Россия начала XVIII в. Это время ассоциируется у нас с именем великого реформатора Петра I: возведение своих металлургических, суконных, полотняных и других предприятий, создание своей военной промышленности, строительство своего флота, применение новой техники и технологий. Все это быстро превращало отсталую Московию в могучее государство. Требовались грамотные и квалифицированные специалисты. В связи с этим во всех губерниях создаются цифирные школы, открываются профессиональные: артиллерийская, инженерная, медицинская и др., в том числе Московская школа математических и навигацких наук. В Петербурге на базе созданного в 1714 г. естественнонаучного музея – Кунсткамеры – закладывается русский экспериментальный и теоретический центр. Завершиться реформа просвещения должна была созданием Академии наук.
22 января 1724 г. вопрос об учреждении Академии наук обсуждал Сенат. Петр I присутствовал лично: дело ведь не на годы, а на века. Спустя шесть дней был опубликован сенатский указ, извещавший, что «Всепресветлейший державнейший Петр Великий указал учинить Академию, в которой бы учились языкам, также прочим наукам и знатным художествам и переводили бы книги».
По планам Петра, Петербургская академия должна была значительно отличаться от западно-европейских. Там подводились итоги научных исследований, проводившихся в университетах, частных лабораториях и дома. Академия же в Петербурге должна была стать основным источником научных кадров, базой для приобщения молодых людей к научным исследованиям, популяризации научных знаний.
Поскольку собственных ученых в России не было, задолго до основания академии лейб-медик царя Блюментрост по приказу Петра («денег жалеть не пристало, а то убытков не оберешься») разослал письма именитым ученым во все концы Европы с приглашениями. Всего в академию были приглашены 23 ученых, в их числе и такие знаменитости, как Л.Эйлер, Д.Бернулли, И.Лейтман. Большинство энергично принялись за организацию работы и научные исследования. В числе академиков оказались наши М.В.Ломоносов и Г.-В.Рихман.
Начало научной деятельности
Георг Вильгельм Рихман родился 11 июля 1711 г. в семье казначея в г. Пернове (Пярну), который после поражения Карла XII под Полтавой вошел в состав Эстляндии. Отец еще до рождения сына умер от чумы. Мать вышла замуж вторично. Начальное и среднее образование юноша получил в Ревеле (ныне Таллинн), большом портовом городе на берегу Финского залива, где были гимназия и навигацкая школа.
К сожалению, материалы о юношеских и студенческих годах Рихмана не сохранились. Но можно предполагать, что большие способности и исключительное трудолюбие выделяли его из среды сверстников. Свое образование он продолжил в немецких университетах сначала – в г. Галле, а затем в г. Йене, где с особым старанием изучал физику и математику. «Я, – писал Рихман, – по природе лифляндец, учился <...> на собственном иждивении, чтоб со временем моими трудами российскому государству пользу учинить». К тому времени Эстляндия и Лифляндия вошли в состав Российского государства, и это признание характеризует ученого как убежденного патриота России.
Желая более обстоятельно изучить физику, он уезжает в Петербург. 22 июля 1735 г. юноша представляет президенту Петербургской академии наук пробное сочинение по физике и просит принять его в академию. Просьба была удовлетворена, и 13 октября 1735 г. Рихмана зачислили студентом академии «для занятий физическими науками» с окладом 150 рублей в год.
Выбор, сделанный Рихманом, был не случаен. Слава Петербурга как крупнейшего научного и учебного центра была широко распространена. Уже первый руководитель кафедры физики академик Г.Бильфингер, которого Ломоносов называл «славным» ученым и который был вынужден из-за интриг вернуться в 1730 г. в Германию, в своей речи «О достопримечательностях города Петербурга» сказал так: «Кто хочет основательно научиться естественным и математическим наукам, тот направляйся в Париж, Лондон, Петербург. Там ученые мужи по всякой части и запас инструментов. Петр, сведущий сам в этих науках, умел собрать все, что для них необходимо <...> запас книг, дорогие инструменты... Искуснейшие вещи делаются в Петербурге...»
