота недостаточно велика, чтобы вызвать фосфоресценцию, поэтому последнюю следует приписать эфиру, который увлекают с собою катодные частицы. В самом деле, при столкновении этих отрицательных электродных частиц со стеклянной стенкой происходит, помимо сотрясения материальных молекул, обмен эфира между стенками и молекулами, вызванные этим сотрясения эфирных оболочек превращают каждое место стенки в центр новых эфирных волн, которые мы и воспринимаем в качестве света фосфоресценции.
Если приведенные объяснения все еще базировались на основной идее Рюльмана и Г. Видемана, что катодные лучи вызываются движением материальных частиц, сорванных с электродов, то Э. Видеман счел возможным отказаться и от этой идеи; по его мнению, катодные лучи представляют собою не что иное, как лучи света и, прежде всего потому, что при незначительности массы переносимой весомой материи пришлось бы, для объяснения нагревания стеклянных стенок трубки, приписать сорванным материальным частицам огромные скорости. Э. Видеман описывает процесс разряда следующим образом. Поступающее из машины электричество, которое можно рассматривать как свободный эфир, накопляется на поверхности электродов и вызывает в окружающей среде диэлектрическую поляризацию, заключающуюся в том, что эфирные оболочки отдельных газовых молекул деформируются, между тем как вращение молекул около их осей происходит в прежнем направлении. Когда плотность электричества на электродах достигает известной степени, происходит его разряд, т. е. изменение диэлектрической поляризации распространяется по эфирным оболочкам газовых молекул и приводит их, таким образом, в колебания, а одновременно и свободный эфир может переходить от молекулы к молекуле. Наблюдавшееся в разрядных трубках столь большое различие между положительным и отрицательным электричеством объясняется, быть может, тем, что распространение последнего обусловливается только распространением диэлектрической поляризации, между тем как первое связано также с переходом свободного эфира. Световые явления в круксовых трубках с пластинчатой формой электродов протекают следующим образом. Сначала возле катода располагается темное, почти лишенное света пространство, темное катодное пространство k; за ним следует резко ограниченный со стороны катода слой, светлый катодный слой b; от последнего идет по направлению к аноду постепенно ослабевающий свет, мерцающий свет bp; последний в свою очередь отделяется темным промежутком bp от слоистого столба анодного света. Наконец, все это пронизывается темными катодными лучами Im, которые исходят от катода и фосфоресцируют лишь при встрече с какими-либо телами. Объяснение этих явлений вытекает из приведенного представления о сущности электрического тока. С анода распространяются волны диэлектрической поляризации, сопровождаемые потоками свободного электричества, которые отражаются от светлого катодного слоя. Между этими отражениями и вновь прибывающими волнами происходит интерференция, образуются волны максимального и минимального движения, по отношению к которым протекающее электричество ведет себя, конечно, неодинаково: в первых местах газы светятся, во вторых нет. Темное пространство между анодным и катодным светом является местом первой интерференции. Катодные лучи не имеют никакого отношения к электрическому току или к переходу самого электричества; они представляют собою лучи света со столь короткой длиной волны, что они невидимы; но, падая на весомую материю, они замедляются в своих колебаниях и превращаются в светящиеся волны. С этим допущением вполне согласуется то обстоятельство, что катодные лучи с их поперечными колебаниями свободно пронизывают анодный свет, состоящий из продольных колебаний; что, при незначительной длине волны, катодные лучи поглощаются даже тончайшими слоями вещества; что они вызывают фосфоресценцию, флюоресценцию и химическое разложение; что, подобно обыкновенным световым лучам, они отражаются и т. д.
Итак, хотя, таким образом, экспериментальные физики все больше и больше приближались к унитарной, а, следовательно, и к эфирной теории электричества, тем не менее, к кинетической теории в собственном смысле они еще не пришли; источником электрических сил все еще служили упругие силы эфира или же вопрос в этом направлении вообще не обсуждался. Только путем аналогий пытались создать возможность кинетических истолкований для притягательных и отталкивательных сил электричества. Уже неоднократно обращали внимание на известное подобие формул для течения воды и воздуха по узким трубкам с формулами, характеризующими течение теплоты и электричества. Кроме того, упомянутые нами выше акустические притяжения и отталкивания показали, что колеблющаяся среда может действовать притягательно и отталкивательно благодаря одним только своим движениям, без участия какой-либо особой силы.
Теперь же в подтверждение этого последнего явления стали приводить много других примеров, которые должны были явиться прямой иллюстрацией электрических действий. Проф. К. А. Бьеркнес из Христиании производил в 1881 г. на Парижской электрической выставке опыты с вибрирующими барабанами, помещенными под водой. Барабаны эти состояли из металлических колец, около 2 см диаметром, с натянутыми на обеих сторонах каучуковыми пластинками; к кольцам были припаяны трубки, которые служили как для поддержания барабанов, так и для попеременного сгущения и разрежения в них воздуха. Когда в двух таких барабанах происходят одновременно сгущение и разрежение, то они сближаются, в противном случае они отталкиваются. Так как при этом действующие силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния между барабанами, то пульсирующие тела можно приравнять к магнитным полюсам или к наэлектризованным телам. Когда подобный барабан был разделен пополам перегородкой, то при попеременном сгущении и разряжении воздуха в обеих половинах барабан вел себя, как магнит с двумя полюсами, — одной стороной он притягивал, а другой отталкивал. Подобно пульсирующим барабанам, действовали друг на друга под водою и маленькие шарики, совершавшие маятникообразные колебания около поперечного рычажка; при одинаковом направлении своих колебаний они взаимно отталкивались, а при противоположном — притягивались. Так как при этом противоположные стороны шариков всегда находятся в противоположных фазах своего движения, то такой колеблющийся шарик всегда подобен двухполюсному магниту. Движения барабанов или шариков сообщаются, конечно, воде, а через нее и другим находящимся в ней телам. Пробковый шар, вследствие своей легкости, воспринимает колебания сильнее, чем вода, и удаляется от пульсирующего тела, но тело более тяжелое, чем вода, по-видимому, притягивается. Когда вблизи пульсирующего барабана горизонтально подвешивается палочка из пробки, то она, подобно магнитному телу, располагается вдоль по оси, металлическая же палочка, подобно диамагнитному телу, располагается экваториально. Наконец, Бьеркнесу удалось выявить характер движения воды около пульсирующего тела и показать, что эти движения вблизи пульсирующего тела совершенно соответствуют магнитным силовым линиям.
