1. Открытие электричества

1. Магнетизм

Магнетизм – единственный раздел физики средневеко­вого происхождения. Классическая античность знала о магнитах минимум возможного: кусок магнетита и кусок железа притягиваются друг к другу. Однажды заметив такой минерал, нельзя было, даже нарочно, пройти мимо этого явления, и греки дали волю пылкой фантазии в построении связанных с магнетизмом теорий и легенд, получивших большое распро­странение в античном мире и встречающихся также в средневековой литера­туре. Мы можем с полным основанием на них не останавливаться.

В XI в. появляется магнитный прибор исключительной важности – морской компас. В течение всего XIX в. почти единодушно считали, что китайцы знали о компасе начиная с 27 века до н. э. Но теперь многие историки утверждают, что первый подлинный китайский документ, в котором упоминают свойства ориентации магнитной иглы, датируется 1100 г. н. э., и там ее применение приписывается иноземным морякам. Это согласуется с западным преданием, приписывающим арабам заслугу открытия свойств ориентации магнитной иглы.

Первое упоминание об использовании магнитной иглы в мореплавании мы находим в труде англичанина Александра Неккама, написанном в 1180 г., причем он говорит об этом как о вещи уже известной. Этот примитивный прибор был введен на Средиземном море, по-видимому, моряками приморских республик Италии, которые вели интенсивную торговлю. Об этом говорит тот факт, что итальянское слово calamita (которое происходит, по-видимому, от слова calamus – стрела) вошло во все романские языки и в языки славянских народов, живущих на побережье Средиземного моря.

Этот простой прибор описан впервые арабским ученым Байлеком Ал Кабаяки (ум. в 1288 г.), который в 1242 г. по пути из Триполи видел, как им пользуется капитан корабля. В сосуд, полный воды, он опускал пробку с воткнутой в него железной иглой и приближал к поверхности воды магнит, сообщая ему рукой вращательное движение. Плавающая стрелка следовала за магнитом. Когда магнит внезапно убирался, стрелка (намагниченная предыдущими операциями) располагалась в направлении север – юг.

Эта грубая техника была усовершенствована в XIII-XIV в. Прежде всего плавающая игла, намагничивавшаяся каждый раз заново с помощью индукции, была заменена постоянно намагниченной стрелкой, которая легко перемещалась в горизонтальной плоскости. Следующим улучшением, которое произвело переворот в искусстве кораблевождения, было изобретение розы ветров, неподвижно прикрепленной к описанному прибору.

Франческо да Бути в своем известном комментарии к «Божественной коме­дии» дает впервые его описание, поясняя стихи Данте:

Раздался голос, взор мой понуждая

Оборотиться, как иглу звезда.

Из того, что мы изложили, следует, что такого человека Флавио Джойя, изобретателя компаса с подвижной катушкой, никогда не было, хотя ему и воздвигнут памятник в Амальфи. Можно только утверждать, что компас с подвижной картушкой скорее всего был создан в Италии в XIII в. и, возможно, именно в Амальфи.

Так называемый «карданов» подвес, состоящий из двух опор, позволяю­щих стрелке находиться в почти горизонтальном положении независимо от килевой и бортовой качки судна и известный еще в античности, ника­кого отношения к Кардану не имеет и вошел в практику судовождения лишь в первой половине XVI века, хотя на трех рисунках Леонардо да Винчи мы видим его применение в компасе.

Столь же неожиданным, как и создание компаса, было появление первого трактата по магнетизму; судя по дошедшим до нас документам, ему не предшествовали ни отдельные наблюдения, ни опыты, ни какие-либо попытки разобраться в этих явлениях. И хотя автор этого трактата Пьетро Перегрино из Марикура показал себя человеком незауряд­ного ума и искусным экспериментатором, трудно все же допустить, что трак­тат его – целиком оригинальный труд.

Перегрино принимал участие в осаде Лючеры (Фоджа) вместе с войсками Карла Анжуйского и во время этой осады написал трактат “De magnete” («О магнитах») в форме письма, датированного 8 августа 1269 г. и адресованного пикардийскому дворянину Сигеру.

Трактат состоит из трех частей. Соб­ственно научное рассмотрение начинается с главы III первой части, в которой указываются четыре характерные отличительные черты хороших магнитов: цвет, вес, способность притяжения и сплошная структура, без пузырей. Все эти характеристики (за исключением удельного веса) и сейчас являются признаками, по которым отличают хорошие магниты.

В следующей главе приводятся три экспериментальных метода опреде­ления полярности магнита. И здесь нужно подчеркнуть одну интересную особенность, которая оказалась чрезвычайно важной для последующего изу­чения магнетизма: Перегрино пользуется магнитами сферической формы, а не в виде бруска. Поэтому опытное определение полярности оказывается значительно более трудным, но Перегрино блестяще справляется с этим. Определив направление поляризации, Перегрино показывает, как найти северный и южный полюс, как установить отталкивание одноименных полю­сов и притяжение разноименных и как намагнитить железо соприкоснове­нием. Наконец, в главе IX он описывает явление магнитной индукции и опыт со сломанным магнитом в том же виде, как его и сейчас повторяют на уроках физики.

От этого систематического описания опытов Перегрино переходит в гла­ве X к теоретическому рассмотре­нию, задаваясь вопросом о причине магнитного действия. Отвергая теорию того времени, которая приписывала ориентацию стрелки наличию больших залежей магнетита вблизи северного полюса Земли, Перегрино утверждает, что небо влияет на магнит так, что каждая точка неба индуцирует на магнитной сфере аналогичную точку, которая in se gerit similitudinem coeli (рождает в себе подобие неба). Эта теория указывает, по нашему мнению, на астрологическое происхождение изучения магнетизма.