Большую роль в воспитании и научной подготовке Рихмана сыграл академик Крафт, ученик Г.Бильфингера, руководитель кафедры физики и физического кабинета академии, находившийся под влиянием прогрессивных идей Д.Бернулли и Л.Эйлера. Отличаясь широким кругозором, любовью к эксперименту и горячим желанием постоянно знакомить российского читателя с последними научными достижениями, Крафт воспитывал эти качества и в своем талантливом ученике. «С самого начала моего поступления, – писал Рихман, – вначале в качестве студента помогал профессору Крафту в физическом кабинете и продолжал изучение физики по его советам и указаниям». Рихман с разрешения президента присутствовал на собраниях академии, где слушал видных ученых, в том числе и Л.Эйлера. исследования он проводил в физическом кабинете, где насчитывалось около 400 приборов (из них 180 относились к механике, 101 – к оптике, 40 – к магнетизму и 25 – к теплоте и метеорологии): выяснял, как происходит испарение, разрабатывал проекты «особой молотилки» и «водоподъемной машины», писал рассуждение «О сифоне». Одновременно опубликовал в издаваемых Академией наук «Примечаниях к Санкт-Петербургским ведомостям» научно-популярные статьи «О фосфоре», «О янтаре», «О орфирейском плавании под водой», «Физическое известие о целительных водах вообще», «О достойных примечания переменах, которыми поверхность Земли от времени до времени подвержена бывает» и др. Особо стоит отметить «Беседу между двумя философами о пустом и наполненном пространстве», посвященную вопросам строения материи, движения, непрерывности и дискретности.
Все статьи студента Рихмана были чрезвычайно увлекательными, при этом чувствовалось отличное знание истории вопроса и современного его состояния, тщательный подбор доступных примеров. Автор стремился к тому, «дабы не только каждый физик, но и историк, ботаник, химик, астроном, географ, хронолог, анатом, критик, полководец, рядовой воин и любой другой при небольшом внимании мог понять суть дела».
В 1740 г. как способный и хорошо подготовленный физик Рихман избирается адъюнктом, а через год «за особливые свои труды и прилежание» – вторым профессором по кафедре теоретической и экспериментальной физики. За короткий срок он обогатил отечественную и мировую физику рядом ценных экспериментальных исследований и открытием многих важных закономерностей в области тепловых и электрических явлений.
В «Трудах Петербургской академии» напечатаны девятнадцать его работ по калориметрии и термометрии, по теплообмену и испарению жидкостей, по упругим свойствам воздуха, две работы по электричеству, одна по магнетизму и одна по картографии. Остались неопубликованными пять работ по молекулярной физике, сорок сообщений и статей по статическому электричеству и магнетизму, три работы по механике, две по оптике и перевод курса физики Сегнера. «В истории мировой науки в прошлых веках, – писал академик С.И.Вавилов, – нельзя указать другой пример столь быстрого и эффективного выращивания науки, как это было в России в первой половине XVIII века через посредство Петербургской академии».
С 1744 г., после отъезда Крафта в Германию, Георг Рихман остается единственным руководителем кафедры физики и физического кабинета Академии наук, который благодаря его стараниям и энергии стал в середине XVIII в. центром научно-исследовательской и учебной деятельности в России. Ученый придавал особое значение систематическому пополнению кабинета вновь изобретенными приборами, «которые способны будут к учинению новых экспериментов» и, в частности, «к деланию экспериментов электрических». Эту сторону деятельности своего друга высоко ценил М.В.Ломоносов. Немало новых приборов для физического кабинета было изготовлено в академической инструментальной мастерской по проектам самого Рихмана: оригинальный электрометр, электрическая машина с двумя вращающимися шарами, самопишущий прибор для определения средней температуры воздуха, барометр особой конструкции и многие другие. Каждый новый прибор, как правило, давал возможность производить более точные измерения, а иногда и более глубоко изучать сущность того или иного физического явления. «В физике, – говорил ученый, – нелегко что-либо установить, не прибегая к опытам и испытаниям, а голые рассуждения, не подкрепленные опытом, часто ведут к ошибкам». В этом он был полным единомышленником Ломоносова.
Ломоносов часто приходил в физический кабинет. Там до сооружения в 1748 г. своей химической лаборатории он учился искусству экспериментирования, приобрел первые навыки конструирования физических приборов. Когда в Академии наук развернулась возглавляемая Ломоносовым борьба за подготовку своих, отечественных специалистов против «неприятелей наук российских», Рихман решительно выступил ближайшим и верным помощником Ломоносова, неизменно поддерживая все его начинания.
с 1742 по 1753 гг. он читал лекции молодым русским ученым, при этом подробно останавливался на задачах, которые следовало решить: «Студентов обучал я в математике и в физике с знатным успехом, которые моим тщанием до того приведены, что уже и других опять в тех науках обучать могут». Его учениками были ставшие позднее академиками С.К.Котельников, С.Я.Румовский, А.С.Протасов, будущие адъюнкты Академии наук М.Сафронов и В.И.Клементьев и профессора открытого в 1755 г. Московского университета А.А.Барсов и Н.Н.Поповский. Но больше всего он радовался успехам и гордился самоотверженностью своего друга М.В.Ломоносова. Да и тот считал Рихмана «лучшим профессором» Петербургской академии наук.
