Мы уже готовы к тому, чтобы отметить первую серьезную трудность в приложении нашей общей философской точки зрения. Позднее будет показано, что эта трудность, совместно с другими, еще более серьезными, привела к полному крушению уверенности в том, что все явления могут быть объяснены механистически.
Особенно быстрое развитие электричества как ветви науки и техники началось с открытия электрического тока. Здесь мы находим в истории науки один из очень немногих примеров, в которых случай сыграл существенную роль. История конвульсий лягушечьей лапки рассказана во многих вариантах. Не ручаясь за достоверность в отношении деталей, можно без сомнения сказать, что случайное открытие Гальвани привело Вольта в конце восемнадцатого столетия к построению прибора, известного под названием вольтовой батареи. Теперь она практически не употребляется, но на нее еще указывают как на очень простой пример источника тока в школьных демонстрациях и в учебниках.
Принцип ее построения прост. Берется несколько стеклянных стаканов, из которых каждый содержит воду и немного серной кислоты. В каждом стакане погружены в раствор две металлические пластинки — одна медная, а другая цинковая. Медная пластинка одного стакана соединена с цинковой следующего, так что только цинковая пластинка первого стакана и медная последнего остаются несоединенными. Мы можем обнаружить разность электрических потенциалов медной пластинки первого стакана и цинковой последнего посредством весьма чувствительного электроскопа, если число «элементов», т. е. число стаканов с пластинками, составляющими батарею, достаточно велико.
Мы ввели батарею, составленную из некоторых элементов, только для того, чтобы получить нечто, легко измеряемое уже описанным прибором. Для дальнейших рассуждений с таким же успехом будет служить один элемент. Обнаруживается, что потенциал меди выше, чем потенциал цинка. Слово «выше» употребляется здесь в том же смысле, в каком +2 больше, чем -2. Если один проводник связан со свободной медной пластинкой, а другой с цинком, оба станут заряженными, первый положительно, а второй отрицательно. В этой стадии рассуждений ничего особенно нового или поразительного не появилось, и мы можем попробовать применить наши предыдущие представления о разности потенциалов. Мы видели, что разность потенциалов между двумя проводниками можно быстро уничтожить посредством соединения проводников проволокой, в которой возникает поток электрической жидкости от одного проводника к другому. Этот процесс был уподоблен выравниванию температур посредством теплового потока. Но производит ли поток в вольтовой батарее работу?
По словам Вольта, пластинки ведут себя как проводники:
«...слабо заряженные, которые действуют непрерывно или так, что их заряд после каждого разряда вновь восстанавливается; которые, одним словом, поставляют неограниченный заряд или производят непрерывное действие или импульс электрической жидкости».
Результат этого эксперимента удивителен потому, что разность потенциалов между медной и цинковой пластинками не уменьшается, как в случае двух заряженных проводников, связанных проволокой. Разность эта остается неизменной, и согласно теории жидкостей должен возникать постоянный поток электрической жидкости от высшего потенциального уровня (медная пластинка) к низшему (цинковая пластинка). Пытаясь спасти теорию жидкостей, мы можем предположить, что действует некоторая постоянная сила, которая возрождает разность потенциалов и вызывает поток электрической жидкости. Но явление в целом удивительно, если рассматривать его с энергетической точки зрения. В проволоке, по которой течет ток, порождается заметное количество теплоты, достаточное даже для того, чтобы расплавить проволоку, если она тонка. Следовательно, в проволоке создается тепловая энергия. Но вся вольтова батарея образует изолированную систему, так как она не получает энергии извне. Если мы хотим спасти закон сохранения энергии, мы должны найти место, где происходят превращения, за счет которых создается теплота. Нетрудно установить, что в батарее происходят сложные химические процессы, в которых активное участие принимают как сама жидкость, так и погруженные в нее медь и цинк. С энергетической точки зрения здесь имеется цепь превращений: химическая энергия - энергия текущей электрической жидкости, т.е. тока, - теплота. Вольтова батарея не сохраняется вечно, химические изменения, связанные с потоком электричества, после некоторого времени делают батарею неработоспособной.