В следующем году подобные же опыты были произведены в воздухе Августом Штро в Лондонском обществе телеграфистов. Он применял для этого маленькие деревянные чашечки с натянутыми на их отверстия упругими перепонками; с противоположной стороны каждая чашечка при помощи гибкой трубки сообщалась с полостью, в которой звучащая труба поддерживала правильные колебания воздуха. Здесь в воздухе получались те же явления притяжения и отталкивания, какие раньше были получены Бьеркнесом под водою. Покоящееся тело, рука, карта и пр. всегда, подобно немагнитному телу, вызывали притяжение; линии давления вполне соответствовали магнитным силовым линиям. Наконец, в 1882 г. Б. Эли показал совершенно такие же явления на шарах, вращающихся под водою. Два вращающихся рядом шара при одинаковом направлении вращения отталкиваются, а при противоположном направлении притягиваются; два шара, расположенных один над другим и вращающихся около общей вертикальной оси, дают прямо противоположный эффект.
Совершенно ясно, что все эти аналогии между действием колеблющихся и наэлектризованных тел не могут еще заменить кинетической теории электричества. Не приходится также сомневаться и в том, что подобная теория едва ли встретит всеобщее признание раньше, чем сила тяготения тоже получит кинетическое объяснение. Но для того чтобы правильно оценить плодотворность и ферментативное значение таких аналогий, достаточно вспомнить плодотворное влияние примененных Т. Юнгом акустических аналогий на развитие волновой теории света. Наглядным свидетельством того, насколько общими стали в теории электричества скептическое отношение к непосредственному действию на расстоянии и потребность в кинетической теории силы, могут послужить нижеприведенные слова Г. Видемана, заимствованные из его обширного руководства «Die Lehre von der Elektricität»; эти слова тем более заслуживают внимания, что при теоретических своих выводах Видеман все еще исходит из старого допущения об электрических жидкостях, непосредственно действующих на расстоянии: «Благодаря теоретическим изысканиям Максвелла и Гельмгольца мы получили возможность свести распространение магнитных и электрических возмущений к уравнениям, совершенно тождественным уравнениям двух взаимно перпендикулярных световых колебаний. Поэтому представляется естественным свести магнитные и электрические возмущения к соответствующим движениям светового эфира... Если удастся еще в большей мере свести электрические явления к движениям эфира, то не только произойдет слияние двух обширных областей физики, но мы получим также возможность свести все физические явления к движениям двух видов материи, молекул и атомов тел и частиц эфира».
Нам остается еще упомянуть о целом ряде отдельных наблюдений, характерных для современного состояния теории электричества, наблюдений, которые указывают на тесную связь электрических явлений с внутренними движениями и состояниями материи, но представляют еще известные трудности для объяснения за отсутствием у нас достаточной осведомленности о взаимодействии между весомой материей и эфиром. Гагенбах показал, что возникновение электричества от трения зависит не столько от природы веществ, сколько от структуры и вида их поверхности. Так, например, стекло, натираемое кошачьим мехом, в зависимости от способа натирания и вида поверхности, наэлектризовывалось то положительно, то отрицательно. Бумага, в зависимости от материала, из которого она была сделана, а также в зависимости от ткани, вела себя тоже различно. Черный и белый шелк стоят в ряду напряжений далеко друг от друга. И металлы, при натирании их различными непроводниками, наэлектризовываются противоположно. П. Вольпичелли нашел, что все металлические проволоки при изгибании дают слабые токи, причем последние, по крайней мере, когда изгибания не следуют часто друг за другом, имеют не термоэлектрическое происхождение, так как они исчезают вместе с изгибанием и меняют свое направление, когда сгибание сменяется разгибанием. Ускорение процесса сгибания усиливает ток. П. Жулен указал, что столь часто наблюдаемое сильное развитие электричества на передаточных ремнях быстро вращающихся колес машин происходит не столько от трения, так как оно появляется и в том случае, когда бумага с сушильного барабана снята, — сколько вследствие быстрого перерыва соприкосновения ремня с ободом. Квинке уже в 1859 г. открыл, что при протекании жидкостей через пористые стенки возникают электрические токи в направлении течения жидкости. Целльнер в 1872 г. показал, что не только протекание жидкостей по капиллярным трубкам, но и всякое вообще трение жидкостей о твердые тела всегда возбуждает электричество; на этом явлении, а также на допущении существования течений в жидком ядре земли, он основал теорию земного магнетизма. Эти явления, связанные с течением, неоднократно после этого подвергались сомнению, но, в общем, они все-таки подтвердились. После этого в 1876 г. Целльнер подвел итоги своим экспериментальным исследованиям, а вместе с тем и изложил объяснение этих явлений в следующих словах: «При скользящем трении двух тел на поверхности их соприкосновения возникают такого рода электродвижущие силы, что при благоприятных условиях они дают токи, которые стремятся сместить тела в направлении, противоположном их относительному движению». Этим были объяснены не только токи при прохождении жидкости через диафрагмы, но и, обратно, увлекание электрическими токами материальных частиц как прямо противоположное явление. Правда, Эдлунд более глубоко объяснил первое явление на основе своей теории, допустив, что текущие жидкости способны приводить непосредственно в движение электрическую жидкость и увлекать ее с собою; но Эльстер утверждал, что свободные струи жидкостей в воздухе не дают никакого электричества. Упомянутое выше захватывание материальных частиц текущим электричеством открыл уже в 1807 г. Рейсс, заметивший, что жидкость, разделенная на две части пористой перегородкой, переносится током по направлению последнего. Подобные же опыты произвел Порретт в 1816 г. Прибор для более точного наблюдения этих явлений был впервые устроен Г. Видеманом в 1852 г., и тогда этот процесс обратил на себя общее внимание физиков. Однако многие физики склонялись все-таки к мысли, что причиной переноса жидкости не является в данном случае электричество, и приписывали это явление диоомосу, видоизмененному под влиянием электричества, — так как тогда еще не удавалось воспроизвести переноса жидкости током при отсутствии диафрагмы. Последнее удалось осуществить лишь Квинке в 1861 г. Для того чтобы сделать видимыми течения, вызванные в жидкости электричеством возле стенок твердых трубок, он применил мелкие крахмальные зерна; в результате своих опытов он дал удовлетворительное объяснение всех этих явлений. По его теории, жидкости, благодаря соприкосновению со стенками трубки, наэлектризовываются, и в зависимости от рода электричества они уносятся в направлении положительного или отрицательного тока; взвешенные в жидкости тельца в свою очередь наэлектризовываются жидкостью и вместе с нею уносятся электричеством. В конце своей работы Квинке говорит: «Нет ни единого факта, который противоречил бы объяснению переноса материальных частиц. Во всяком случае, из приведенных опытов следует, что движение материальных частиц под влиянием текущего электричества ни по своей величине, ни по своему направлению не зависит от агрегатного их состояния, а зависит от природы частиц и от природы тех веществ, с которыми они приходят в соприкосновение». На тех же принципах Гельмгольц в 1879 г. построил математическую теорию этой конвекции. Но благодаря этому исследование непосредственного действия эфира на весомую материю здесь было снова удачно обойдено под тем предлогом, что в данном случае свободное электричество действует не на весомое вещество жидкости, а на заключающееся в нем и связанное с ним электричество.