Георг Рихман зарекомендовал себя чрезвычайно широко образованным ученым, хорошо знакомым со многими областями науки. Он внимательно следил за развитием естествознания, критически приглядывался к нововведениям и вошел в историю науки как один из крупнейших основоположников теплофизики и электричества. Он успешно разрабатывал некоторые вопросы оптики, магнетизма, механики, картографии, впервые в России начал изучать явление холодного свечения тел, т.е. люминесценции. Им были проведены большие исследования по искусственному намагничиванию стрелок с целью их использования в компасах, что имело немаловажное практическое значение для мореходного дела и для геодезии. Он неоднократно отстаивал право на свободное и честное “искание” объективной истины, на собственные убеждения, независимые от влияния вековых догм и авторитетов, на то, что он называл «свободой философствования».
Калориметрия. Теплообмен. Испарение жидкостей
К середине XVIII в. наука о теплоте прошла уже достаточно долгий путь. В трудах античных философов Демокрита, Эпикура, Лукреция высказывалась догадка о том, что тепловые явления связаны с движением специальных тепловых атомов, имеющих форму шара. По мнению Демокрита, эти атомы врезаются в тела и вызывают действие, называемое теплотой.
Из других воззрений на природу теплоты исходил Аристотель. Он считал теплоту одним из четырех (теплота, холод, сухость и влажность) «первичных качеств», или «стихий», которая в сочетании с сухостью образует огонь. А огонь всегда находится выше всех вещей, являясь общим началом всех горючих тел. Это учение, принятое церковью как догма, стало серьезным тормозом в развитии науки о теплоте.
Только в XVII в. в трудах Бэкона, Декарта, Гассенди, а также Бойля, Гука, Ньютона и других ученых получили дальнейшее развитие предположения философов античности о теплоте как о движении атомов. Считая теплоту движением мельчайших частиц тела, Бэкон в то же время не отрицал и существования особой огненной материи, которая производит движение этих частиц. По мнению Декарта, огонь представляет собой быстрое движение заостренных частиц, а теплота – движение частиц шарообразной формы. Он утверждал также, что в твердых телах частицы находятся в покое, однако это утверждение было опровергнуто исследованиями Гука, пришедшего в результате своих наблюдений к выводу о том, что во всех телах вообще частицы находятся в движении.
Против Декарта выступил и Гассенди. По его мнению, теплота и холод вызываются атомами теплоты и атомами холода, которые сами по себе не обладают теплотой или холодом, но порождают теплоту благодаря своей особой форме и движению. Эта точка зрения способствовала возникновению учения о теплоте как о невесомом веществе.
В конце XVII в. Бойль провел большое число опытов, связанных с изучением теплоты. Убедившись в том, что нагревание тел легко достигается механическим путем посредством трения или ковки металла, он тем не менее оказался непоследовательным в своих атомистических воззрениях. Например, увеличение веса металла после его прокаливания в сосуде он объяснял существованием теплового вещества, или весомой «материи огня». Выводы Бойля способствовали распространению представлений о теплороде – невесомой материи, которая, подобно весомой жидкости, может свободно перетекать из одного тела в другое.
Широкому распространению теории теплорода в XVIII в. способствовали и успехи математического метода в физике, получившего повсеместное признание после работ Ньютона, где было введено новое понятие – «количество теплоты». Его последователи стали трактовать теплоту как некую субстанцию и рассматривать тепловые явления как переходы и изменения различных количеств этой субстанции.
Различные «невесомые жидкости» (флюиды) были введены и для объяснения электрических, магнитных и световых явлений. Для объяснения химических явлений, например горения, широкое распространение получила теория флогистона, под которым ученые того времени понимали вещество, якобы являвшееся носителем горючести. Они утверждали, что при горении тело становится легче, т.к. из него выделяется флогистон – горючее весомое начало. Некоторые химики допускали даже существование флогистона с отрицательным весом.
Теория теплорода, ложная в своей основе, сыграла в истории науки и положительную роль. Она помогла физикам систематизировать накопленный материал и правильно подметить некоторые закономерности тепловых явлений. Так, при изучении явлений перераспределения теплоты или ее передачи, когда общее количество теплоты оставалось неизменным, теория теплорода давала возможность провести правильные расчеты, хорошо объясняющие тепловой баланс. Объясняла она и явление теплопроводности, исходя из того, что теплота переходит из одного тела в другое, сохраняя свое общее количество подобно тому, как это происходит с жидкостью.