Эксперимент, который по-настоящему обнаружил большие трудности в применении механистических идей, должен для впервые слушающего о нем звучать странно. Он осуществлен Эрстедом около ста двадцати лет назад. Последний пишет:
«Этими экспериментами, кажется, показано, что магнитная игла сдвигалась из своего положения с помощью гальванического прибора, и именно тогда, когда гальваническая цепь была замкнута, а не разомкнута, как напрасно считали несколько лет назад очень известные физики».
Предположим, что мы имеем вольтову батарею и кусок металлической проволоки. Если проволока соединена с медной пластинкой, но не связана с цинковой, то существует разность потенциалов, но ток течь не может. Предположим, что проволока изогнута в форме кольца, в центре которого расположена магнитная игла, причем как проволочное кольцо, так и игла лежат в одной и той же плоскости. Пока проволока не прикасается к цинковой пластинке, ничего не происходит. Никаких действующих сил нет, наличие разности потенциалов не оказывает влияния на положение иглы. Кажется трудным понять, почему «очень известные физики», как выразился Эрстед, ожидали такого влияния.
Соединим теперь проволоку с цинковой пластинкой. Немедленно произойдут странные вещи. Магнитная игла выходит из своего первоначального положения. Один из ее полюсов направлен к читателю, если страница этой книги представляет плоскость кольца (рис. 35). Эффект показывает, что на магнитный полюс действует сила, перпендикулярная к плоскости кольца. Перед лицом экспериментальных фактов мы едва ли можем избежать такого вывода о направлении действующей силы.
Этот эксперимент интересен в первую очередь тем, что он показывает связь между двумя на первый взгляд совершенно различными явлениями — магнетизмом и электрическим током. Имеется и другой, даже более важный момент. Сила взаимодействия между магнитным полюсом и малыми отрезками проволоки, по которой течет ток, не может лежать вдоль линий, связывающих проволоку и иглу или частицы текущей электрической жидкости и элементарные магнитные диполи. Сила перпендикулярна к этим линиям! Впервые появляется сила, совершенно отличная от тех сил, к которым, соответственно нашей механистической точке зрения, мы стремились свести все действия внешнего мира. Мы помним, что силы тяготения, электростатики, магнетизма, подчиняющиеся законам Ньютона и Кулона, действуют вдоль линии, соединяющей оба притягивающихся или отталкивающихся тела.
Эта трудность была еще более подчеркнута экспериментом, который с большим искусством осуществлен Роуландом почти шестьдесят лет назад. Оставляя в стороне технические детали, мы могли бы описать этот эксперимент следующим образом. Вообразим себе маленький заряженный шар (рис. 36). Представим себе далее, что этот шар очень быстро движется по окружности, в центре которой находится магнитная игла. Принципиально этот эксперимент таков же, что и эксперимент Эрстеда, единственное отличие состоит в том, что вместо обычного тока мы имеем механически совершающееся движение электрического заряда. Роуланд нашел, что результат в самом деле подобен тому, который наблюдался, когда по витку проволоки протекал ток. Магнит отклоняется перпендикулярной силой.
Пусть теперь заряд движется быстрее. В результате сила, действующая на магнитный полюс, возрастает; отклонение магнита от его начального положения становится более заметным. Это наблюдение представляет новое большое усложнение. Сила не только не совпадает с линией, связывающей заряд и магнит, но и интенсивность ее зависит от скорости заряда. Вся механистическая точка зрения базировалась на уверенности в том, что все явления могут быть объяснены в пределах сил, зависящих только от расстояния, а не от скорости. Результат эксперимента Роуланда, конечно, подрывает эту уверенность. Все же мы можем попробовать остаться консервативными и искать решения в рамках старых идей.
Трудности этого рода, внезапные и неожиданные препятствия в триумфальном развитии теории, часто вырастают в науке. Иногда простое обобщение старых идей оказывается, по крайней мере временно, хорошим выходом. Например, в настоящем случае казалось бы достаточным расширить предыдущую точку зрения и ввести более общее понятие сил, действующих между элементарными частицами. Однако очень часто оказывается невозможным подправить старую теорию, и трудности приводят к ее упадку и к развитию новой. В данном случае сыграло роль не только поведение ничтожной магнитной иглы, которая разрушила на первый взгляд хорошо обоснованные и преуспевающие механистические теории. Другой удар, еще более энергичный, был нанесен с совершенно другой стороны. Но это другая история, и мы расскажем ее позднее.