По мнению Эдлунда, ему в 1866 г. удалось установить, что под влиянием тока металлические проволоки удлиняются независимо от вызываемого током нагревания, ибо, нагревая проволоку до одной и той же температуры один раз теплой водой, а другой — электрическим током, он нашел большее удлинение проволоки при нагревании током. Однако опыты других физиков указывают, что удлинения от тока могут быть приписаны все-таки косвенному действию теплоты и что неодинаковое действие тока и нагревающих жидкостей может быть объяснено неодинаковым внутренним распределением теплоты. Все эти многообразные наблюдения связи между электрическими явлениями и молекулярными изменениями весомых тел позволяли думать, что всякое изменение в электрическом состоянии тел влечет за собою движение и перегруппировку их молекул и что, наоборот, все изменения молекулярных движений вызывают и электрические действия. Однако эти более общие представления о возбуждении электричества в свою очередь снова вызвали сомнение, является ли действительно химическая теория гальванического тока единственно возможной и нельзя ли источник электричества, возникающего при соприкосновении разнородных веществ, свести к другим причинам, и преждевсего к тепловым различиям между соприкасающимися веществами. Тогда выравнивание этих различий при соприкосновении различных веществ можно было бы рассматривать как причину молекулярных изменений, обусловливающих электрические явления; возбужденное же электричество вызывает химические изменения тел, которые при благоприятных условиях со своей стороны дают теплоту, необходимую для получения длительных электрических токов.
И действительно, как раз такого рода теории электрического тока стали в это время отстаиваться с большой настойчивостью. Г. Гор на основании многообразных опытов пришел к выводу, что возбуждение электричества при соприкосновении металлов с жидкостями происходит не столько вследствие химической, сколько в результате тепловой разности между ними. Бути, идя в том же направлении, показал, что две одинаковые металлические пластинки, погруженные в одну и ту же жидкость, части которой находятся при различных температурах, развивают электродвижущие силы. Наконец, Гоорвег в результате пространных рассуждений пришел к следующим выводам: «Все гальванические токи являются термотоками; химическое действие в столбе и в аппаратах для разложения является следствием гальванического тока». Вслед за тем он пришел к такому общему заключению: «Электричество от трения и давления имеет то же самое термическое происхождение, что и гальванический столб, т. е. соседние молекулы двух разнородных тел своими тепловыми движениями действуют друг на друга тормозящим образом; при этом часть тепловой энергии исчезает и взамен ее появляется эквивалентное количество электрической энергии ... Этой причины в то же время достаточно для объяснения всех случаев возникновения электричества. Нет основания считать источниками электричества ни испарение, ни растворение или отвердевание, ни дробление или толчение, ни осмос или капиллярность, ни горение или какое-либо иное химическое действие».
Перейдя в заключение к описанию развития электрической техники, мы остановимся на этом вопросе несколько подробнее, чем мы делали это прежде, когда касались технических отраслей знания, — с одной стороны, потому, что эта отрасль, начавшая отделяться от теории лишь в самое последнее время, в описываемый нами период находится еще в особенно тесной связи с теорией, — более тесной, чем в каком-либо другом отделе физики; с другой же стороны, — потому, что электротехника стремится занять совершенно особое положение, отличное от других отраслей техники.
Трудно установить, кто впервые применил слово «электротехника» и когда это случилось. Кармарш в своей «Истории технологии» 1872 г. еще не употребляет этого выражения, и его было бы бесполезно искать в лексиконах, появившихся в свет до 1880 г. Во всяком случае, восприемниками при установлении этого наименования были — Первая электрическая выставка в Париже 1881 г. и Конгресс электриков. Это слово не поддается легко определению и не исчерпывает всего вкладываемого в него содержания; согласно внешнему своему выражению электротехника обозначает только особую отрасль техники; но, с другой стороны, в настоящее время она стремится охватить всю технику, по крайней мере, в той мере, в какой электричество, проводя и преобразуя, должно играть роль честного посредника в игре сил. Что оно способно на такую посредническую роль, что оно в состоянии превращать движение, работу и силы, этого отрицать не приходится. Электричество легче поддается непосредственному превращению в другие физические силы, чем его великая соперница — теплота, и, кроме того, его легко передавать по любым направлениям на любые расстояния. Однако существование электротехники в указанном выше общем смысле зависит не только от этих свойств электричества, но, пожалуй, еще в большей мере от того, можно ли самое электричество, эту предпосылку всякой электротехники, иметь везде, в любое время достаточной силы и, наконец, по сходной цене. Открытые раньше других источники электричества оказались с обеих этих точек зрения непригодными для разрешения общей проблемы передачи сил. Вольтов столб и все вообще гальванические батареи, будучи пущены в ход, тотчас же начинают настолько ослабевать, что даже применение их для научных целей сопряжено с неудобствами и трудностями. Так называемые постоянные элементы, которые стали изготовлять начиная с тридцатых годов, вопреки своему названию, оказались тоже, — по крайней мере, когда от них требовались сильные действия, — настолько непостоянными, что один новейший автор счел возможным начать предисловие к своему сочинению о гальванических батареях следующими словами: «Гальванические батареи! На губах современного электротехника появляется легкая усмешка при упоминании об этих источниках тока; они кажутся ему давно преодоленными болезнями детского возраста прикладного электричества». Тем не менее, эти гальванические элементы оказываются достаточными по своим действиям в отдельных отраслях техники, где применяются лишь слабые токи или где передача силы представляет собою не средство для какой-либо цели, а самоцель. Для электрической телеграфии, для электрической сигнализации, для электрических регистрационных аппаратов широко распространенные элементы Майдингера, изобретенные в 1859 г., а также марганцевые элементы, устроенные Лекланше в половине 60-х годов, дают в течение более года токи достаточной силы и постоянства по сходной цене. Поэтому указанные выше отрасли электротехники, к которым мы еще прибавили гальванопластику, развивались независимо от общей проблемы электротехники и даже достигли значительного совершенства раньше, чем эта проблема была сознательно поставлена. К этим более старым отраслям в описываемый нами последний период физики присоединились еще некоторые новые, вызванные устройством телефона. Поскольку последние оставались в теснейшей связи с развитием теоретической науки, мы на них здесь вкратце остановимся.