Огромное значение для изучения тепловых явлений сыграла термометрия. Она, по существу, и положила начало количественному изучению этого важнейшего раздела физики. До ее возникновения на Руси, например, сведения о погоде записывали так: «1657 год, генваря, 30-го дня, пяток. День был до обеда холоден и ведрен, а после обеда оттепелен, в ночи было ветрено». Если требовалось отметить температуру воздуха в зимний день, то записывали так: «Мороз мал». Или: «Мороз лютый». Появление первых термометров связано с изобретенным Г.Галилеем термоскопом, а позже – пригодными для научных измерений термометрами Фаренгейта, Реомюра и Цельсия. С помощью термометра (хотя к началу 40-х гг. XVIII в. в употреблении находилось не менее тринадцати различных шкал) ученые сразу же приступили к количественным исследованиям тепловых явлений.
Таким образом, ни М.В.Ломоносов, ни Г.-В.Рихман не были первопроходцами в этой области физики, ибо вопросами термометрии и теории теплоты еще до них занимались петербургские академики Г.Бильфингер, Г.Крафт, И.Делиль, И.Вейт-брехт, а также академические мастера-приборостроители. В 1744 г. Г.Крафт представил в академию труд «Различные опыты с теплом и холодом», в котором обобщил свои многолетние исследования и нашел эмпирическую формулу для определения температуры смеси двух различных по массе и по температуре количеств одинаковых жидкостей:
где a и b – массы смешиваемых жидкостей, m и n – их температуры соответственно, 11 и 8 – коэффициенты. Крафт брал воду, холодную и горячую, температуру измерял по шкале Фаренгейта. Эти опыты, положившие начало научным исследованиям по калориметрии, были успешно продолжены Г.-В.Рихманом. Его труды вошли в историю физики в качестве основополагающих.
В 1744 г. Рихман представляет в академию труд «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешивании жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты». Однако молодому ученому на академическом собрании были сделаны серьезные замечания, и он провел еще одно исследование, подтверждающее справедливость выведенной им формулы, которое и представил в академию в 1748 г. Рихман убедительно доказал, что формула Крафта для определения температуры смеси применима только для случая смешивания двух малых объемов воды и что она неточна. Проведя огромное число тщательно выверенных опытов, Рихман получил довольно точную формулу (вошедшую в историю физики под его именем) для определения температуры смеси произвольного числа разных порций одной и той же жидкости разной температуры:
где m1, m2 ... mk – массы смешиваемых жидкостей, t1, t2 ... tk – соответствующие им температуры. Тогда понятия о теплоемкости тела еще не было, так что надо было обладать незаурядной интуицией, чтобы вывести уравнение, точность которого, с современной точки зрения, определяется лишь степенью зависимости теплоемкости от температуры.
Рихман первым использовал уравнение теплового баланса. И хотя это уравнение было составлено для температуры смеси различных количеств одной и той же жидкости, оно в первом приближении выражало правильное распределение теплоты при смешивании любого числа порций жидкости. Однако рассчитанные температуры всегда получались больше измеряемых. Разницу ученый относил за счет потерь тепла в окружающей среде. Немаловажное значение имеет выдвинутое им положение о том, что чем больше масса тела, тем меньше расхождение с расчетными формулами.
Используя формулу Рихмана, физики уже в XVIII в. успешно освоили новые методы калориметрических исследований, и вскоре английский физик и химик Дж.Блэк и независимо от него шведский физик И.Вильке открыли «скрытую теплоту плавления льда». На основе этой формулы был разработан способ смешивании жидкостей для определения их теплоемкостей. Этот способ также был назван именем Рихмана и до сих пор является одним из основных при определении теплоемкости, удельной теплоемкости и других теплофизических величин: из школьного курса физики известно, что удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле
где Q – количество теплоты, которое необходимо передать телу массой m, чтобы повысить его температуру от t1 до t2.
Научные публикации Рихмана говорят о том, что он понимал разницу между теплотой и степенью нагретости – температурой; понимал, что теплота не может быть измерена градусами. «Часто происходит ошибка, – писал ученый, – если о состоянии воздуха, с точки зрения его теплоты, судят по градусу, показываемому термометром». Позже, в 1855 г., его гипотезу доказал немецкий математик и физик Иоганн Ламберт. При исследовании металлов Г.-В.Рихман установил, что «наибольшую способность удерживать теплоту имеют латунь и медь, затем идет железо, после чего олово и свинец». Эти важные для науки о теплоте исследования он проводил совместно с Ломоносовым.
Нагревая различные металлы на одно и то же число градусов, Рихман обратил внимание на еще одну закономерность: время нагрева было различно. По его мнению, это зависело от способности тел принимать или отдавать тепло, т.е., говоря современным языком, от их теплоемкости. В ходе исследований была составлена таблица, в которой металлы располагались не по теплопроводности, а в основном по их теплоемкости. Спустя несколько лет шведский физик Вильке назовет эту физическую величину относительной теплоемкостью.