Во второй части трактата речь идет о технических приложениях свойств магнитов. Описаны примитивный магнитный графометр, с помощью которого можно определять азимут Солнца или звезды, находящихся на горизонте, и компас с вращающейся осью, о котором мы уже говорили.

Каж­дый, кто прочтет сейчас трактат Пьетро Перегрино, восхищающий ясностью и систематичностью изложения, убедится, что автор не компилятор, а искус­ный экспериментатор. Он пишет не о том, что слышал или читал, а о лично обнаруженных фактах. Поэтому если Перегрино утверждает в главе VII и вновь подтверждает в главе X, что стрелка поворачивается к северному полюсу, то отсюда следует заключить, что именно таким он наблюдал точное положение стрелки. Кроме того, имеются и другие указания, что во времена Перегрино магнитное склонение, т.е. угол между магнитным и географиче­ским меридианами в точке наблюдения, было равно нулю в Италии.

Так кто же обнаружил магнитное склонение? Этот вопрос остается до сих пор без ответа. До XIX века почти все единодушно считали, что это открытие сделал Христофор Колумб (1436 – 1506) во время своего первого путешествия в Америку. Но в 1905 г. немецкий ученый Волькенауэр показал, что уже в середине XV в. в Германии были построены солнечные часы (несколько экземпляров хранится в немецких музеях), на которых указан угол, образуемой магнитной стрелкой с направлением гномона в полдень.

Как бы то ни было, хотя первооткрыватель этого явления неизвестен, можно установить время, когда оно стало известным морякам – начало XVI в.

Мореплаватели очень быстро заметили, что магнитное склонение меняет­ся от места к месту. Его обнаружение потребовало, естественно, существенно более дли­тельных наблюдений и произведено лишь в 1634 г. Генри Геллибрандом (1597 – 1636). До конца XVIII в. пологали, что знание склонения для каждой точки решило бы вторую основную проблему навигации – опреде­ление долготы, которую считали связанной со склонением некоторой жесткой зависимостью, так что знание склонения позволило бы найти долготу. Это ложное мнение привело к появлению первой магнитной карты, составленной миссионером Христофором Борри. Он опубликовал в издании “De arte navigandi” («Об искусстве мореплавания») географическую карту, на которой соединил линиями точки, соответствующие, по имевшимся у него данным, одинаковым значениям магнитного склонения. Такие магнитные карты рас­пространялись все больше, пока в 1701 г. одну из них не опубликовал англий­ский астроном Эдмонд Галлей, которому обычно и приписывают заслугу в их создании.

Седьмая книга «Магии» может быть разделена на три части если не считать последней главы, в которой собраны все распространявшиеся в течение многих веков легенды о магических свойствах магнитов. Первая часть содержит экспериментальное описание уже известных магнитных явле­ний. Во второй части критикуются и отвергаются прежние ошибочные взгля­ды, причем уже дает о себе знать дух независимости и даже нетерпимости к господству авторитетов. Третья часть, наиболее интересная, представляет собой оригинальный вклад в науку о магнетизме. Новым является здесь следующий прекрасный эксперимент. Помести металлические опилки в пакет и затем приблизь к ним магнит. Опилки приобретут магнитные свойства, как если бы это был цельный кусок железа. Теперь высыпь опилки и раз­мешай их, а потом опять помести их в пакет; сила будет в них подавлена и рассеяна.

Этот опыт, повторенный Гримальди в следующем столетии, позволил выдвинуть гениальную теорию, послужившую фундаментом теории Юнга, созданной в конце прошлого века. Порте мы обязаны также опытом с желез­ными опилками, образующими «бороду» у магнитных полюсов, что следует рассматривать как первое наблюдение магнитного поля. Упомянем еще два крупных достоверных открытия: использование железной пластины как магнитного экрана и опытное обнаружение исчезновения магнит­ных свойств при нагреве магнита до высокой температуры (эффект Кюри).

Исходя из идей Перегрино, Гильберт изготовил магнит сферической формы – «маленькую Землю». Затем, обходя с помощью небольшой намагниченной стрелки поверхность шара, он исследовал магнитные свойства своего шара и нашел, что они соответствуют магнитным свойствам Земли – большого магниа. Итак, заключает он, с точки зрения магнитного действия Земля отличается от этого шара лишь своими размерами.

Значение этого вывода, о котором Галилей сказал, что он «достоин удивления», далеко выходит за пределы чистой техники. Здесь впервые человек осмеливается сопоставлять явление, полученное в стенах лаборатории, с явлением космического порядка. Тем самым наносился тяжелейший удар тысячелетнему мифу, противопоставлявшему подлунный мир миру небесно­му, поскольку концепция Гильберта в конечном счете означала, что явления космоса следует изучать теми же методами, которые пригодны для изучения обыденных явлений.

Помимо упомянутой замечательной концепции и собственной переработки всего комплекса знаний о магнитных явлениях, накопленного за прошедшие века, в трудах Гильберта имеется еще несколько новых экспериментальных фактов, например такой: железная проволока, натянутая по магнитному меридиану, после ковки и вытяжки приобретает магнитные свойства; сила магнита значительно увеличивается при тщательной обработке поверхности. Этот способ был далеко превзойден Галилеем, который для удобства работы ввел применение сердечника – якоря, а также само слово «якорь».