Первая попытка превращения электричества в звуки была сделана Пэджем в 1837 г. Подвесив между коленами подковообразного магнита спираль из медной проволоки, он заставлял магнит звучать, замыкая или размыкая гальванический ток в спирали. В 1846 г. Вертгейм нашел, что этот тон соответствует продольным колебаниям магнита и что он вызывается удлинением и укорочением, происходящими вследствие намагничивания. Кроме тона продольных колебаний и обычно крайне слабого тона поперечных колебаний, часто сопутствующего первому, Вертгейм заметил еще «своеобразный звон, как будто распространяющийся вдоль по проволоке, а также другие виды трудно определимых шумов, причем последние особенно возникают в тех случаях, когда перерывы тока, а, следовательно, и толчки, следуют друг за другом более часто». В 1860 г. Ф. Рейс воспользовался этим звоном для устройства своего телефона. Аппаратом, воспринимающим звук, у него служил просто железный прут (вязальная спица) со спиральной обмоткой для тока, установленный на резонирующей подставке.
Передаточный аппарат состоял из натянутой перепонки, которая воспринимала звуки и при звуковом своем колебании замыкала и размыкала ток, идущий в звучащий аппарат. Этот прибор был продемонстрирован в декабре 1861 г. в заседании Франкфуртского физического общества, и сам Рейс сообщает следующее о действии его в «Ежегодном вестнике» («Jahresbericht») этого общества: «Что же касается действия телефона, то следует отметить, что при его помощи я имел возможность воспроизвести перед членами многочисленного собрания (Физического общества во Франкфурте на Майне) мелодии, которые напевали не очень громко при закрытых дверях в аппарат, помещенный в другом доме (на расстоянии около 100 м). Другие опыты показали, что звучащая палочка способна воспроизводить полные трезвучия фортепиано, когда телефон стоит на крышке инструмента; и, наконец, что телефон в состоянии воспроизводить звуки других инструментов, а именно, гармоники, кларнета, рожка, органных труб и т. д., если только издаваемые ими тоны лежат в определенных пределах, приблизительно от F до F-... До сих пор еще не было возможности воспроизвести с достаточной отчетливостью человеческую речь. Согласные передавались большею частью довольно отчетливо, гласные же в меньшей мере». Причина этого несовершенства заключалась, конечно, в приемной части прибора, железная палочка которого не была в состоянии воспроизвести тонких видоизменений колебаний. Поэтому, как сообщил в 1863 г. секретарь телеграфии Легат, Рейс коренным образом переделал приемную часть своего телефона, устроив ее таким образом, что звуки воспроизводились при помощи ударов маятникообразного якоря, подвешенного перед электромагнитом. Д-р Мессель, бывший ученик Рейса, свидетельствует, что этот новый аппарат передавал и слова яснее прежнего, хотя все-таки не вполне отчетливо. — Зачастую утверждают, что после этого телефон был совершенно предан забвению; однако, строго говоря, это неверно; напротив, этот прибор постоянно упоминался во многих учебниках и на лекциях и приводился как интересный пример многообразия в передаче электричества; не была лишь сознана практическая полезность телефона, но это было до известной степени извинительно при тогдашнем несовершенстве этого прибора.
О том, что физики не переставали интересоваться этим прибором, свидетельствуют, во всяком случае, повторные попытки его усовершенствования. В ноябре 1865 г. С. Ятс производил опыты перед Дублинским физическим обществом с аппаратом, похожим на последний телефон Рейса, причем этот аппарат воспроизводил слова несколько отчетливее рейсовского. В 1870 г. Кромвелль Варлей в Лондоне применил для передачи тонов вибрирующие металлические язычки; Поль Лакур в Копенгагене применил для этой цели камертоны. В 1874 г. Эляйша Грей устроил в Чикаго передаточный аппарат, в котором посредине мембраны, воспринимающей произносимые слова, был прикреплен металлический штифтик, а прямо против него в очень плохо проводящей жидкости был установлен другой металлический штифт. В качестве приемного аппарата служила пластинка, притягивавшаяся электромагнитом. Но в 1876 г., когда Грей стал хлопотать о получении патента, Грэхем Белл уже получил патент на свой телефон, состоявший из двух совершенно одинаковых аппаратов, которые по своей идее были схожи с приемным аппаратом Грея.