Большое значение для развития учения о теплоте имели работы ученого по исследованию самопроизвольного процесса переноса тепла из более нагретой среды к менее нагретой путем конвекции и теплопроводности. В первой серии опытов Рихман исследовал закономерность охлаждения воды, заключенной в стеклянный сосуд, который подвешивался на тонком шнуре и соприкасался только с воздухом, имеющим постоянную температуру. В других сериях он изучал влияние на теплообмен величины и формы поверхности охлаждаемой жидкости, а также ее объема. Охлаждение жидкости исследовалось как в стационарных условиях, так и при тепловом потоке, изменяющемся во времени. Ученый заметил, что в сухом неподвижном воздухе охлаждение жидкости происходит иначе, чем во влажном. Анализируя проведенные опыты, Рихман пришел к выводу о том, что теплообмен между телами является сложным физическим процессом, который зависит от температуры тел, поверхности нагрева или охлаждения, объема, а также от способности тел удерживать в себе теплоту.
Подводя итоги своим экспериментам, он сделал вывод, что падение температуры нагретого тела на Dt при свободном его охлаждении в воздухе прямо пропорционально поверхности этого тела F, разности температур тела и среды (t – t1), времени Dt и обратно пропорционально объему тела V:
Если через v обозначить скорость охлаждения тела, т.е. число градусов, на которое бы понизилась температура тела за бесконечно малый промежуток времени Dt, и ввести коэффициент пропорциональности с, имеющий размерность скорости движения, то закон охлаждения тел, к которому пришел Рихман, можно записать так:
В своих последующих работах он отмечал, что понижение температуры нагретых тел, соприкасающихся со смежными холодными средами, происходит приблизительно в логарифмической зависимости. Только в 1751 г. ученый прочитал небольшую заметку «О шкале степеней тепла и холода», написанную Исааком Ньютоном пятьдесят лет тому назад. В ней были не только описаны различные опыты по охлаждению тел, но и на их основе сделаны выводы о том, что количество теплоты «в заданное время» отдаваемое нагретым железом «смежным с ним холодным телам» пропорционально «всей теплоте железа». При этом указывалось, что «если времена охлаждения принимать равными», то понижение температуры нагретого железа происходит в геометрической прогрессии и может быть найдено «легко по таблице логарифмов». Эта установленная Ньютоном закономерность вошла в науку как закон охлаждения тел. Тем не менее исследования Рихмана по конвективному теплообмену и открытый им закон были выдающимся вкладом в развитие теплофизики и получили самую высокую оценку в мировой науке.
Развитие метеорологии и гидрологии привели Г.Рихмана к мысли вплотную заняться изучением процессов, происходящих при испарении воды. Впервые он сделал попытку связать теорию испарения с законом охлаждения тел. Для своих опытов ученый использовал открытые цилиндрические сосуды, имеющие различные поверхности испарения, заполняя их на различную глубину водой. Количество испарившейся жидкости за определенный промежуток времени определялось по разности веса объема исходной и оставшейся воды. На основе многочисленных опытов Рихман установил, что испарение воды зависит от разности площадей поверхности, от массы и глубины воды в сосуде. Он также показал, что испарение всегда сопровождается понижением температуры воды.
С целью оснащения отечественных метеорологических станций новыми и точными теплоизмерительными приборами Рихман создал гидравлический испаритель для точного измерения количества испаряемой воды, метеорологический термометр для измерения средней температуры за сутки, барометр особой конструкции.
Первый электростатический измерительный прибор
Изучение электрических явлений в России было начато в 1745 г. К этому времени наука об электричестве в Европе насчитывала уже полтора века, начиная с 1600 г., когда вышел из печати первый научный труд по магнетизму и электричеству – «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» Уильяма Гильберта. Этот ученый значительно расширил представления о телах, приобретающих при натирании электрические свойства. Древним грекам и ученым Средневековья в качестве такого тела был известен только янтарь. На основе опытных исследований Гильберт пришел к выводу, что аналогичными свойствами обладают алмаз, сапфир, опал, аметист, горный хрусталь, стекло, сера, смола и ряд других веществ. Все эти тела он назвал «электрическими». Это было важным научным открытием. Последующая практика показала, что сера и стекло электризовались при натирании особенно сильно, поэтому были использованы Отто фон Герике и Ф.Гауксби для создания первых электростатических машин.
Вместе с тем многие тела Гильберту не удалось наэлектризовать: яшму, жемчуг, мрамор, кремень, слоновую кость, человеческое тело и тела животных, а также металлы – серебро, золото, медь и железо. Все эти тела он назвал «неэлектрическими». В труде содержалось немало и ошибочных положений. Так, его утверждение о том, что металлы не могут быть наэлектризованы трением, впервые экспериментально было опровергнуто только в середине XVIII в. Г.Рихманом. Ошибочным было утверждение Гильберта и о существенном различии электрических и магнитных явлений.
Тем не менее вопросами, связанными с электричеством, интересовались многие ученые, среди которых следует особо выделить англичанина С.Грея и француза Ш.Дюфэ. Грей провел опыты по электропроводности отдельных тел: он впервые наэлектризовал человека, приблизительно смог разделить вещества на проводники и непроводники электричества. Дюфэ установил, что, во-первых, тела, наэлектризованные зарядом одного и того же знака, отталкиваются, а наэлектризованные зарядами противоположных знаков – притягиваются; во-вторых, что существует электричество двух родов – «стеклянное» (положительное) и «смоляное» (отрицательное). Большое практическое значение получил и созданный Дюфэ простейший прибор для обнаружения зарядов на том или ином наэлектризованном теле. Ученый брал две шелковые, бумажные или шерстяные нити и подвешивал их в одном месте на изолированной проволоке. Как только проволоке сообщался одноименный электрический заряд, эти нити сразу же отталкивались друг от друга. Расхождение между нитями возрастало при увеличении заряда на проволоке. Это был прообраз хорошо ныне известного учебного электроскопа. Одним из первых, кто понял глубокий смысл и практическое значение принципа его устройства, был петербургский физик Г.-В.Рихман.
Считается, что толчком к началу исследований по электричеству в России послужило письмо Л.Эйлера в Академию наук от 15 августа 1744 г. с приглашением принять участие в конкурсе Берлинской академии наук на решение задачи о причине электрических явлений. Письмо было рассмотрено на заседании академического собрания 24 августа. Было принято решение «...произвести также и здесь исследования над явлениями электричества и тщательно изучить все сочинения, написанные по этому предмету, а те, которых нет здесь, как можно скорее добыть».
Это новое направление возглавил Г.Рихман. Он очень внимательно изучил все труды по этому вопросу, после чего решил особое внимание уделить методике и технике эксперимента. Так как опытов по электричеству до него в академии никто не проводил, не было и необходимых приборов и материалов. Пришлось приобретать их самому, а кое-что и изготавливать. Заказы ученого – стеклянные трубки разных размеров, стеклянный полый шар, шар металлический и несколько подставок из смолы для изоляции – были быстро выполнены в инструментальной академической мастерской. Была изготовлена и электрическая машина типа машины Гауксби со стеклянным шаром, но с некоторыми усовершенствованиями – более устойчивая и с большим числом оборотов шара. Рихман долго обдумывал, как проводить свои опыты, какую цель перед собой поставит. Анализ работ европейских физиков показал, что все они использовали только описательный, качественный метод. Идти по проторенному пути было не в характере ученого. Поэтому он решает сначала создать прибор, с помощью которого можно было бы измерять электрические заряды, создаваемые на телах при электризации трением, и изобретает «указатель электричества» (рис. 1, 2). Это устройство представляло собой вертикальную металлическую линейку (длиной около 52 см и массой около 615 г), к которой подводился электрический заряд от электростатической машины. К верхнему концу линейки прикреплялась льняная нить (длиной около 61 см и массой около 45 мг). Как только металлической линейке передавался электрический заряд, льняная нить отталкивалась от нее и отклонялась на некоторый угол в зависимости от величины заряда. Угол отклонения измерялся на деревянном квадранте с дуговой шкалой, разделенной на градусы. Для более точных измерений каждый градус был разделен на четыре равные части. В целях устранения контакта льняной нити с квадрантом (во избежание частичной утечки заряда) конец этой нити был удален от него на одну линию (2,5 мм).
Введение в конструкцию электрометра указателя шкалы с делениями принципиально изменяло функцию и назначение прибора. Так как в то время единиц для выражения величины электрических зарядов еще не было, то их можно было сопоставлять по градусной шкале. Так был создан первый электрометр, и принцип его работы сохранился в ряде современных электроизмерительных приборов.
Рис. 1. Чертеж электрометра Г.-В.Рихмана (1745 г.): А – линейка, В – льняная нить, C – деревянный квадрант с градусной шкалой DН
Для измерения «электрической силы» ученый решил использовать и весы (рис. 2). В целях изоляции весы подвешивались на шелковом шнуре, для устойчивости при помощи щипцов соединялись с деревянной подставкой и уравновешивались грузом, двигавшимся вдоль вертикальной линейки со шкалой. Конструкция позволяла довольно точно измерять расстояние между уравновешенными весами и расположенной под чашкой весов металлической пластиной. Пластина лежала на железных грузах, которые в целях изоляции опирались на смолу в деревянном коническом сосуде. Эти массивные железные грузы соединялись с электростатической машиной и при электризации притягивали чашку весов. Величина силы притяжения определялась по высоте подъема груза. Самый сильный полученный в экспериментах заряд поднял груз массой около 6 г на 5,1 см.