Мы не можем здесь следить за дальнейшим развитием телефонии, которая в скором времени получила большое распространение, и обратимся к рассмотрению других аппаратов, развитие которых было связано с развитием телефона. После того как Эдисон уже сделал попытку приспособить телефон для передачи слабых звуков на большие расстояния при помощи гальванических батарей, Давид Юз из Луизвилля воспользовался в 1878 г. идеей Эдисона для устройства микрофона. Всякое колебание в силе электрического тока, вызываемое в каком-либо месте проводки путем увеличения ее сопротивления, передается по всей цепи самим током. Следовательно, если бы в какомнибудь месте цепи можно было вызвать колебания тока, соответствующие звуковым колебаниям, то сам ток передавал бы их телефону и они были бы там слышны с первоначальной силой. «Таким образом, — говорит Юз, — задача заключается в том, чтобы ввести в цепь электрического тока некоторое сопротивление, изменяющееся в точном соответствии со звуковыми колебаниями, так что по цепи пойдет волнообразный электрический ток, колебания которого по своей длине волны, высоте и форме явились бы точной копией звуковых колебаний». Эдисон был близок к разрешению этой проблемы, но и Юз, правда, лишь после ряда безуспешных попыток, нашел очень простое ее разрешение. Согласно сообщению Приса (в заседании Общества английских инженеров-телеграфистов 23 мая 1878 г.) Юз попытался достигнуть этой цели путем удлинения и укорочения самого провода, но безуспешно; однако, когда у него случайно оборвался провод и он слабо соединил концы его в месте разрыва, то заметил, что происходившие поблизости шумы стали передаваться в телефон. По-видимому, тогда он вспомнил о громких шумах, какими реагируют на звуки отдельные слабо укрепленные предметы, например оконные стекла, и это его навело на совершенно новую мысль усиливать предварительно с помощью резонанса передаваемые по телефону звуки. С этой целью он поместил на резонирующей подставке параллельно на расстоянии 1 мм друг от друга два проволочных штифта, соединенных проводящей связью с гальванической батареей, и соединил их металлически, положив на них поперек свободно еще один такой же штифт. Еще лучшие результаты дало следующее устройство: установив на резонирующей подставке вертикальную стенку, он укрепил на ней две маленькие пластинки из графита, к которым были присоединены провода от батареи, и между этими пластинками установил палочку из того же графита, так что она находилась с ними в слабой связи. Это устройство, будучи присоединено к телефону Белла, дало возможность воспроизводить не только звуки и слова, произносимые перед резонансным ящиком, но даже передавать такие слабые шумы, какие получались при проведении по резонатору волосяной кисточкой или при ползании по нему мухи. Одновременно с Юзом и Роберт Людтге в Берлине придумал свою конструкцию микрофона и в январе 1878 г. взял на нее патент. В своем описании, сделанном им при исходатайствовании патента, он дал характеристику своего прибора, который по идее оказался вполне схожим с юзовским: «Если в цепи батареи сделать перерыв тока, например, просто перерезать проволоку, и затем свободно приложить друг к другу оба конца разрыва, то ток, разумеется, окажется вновь замкнутым, но тогда на месте разрыва возникнет сопротивление, тем большее, чем слабее прижаты друг к другу поверхности разрыва. Если же одну из поверхностей разрыва установить таким образом, чтобы она приходила в звуковые колебания от звуков речи или от шумов, то она будет с различной силой прижиматься к другой соприкасающейся с ней поверхности — в соответствии с интенсивностью и формой отдельных колебаний. Таким образом, сопротивление в месте разрыва будет точно определяться интенсивностью, формой и числом звуковых колебаний, а вместе с ним будет изменяться и сила электрического тока... тогда введенный в эту цепь телефон Белла будет передавать в звуковой форме всякое усиление тока, соответствующее увеличению амплитуды звуковых колебаний» и т. д.
Так как всякое изменение сопротивления в цепи вызывает колебания тока, а при помощи включенного в цепь телефона оно выявляется в форме звука, то телефон стали применять и для измерения, или, по крайней мере, для сравнения сопротивлений в проводниках; а так как сопротивление изменяется и под влиянием давления, приложенного к некоторой части цепи, то по колебаниям силы тока можно судить о колебаниях давления, приложенного к определенным чувствительным частям цепи. Эдисон устроил для этой цели микротазитетр (в котором, однако, вместо телефона он для определения силы тока воспользовался зеркальным гальванометром Томсона), при помощи которого, по его словам, ему удавалось определять колебания воздушного давления в 1/1 000 000 англ. дюйма. Этот прибор может служить также в качестве термометра, так как и теплота, подобно давлению, изменяет сопротивление, а вместе с тем и силу тока. Эдисон считает его более чувствительным, чем термостолбик Меллони, и рекомендует его мореплавателям в качестве средства для распознавания приближения ледяных гор, раньше чем они станут видимы на глаз.
Представим себе далее два деревянных полых цилиндра с двумя индукционными катушками на каждом из них, верхней и нижней, причем эти катушки навиты таким образом, что все индуцирующие действия цепи тока, в которую включены верхние катушки, полностью уничтожаются в цепи тока, в которую включены нижние катушки. Представим себе еще, что в цепь тока верхних катушек включены микрофон и непрерывно тикающие часы, а в цепь тока нижних катушек включен телефон; тогда при указанных выше нормальных условиях телефон будет совершенно бездействовать. Но если нарушить условия этого равновесия в одном из деревянных цилиндров, например, приблизив к нему или опустив в него кусок металла, то в телефоне тотчас же появятся звуки. На подобные сочетания катушек, которые нормально друг друга уравновешивают, но при всяком незначительном изменении индукционных сил в одной из катушек дают индукционные токи, указывали уже Баббадж и Джон Гершель; а позднее Довэ устроил подобный прибор под названием «дифференциального индуктора». Однако незначительная чувствительность тогдашних гальванометров помешала широкому применению этого прибора; теперь же Юз в телефоне нашел хорошее средство для выявления возникающих здесь индукционных токов. Устроенный им прибор, который он назвал индукционными весами, до такой степени чувствителен, что он уже начинает звучать, когда в цилиндры кладут по золотой монете не вполне равного веса. Этот прибор рекомендуют для открытия подземных рудных залежей, а также металлических масс на дне моря; с помощью подобного же прибора, говорят, была обнаружена пуля в теле раненого президента Гарфильда.