Измерять величину заряда взвешиванием оказалось менее удобным, чем с помощью «указателя электричества». Но через полтора столетия идею Г.-В.Рихмана физики стали активно использовать для измерения разностей потенциалов. Сегодня на этом принципе основано устройство абсолютного электрометра.
Рис. 2. Установка Г.-В. Рихмана для количественного исследования статического электричества с помощью различных способов регистрации величины электрического заряда: справа вверху – по углу отклонения нити (см. рис. 1), слева внизу – по отклонению чашки весов, слева вверху – по звучанию колокола
Продолжая свои конструкторские изыскания, Рихман решил для «определения интенсивности электрической силы» использовать электрический звонок. Этим методом он сумел проверить, «каким образом по быстроте звона можно распознавать наибольшую степень электричества». Между двумя колоколами помещался железный молоточек. Получив электрический заряд от электростатической машины, молоточек притягивался к колоколу и ударял по нему, производя звон. Разрядившись, он возвращался назад и снова электризовался, ударившись о другой колокол, соединенный с электростатической машиной. Частота и сила ударов молоточка полностью зависели от степени электризации. Таким образом, в Петербурге в 1745 г. было апробировано первое своеобразное автоматическое регистрирующее устройство. Оно позволяло без участия наблюдателя точно фиксировать не только время прохождения заряда по цепи, но и его величину.
В конце 40-х гг. XVIII в. необходимость в хотя бы самом простом электроизмерительном приборе заставила поломать голову многих физиков. Так, свой проект прибора в 1749 г. представили Парижской академии наук Ж.Леруа и П. д’Арси. Для «измерения электрической силы» они предлагали использовать плавающее на поверхности воды в стеклянном изолированном сосуде заостренное вверх наэлектризованное тело. Оно должно было, притягиваясь другим «находящимся по соседству телом», подниматься на некоторую высоту, обозначая «градус электричества». Эта высота фиксировалась по тени, отбрасываемой на удаленную доску.
Другой метод измерения величины электрических зарядов был предложен Б.Франклином. Вследствие истечения электрических зарядов с острия приводилась в движение небольшая машина, похожая на ветряную мельницу, из очень легких колесиков из толстой бумаги. По быстроте вращения колесиков и определялась величина «электрической силы». Однако ни одна из этих конструкций не получила практического применения.
Рис. 3. Чертеж усовершенствованного
электрометра Г.-В.Рихмана (1753 г.)
Жизнь показала, что наиболее правильное решение было найдено все-таки Г.-В.Рихманом. И ученый на протяжении ряда лет продолжал совершенствовать свой электрометр (рис. 3). Для большего удобства металлическую линейку он поставил в небольшой тонкостенный стеклянный сосуд с узким горлышком и заполнил этот сосуд «железными опилками, стружками любого металла или мельчайшими свинцовыми шариками». Чтобы линейку можно было прикладывать к любому наэлектризованному телу, к ее верхнему концу прикреплялась изогнутая металлическая пластина. К верхнему концу линейки прикреплялась и тонкая льняная нить. Стеклянный сосуд на половину своей высоты помещался в металлический сосуд с ручкой, на которой была укреплена деревянная дуга, разделенная на 170°. Для сравнения величины электрических зарядов, по замыслу Рихмана, необходимо было иметь еще или точно такой же электрометр, или же каждый раз после того, как заряд измерен, разряжать этот (рис. 4).
Рис. 4. «Электрический указатель»
Г.-В.Рихмана в общем виде
Проведя многочисленные эксперименты, ученый пришел к выводу, что электрический заряд на электрометре со временем убывает и что это убывание зависит от ряда причин.
Во-первых, утечке электричества способствуют тела, имеющие острые углы. В доказательство он проводил такой опыт: на изолированное тело ставил циркуль с острыми ножками, торчащими в разные стороны. Затем, передав этому телу заряд от электростатической машины, он с помощью своего «электрического указателя» определял его величину – нить поднималась до 40°. Когда электризация тела прекращалась, нить за 86 с опускалась до 35°. При отсутствии циркуля изолированному телу можно было передать значительно больший заряд: нить поднималась до 50°, а после прекращения электризации опускалась на 5° за 100 с (от 40 до 35°).