Так как телефон выявляет малейшие колебания силы тока, а эти колебания могут быть вызваны теплотой и светом, то естественно было попытаться наладить телефонирование непосредственно с помощью световых и тепловых лучей, без всякой проволочной связи. Наиболее подходящей средой для превращения световых и тепловых лучей в колебания тока оказался селен. Этот открытый Берцелиусом в 1817 г. элемент считали непроводником электричества; но в 1837 г. Нокс установил, что селен становится проводником в то время, когда он плавится, а еще позднее, в 1851 г., Гитторф показал, что в одной из своих аллотропических модификаций, а именно — в кристаллическом виде, селен проводит электричество и при обыкновенной температуре. Расплавленный селен, будучи быстро охлажден, застывает в стекловидную массу, почти черную в отраженном свете и просвечивающую в тонких пластинках рубиновым цветом. При медленном же охлаждении он получает зернистое строение, имеет вид металла и совершенно непрозрачен для света, даже в тонких пластинках. В этом последнем виде он способен проводить электричество и при обычной температуре. Первое применение селена в электротехнике было сделано в 1873 г. электриком Уиллоуби Смитом в Лондоне; ввиду большого его сопротивления он применил его при испытании подводного кабеля. При этом помощник Смита Мей открыл, что на свету сопротивление селена значительно меньше, чем в темноте, — при свете магниевой проволоки сопротивление селена уменьшалось вдвое. Это открытие было подтверждено многими физиками, как-то: Сэлом, Дрэпером, Адамсом, Сэбином, Вернером, Сименсом и др. Адамс нашел, что селен чувствителен даже к холодному свету луны. До этого времени опыты производились с помощью гальванометров. Но когда Белл попробовал определить изменения сопротивления с помощью телефона, ему пришла мысль, обратно, использовать это свойство селена для нужд телефонии. После многих тщетных попыток ему, при содействии его друга Семнера Тэнтера, сумевшего приготовить крайне чувствительные препараты селена, удалось, наконец, устроить фотофон, который он впервые описал 27 августа 1880 г. на заседании Американского общества распространения наук. В наиболее удачной и простой форме передаточная часть этого аппарата состоит из плоского гибкого зеркала, например из посеребренной слюдяной пластинки, на заднюю поверхность которого падает звук человеческой речи. Если на этом зеркале сконцентрировать при помощи чечевицы сильный пучок солнечных лучей, то, отражаясь от его поверхности, этот пучок воспроизводит все колебания пластинки. Пропущенный через другую чечевицу, он превращается в пучок параллельных лучей, которые улавливаются на отдаленной станции при помощи параболического рефлектора, в фокусе которого находится чувствительная селеновая пластинка, входящая в состав местной батареи с телефоном. Было произведено множество опытов с передаточными и приемными приборами, которые были удалены друг от друга настолько, что звуки не были слышны непосредственно через воздух, например, на расстояние 213 м. Подобными опытами было установлено, что для передачи раздельной речи достаточно друммондовского света и даже света керосиновой лампы. Для того чтобы определить природу лучей, действующих на селен, Белл поставил на пути прерывистого светового пучка различные поглощающие вещества. Раствор квасцов и сернистый углерод очень мало ослабили силу звука; раствор йода в сернистом углероде почти полностью уничтожил звук, во всяком случае, дал большее ослабление звука, чем совершенно непрозрачная на вид пластинка из гуттаперчи. «Хотя, таким образом, эти действия, — говорит Белл, — вызываются влиянием таких форм лучистой энергии, которые не воспринимаются нашим глазом, я, тем не менее, назвал прибор для приема и передачи звуков по этому методу «фотофоном», так как обычный луч света содержит в себе те лучи, которые в данном случае действуют. Кроме того, — говорит он далее, — мне пришла мысль, не может ли наше ухо услышать непосредственно, без помощи телефона, молекулярные колебания, вызываемые в кристаллическом селене действием прерывистого светового пучка. Было сделано много соответствующих опытов, но без решающего результата. Необычное действие гуттаперчевого экрана побудило нас испытать и его. Этот опыт привел к чрезвычайному результату. Я держал эту пластинку очень близко к уху, в то время как на ней при помощи чечевицы был сконцентрирован прерывистый пучок света, и я тотчас же ясно услышал музыкальную ноту. Это действие еще усилилось, когда мы установили каучуковую пластинку в виде диафрагмы и стали слушать ее с помощью слуховой трубки».
Последняя мысль дала толчок еще и к дальнейшим исследованиям. Белл и Тэнтер установили, что прерывистые лучи света, или — еще лучше — теплоты, заставляют звучать почти все твердые тела. Из жидкостей оказались способными звучать лишь очень немногие, а газы и пары (особенно нетеплопрозрачные), наоборот, очень легко начинают звучать под действием прерывистого света. Э. Меркадье предложил для такой передачи звуков название термофония, или еще общее радиофония. Белл, принявший это название, попытался, далее, показать применимость радиофонии к решению космических задач. Осенью 1880 г. он организовал в Медоне совместно с астрономом Янсеном опыты, имевшие своею целью выяснить, нельзя ли с помощью фотофона услышать могучие перевороты, происходящие в солнечной фотосфере, но пока безрезультатно. Еще меньше положительного можно, конечно, сообщить о предложенных проектах передачи при помощи токов и селеновых пластинок на любые расстояния световых изображений, получаемых с помощью волшебного фонаря.
После этих экскурсий вернемся к центральной проблеме электротехники — к проблеме общей передачи и превращения силы.
С исключением из проблемы передачи силы гальванических элементов было исключено и непосредственное использование химических сил для получения электричества. Таким образом, в настоящее время может идти речь только об использовании для этой цели теплоты и механической силы. Планов использования теплоты было не мало. Вплоть до новейшего времени было затрачено очень много усилий, чтобы устроить из различных металлов и металлических руд термоэлементы, которые давали бы постоянные и сильные токи. Маркус, Беккерель, Мюр и Кламон, Ноэ и другие достигли в этом отношении заслуживающих внимания результатов. Указывали также на то обстоятельство, что подобные батареи могут явиться давно уже искомыми двигателями для небольших производств; однако до сих пор эти термобатареи оказались все еще недостаточными для получения токов необходимой силы. Таким образом, для передачи силы остается только получать электричество за счет механических сил, или, что то же самое, добывать электричество при помощи индукционных машин. Однако наиболее сильные из этих машин — в том виде, как они до семидесятых годов применялись, главным образом, для электрического освещения, — неизменно обладают двумя недостатками, которые создают очень узкие пределы для их применения. С одной стороны, для увеличения набора магнитов, а, следовательно, для увеличения силы используемого магнетизма, существовал сравнительно узкий предел; с другой стороны, — электрические токи, даваемые этими машинами, по необходимости были лишены равномерности, так как эти токи слагались из индукционных толчков, которые с приближением полюсов электромагнитов к полюсам неподвижных магнитов нарастали до известного максимума, а затем снова гадали до известного минимума. Первый недостаток принципиально более важен, так как он основан на вторжении магнетизма в проблему электрической передачи силы; устранение его составляет бесспорную заслугу Вернера Сименса. В апреле 1866 г. Уайльд в Манчестере устроил электрическую машину старого типа, но только неподвижные постоянные магниты он заменил гораздо сильнее действующим электромагнитом; последний получал магнетизм от второй меньшей магнитоэлектрической машины, для которой, естественно, были все-таки применены постоянные магниты. В том же 1866 г. Сименс на новой машине показал, что этот эффект может быть достигнут еще проще. Он совершенно удалил меньшую магнитоэлектрическую машину, которая должна была давать первое возбуждение, соединил провода индуктора (так называется вращающийся электромагнит машины) с проводами неподвижного электромагнита и таким образом заставил ток, который мог возникнуть в индукторе, течь по обмоткам электромагнита, который тогда действительно становился магнитом. Сначала казалось необходимым перед применением этих машин пропускать через индуктор ток, взятый откуда-нибудь со стороны, но вскоре выяснилось, что в этом нет никакой надобности. Каждый сердечник из мягкого железа содержит в себе некоторый, хотя бы и слабый след магнетизма, который мог быть возбужден в нем каким-либо образом, земным ли магнетизмом, или же искусственно при помощи обтекавшего его тока. Этого следа магнетизма, однако, достаточно для того, чтобы при вращении индукторов вызывать в его проводах ток, хотя бы и слабый. При установке Сименса этот ток проходит и через обмотку неподвижного электромагнита, вследствие чего его магнитность несколько усиливается. Благодаря этому индукционные токи снова усиливаются и в свою очередь усиливают магнитность электромагнита; таким образом, происходит теоретически неограниченное взаимное усиление электромагнита и индукционных токов. Эту электромагнитную машину, из которой магнит был исключен, Сименс назвал динамоэлектрической машиной. Одновременно с Сименсом и, по-видимому, независимо от него к устройству подобных машин пришли Муррей, Варлей и Уитстон — явный признак того, что идея динамоэлектрического принципа не только уже носилась в воздухе, но и была уже оценена по достоинству. В пользу этого предположения говорит и тот факт, что уже в мае 1867 г. лондонский механик Лэдд экспонировал на Лондонской выставке машину, построенную по этому типу, но только снабженную двумя индукторами. Второй дефект динамоэлектрических машин — пульсирующий характер их тока, — Сименс тоже пытался устранить, а именно, еще в 1855 г., но тогда еще с незначительным успехом. Лучше удалось это Пачинотти, который избрал для этого более простой путь; однако устроенная им в 1860 г. небольшая машина была так слаба, что по существу она скорее являлась моделью, почему почти и не обратила на себя внимания. Лишь после того как Грамм в 1868 г. связал свою конструкцию (которую он изобрел независимо от Пачинотти) с динамоэлектрическим принципом Сименса, она очень быстро получила признание и вошла во всеобщее употребление.
Принципиально новым у Пачинотти и Грамма было то, что индуктор вместо подковообразной имел кольцеобразную форму, а полюсы постоянного магнита, или заменяющего его электромагнита, имели полукольцевую форму, причем они возможно тесно охватывали кольцевой индуктор. Несмотря на такую конструкцию, кольцо Пачинотти или Грамма действует совершенно так же, как подковообразный магнит. Пока какая-либо часть проволочной катушки, намотанной на кольцо, перемещается в сфере действия одного из магнитных полюсов, по этой части катушки идет ток в некотором направлении; при переходе же ее в поле другого полюса ток меняет свое направление на противоположное. Поэтому в том месте, где магнитные поля обоих полюсов граничат друг с другом, ток с катушки отводится на ось кольца; служащую коллектором, откуда он переходит на неподвижный электромагнит и затем идет по внешней цепи. Проволоки, идущие от отдельных частей катушки кольца, кончаются на изолированных металлических накладках на его оси, и по ним же скользят в виде проволочных щеток концы тока, так что, несмотря на вращение оси, ток постоянно остается замкнутым. Так как кольцо сплошь обвито катушкой, то, если отвлечься от очень малых расстояний между отдельными ее витками, через каждое данное место магнитного поля проходят одинаковые витки и, таким образом, скользящие по коллектору щетки снимают равномерные токи и последние почти непрерывно, т. е. без пауз, протекают по внешней цепи. Однако и это кольцо может быть улучшено. Индукционные токи становятся тем сильнее, чем ближе электромагнит и индуктор противостоят друг другу и чем больше их противостоящие поверхности. Поэтому будет лучше, если кольцу Пачинотти вместо круглого сечения сообщить четырехугольное, или, еще лучше, если это кольцо вытянуть по направлению его оси таким образом, чтобы оно из кольца превратилось в полый цилиндр или в барабан. Конечно, при этом и электромагнит должен быть сделан более широким, с тем, чтобы он своими полюсами возможно теснее охватил барабан. Подобный индуктор, в форме барабана, впервые в 1872 г. применил главный инженер завода Сименса Фр. ф. Гефнер-Альтенек.
Все новейшие машины, предназначенные для получения сильных электрических токов, сконструированы по этим двум типам машин — Грамма и Гефнер-Альтенека; все они построены по принципу динамоэлектрических машин; видоизменяются и совершенствуются лишь формы их индукторов.
Динамоэлектрические машины, подобно всем индукционным машинам, могут быть использованы двояко: либо для получения электрических токов при помощи механической работы, либо для получения механической работы при помощи электрических токов. Если привести во вращение индуктор машины, то по проволочной цепи последней пойдет электрический ток; если же, наоборот, через проволочную сеть цепи машины пропустить электрический ток, то индуктор начнет вращаться, а с его оси движение может быть передано на любую рабочую машину.
Этим теоретически проблема передачи силы при посредстве электричества разрешается полностью. В самом деле, если в каком-либо месте имеется в нашем распоряжении механическая сила, которую требуется использовать для работы в другом месте, то стоит лишь установить в первом месте динамо-машину, дающую при посредстве механической силы электрический ток, и отвести последний во второе место, заставляя его там приводить в движение другую динамо-машину, аналогичную первой. Однако на практике возможность осуществления такой передачи целиком зависит от потерь силы, которые при этом неизбежны. По этому поводу Вернер Сименс в упомянутой выше статье говорит следующее: «Если две динамоэлектрические машины ввести в одну и ту же цепь и одну из машин вращать с постоянною скоростью, то другая, в качестве электромагнитной машины, должна вращаться в противоположном направлении; это следует уже из того соображения, что динамоэлектрическая машина представляет собою электромагнитную машину, вращаемую в противоположном направлении. Встречный ток, который дает эта машина, вращаемая током, ослабляет ток первичной динамо-машины и вместе с тем уменьшает работу, необходимую для ее вращения. Если бы вторичная машина не должна была выполнять ни внешней, ни внутренней работы, то скорость ее вращения дошла бы до того, что ее электродвижущая сила уравновесила бы электродвижущую силу первичной машины. Тогда в цепи не было бы никакого тока, но и никакой бы работы не затрачивалось и не производилось. Однако в полном объеме такое состояние равновесия никогда не может быть достигнуто, так как вторичной машине приходится преодолевать внутренние сопротивления, а первичной необходимо достичь известной скорости, зависящей от ее конструкции, прежде чем в ней начнется динамоэлектрический процесс усиления тока. Если же вторичная машина производит какую-либо работу, то скорость ее уменьшается; вместе с ней ослабевает и зависящий от скорости ее вращения встречный ток. В этом случае по цепи обеих машин протекает ток, соответствующий разности их электрических токов, для получения которого затрачивается известная сила и который со своей стороны выполняет работу, возложенную на вторичную машину. Я уже в других местах указал, что полученный при этой передаче силы полезный эффект не является постоянной величиной, а зависит от отношения скоростей обеих машин, и что он возрастает с увеличением скорости их вращения. Описанное ниже исследование в известных пределах подтвердило это заключение. На практике до сих пор достигнут полезный эффект до 60% затраченной работы, а наибольшие из находящихся ныне в эксплуатации машин, — построенных, правда, для нужд освещения, а не специально для передачи силы, — передают до 10 л. с. (измеренных нажимом Прони), со средним коэффициентом полезного действия в 50%. Следовательно, при электрической передаче силы полезная работа до сих пор составляет лишь половину затраченной работы, другая же половина идет на преодоление сопротивлений в машине и проводнике и превращается в теплоту.
Размеры этих потерь, конечно, зависят от устройства машины. Если бы не было надежды существенно сократить эти потери путем улучшения конструкции машин, то применение электрической передачи оставалось бы до известной степени ограниченным. Поэтому очень важно определить причины этих потерь, зависящие от конструкции машин, и обсудить, нельзя ли, и какими именно путями, добиться полного или частичного устранения этих источников потерь. Чисто механические источники потерь, как трение, сопротивление воздуха, толчки и пр., можно при этом оставить без внимания, так как вызываемая ими часть потерь невелика и эти дефекты могут быть устранены известными конструктивными приемами. Важной физической причиной потерь, которая полностью никогда не может быть устранена, является нагревание проводов электрическим током... Этим же причинам следует приписать и то бросающееся в глаза обстоятельство, что после окончания процесса нарастания сила тока динамо-машины, замкнутой самое на себя, почти пропорциональна скорости вращения, тогда как согласно динамоэлектрическому принципу (т. е. если не принимать в расчет нагревания проводов, вторичного действия индукционных токов и пр.) она при любой скорости вращения должна была бы возрасти до одной и той же бесконечной величины, если магнетизм пропорционален силе тока. Можно ли и в какой мере добиться устранения указанных дефектов путем улучшения конструкции динамоэлектрических машин, теоретически решить невозможно».
Долгое время надежды возлагались на другой способ передачи силы, сводившийся, впрочем, больше к накоплению, или концентрированию ее, с последующим уже затем ее использованием. Если в стеклянный сосуд со слабым раствором серной кислоты погрузить две свинцовые пластины и присоединить их к полюсным проводам динамоэлектрической машины, то, как только машина начнет работать, свинцовые пластины начинают под влиянием химического действия тока изменяться. Пластина, в которую поступает положительный ток, постепенно покрывается бурым налетом, состоящим из порошкообразного соединения свинца, так называемой перекиси свинца, а поверхность другой приобретает серый, зернистый, чисто металлический вид. Разобщив пластины с машиной, их можно сохранить в течение долгого времени, причем их поверхности не изменяются. Но если в любое время их соединить проводом, подобно полюсам элемента, то химический налет на пластине начинает постепенно исчезать, пластины становятся снова одинаковыми, освобождающаяся при этом химическая сила снова превращается в электричество, из которого она произошла, и по проводу идет ток; последний, правда, длится более короткое время, чем первоначальный ток, с помощью которого была произведена зарядка, но зато он обладает большей электродвижущей силой. Ознакомление с такого рода действиями электричества началось с упомянутого раньше Риттера, а именно с 1802 г., и с тех пор многократно конструировались так называемые вторичные элементы, теория которых, как сказано, была удовлетворительно разработана еще до Шенбейна. Мысль о сообщении пластинам целесообразной, т. е. спиралевидной, формы, с тем, чтобы в небольших сосудах помещались возможно большие поверхности, — принадлежит Планте (1860 г.); но только после того как Камилл Фор улучшил или только изменил эти вторичные элементы, или аккумуляторы, последние привлекли к себе соответствующее внимание. Однако вызванный ими энтузиазм и оптимистические ожидания, что при их помощи будет разрешена проблема дробления электричества на мелкие части и его транспортирования в любом направлении, надежды, что «электричество можно будет продавать в банках, подобно помаде» — ныне уже испарились. Конечно, теоретически, аккумуляторы обещают более общее решение вопроса о передаче силы, чем динамо-машины, так как они дают возможность перемещения не только в пространстве, но и во времени. Однако с точки зрения первой щели они, требуя для перемещения вследствие значительной своей тяжести опять-таки значительной затраты силы, определенно уступают динамо-машинам, не говоря уже о том, что и без того потери сил в аккумуляторах не меньше, чем в динамо-машинах. Что же касается переноса силы во время, то, хотя динамо-машина и не может конкурировать с ними в этом отношении, аккумуляторы все же обладают тем недостатком, что их действие очень непродолжительно и не превышает нескольких дней. Поэтому и для данной цели их можно применять лишь в тех случаях, когда имеют дело с непостоянно действующими силами, или с источниками сил, величина которых во время работы сильно изменяется.
Если, таким образом, приходится признать, что проблема электрической передачи силы не только настоящим образом не разрешена, но находится еще лишь в начальной стадии своего разрешения, то естественно возникает вопрос: каким же образом электротехника уже теперь могла достичь столь быстрого развития и всеобщего признания, если достижение истинных ее целей еще так далеко. Причиной этого является один вид превращения сил, а именно, превращение электричества в свет, и этот вид превращения силы еще долго будет служить стимулом и практическим моментом в общей проблеме передачи силы. Но, с другой стороны, весь ход развития техники превращения электричества в свет, — с тех пор как узнали световую дугу Дэви и накаливание осветительных проволок, так далеко отошел от теории и до такой степени стал делом техники, что входить здесь в дальнейшее его описание нам не приходится.
Остается еще упомянуть только об одной стороне данного вопроса. Существенную особенность электричества составляет его неограниченность в пространстве, по крайней мере, в земном. При его посредстве человек непосредственно слышит, говорит и осязает на самых далеких расстояниях, он безошибочно развивает на любых расстояниях большие силы и производит тяжелые работы. Более того, если наше обоняние и вкус вызываются особыми движениями материи, воздействующей на наши органы чувств, то нет никаких непреодолимых препятствий к тому, чтобы и эти ощущения могли передаваться на расстояние при помощи электричества. Таким образом, электричество конкурирует со столь родственным ему светом и дает человеку основания надеяться, что, освобождаясь все больше и больше от пространственных границ, он, в конце концов, сможет приблизиться, по меньшей мере, к земному вездесущию. Но независимость от пространственных границ всегда в известном смысле обусловливает и независимость от течения времени; таким образом, непрерывный процесс техники, идущий параллельно развитию науки, приводит к безграничному росту господства человека над природой и всеми ее стихиями, а вместе с тем и гарантирует человеческому роду неизменное движение вперед на пути к все большему его совершенству.