Во-вторых, довольно быстрая утечка электрического заряда происходит, если на расстоянии не более 12–15 см от наэлектризованного тела находится соединенный с землей проводник (около наэлектризованных тел не должно быть заземленных проводников).
В-третьих, к «убыли электричества» приводит влажность. Этим объясняется хорошо известный факт, «почему в холодной комнате при наличии многих людей» электрический заряд на наэлектризованном изолированном теле «сначала бывает довольно сильным, однако вскоре начинает убывать, а иногда совсем пропадает» (опыты следует проводить в сухой среде).
Преждевременная смерть прервала деятельность талантливого физика. Прибор, о котором он мечтал, был создан только в XIX в.
Исследования по электростатике
Создав приборы, предназначенные для количественного изучения электрических явлений, Г.Рихман сразу же приступил к выполнению намеченных исследований. Все полученные результаты он подробно записывал в специальную тетрадь «Новые опыты над электрическими явлениями». Это была первая в России работа по электричеству. К числу своих открытий Рихман относил опыты по электризации воды, спирта, снега и льда. Ученый поочередно помещал эти вещества в металлический сосуд, ставил его на наэлектризованную железную подставку и, поднося к поверхности исследуемого вещества палец, наблюдал проскакивание искр и даже свечение. При помощи наэлектризованного льда он воспламенял ненаэлектризованный винный спирт. В этих опытах, как, впрочем, и во всех последующих, физик-экспериментатор постоянно использовал изобретенный им электрометр.
Важнейшим результатом первых опытов Рихман считал выделение проводников и изоляторов. Оказалось, что многие описанные в книгах результаты неверны. Сухие льняные и конопляные веревки оказались неплохими изоляторами, так же как и шелковые шнурки независимо от цвета. Но и те и другие во влажном состоянии становились проводниками электричества. Сухие ель и дуб были хорошими изоляторами, но тоже становились проводниками, стоило их немного увлажнить.
Для получения более надежных данных Рихман исследовал электропроводность различных тел двумя методами: вначале он выяснял возможность электризации путем их натирания, а затем включал эти тела в цепь, чтобы с помощью электрометра установить, могут ли они быть проводниками электричества. Петербургский физик своими опытами подтвердил выводы У.Гильберта и дополнил их: хорошими изоляторами являются янтарь, агат, стекло, сургуч, смола, воск, фарфор, канифоль, алмаз, хрусталь, камфора и некоторые другие тела, а проводниками электричества – все металлы, вода, лед, тела животных, мясо, густые жидкости, в состав которых входит вода, влажное дерево различных сортов, сырые травы, угли, сырые полотна, земля и глина.
Интерес к изучению электропроводности сохранился у Рихмана до конца его короткой жизни. Он задумывал составить специальную таблицу, в которой все изученные им тела располагались бы согласно их удельной электропроводности (по нынешней терминологии). Этот вопрос имел большое практическое значение. К сожалению, выполнить задуманное ученый не успел.
Большое внимание Г.-В.Рихман уделял исследованию электроемкости различных по своей массе и объему тел. При помощи электрометра он экспериментально доказал, что наэлектризованное тело большей массы медленнее теряет свой заряд. В одном из опытов тело массой 130 кг, имеющее заряд по показанию шкалы электрометра 25°, теряло его в течение 25 мин, а тело того же состава массой 10 кг, имеющее такой же заряд, теряло его при тех же условиях в течение 15 мин. Казалось бы, вывод очевиден: чем больше масса тела, тем дольше держится на нем электричество. Но ученого смущало, что «времена не были пропорциональны массам». Рихман высказал гипотезу о связи величин электрических зарядов с площадью поверхности тел. Снова начинались многочисленные эксперименты.
Ученый брал изолированную железную призму площадью поверхности около 30 см2 и изолированную железную трубку такой же массы, но площадью поверхности около 240 см2. Затем от лейденских банок заряжал оба тела до максимального значения, приближал к призме и к трубке незаряженное тело, соединенное с электрометром, и получал от призмы только малую искру, а от трубки – «большой треск и большую искру, равно как и большее изменение в указателе». Так на опыте было доказано, что электроемкость тел зависит от площади их поверхности.
Г.-В.Рихман был не только выдающимся физиком-экспериментатором, но и пропагандистом науки об электричестве. Свои опыты ученый неоднократно демонстрировал перед коллегами и студентами. Он легко воспламенял винный спирт и нефть, поднося к ним наэлектризованные тела, зажигал нефть наэлектризованным льдом, электризовал людей и, соединив их между собой проводником, сообщал электрический заряд одному изолированному человеку, а соединив того с другим, ненаэлектризованным, получал искры и «ощутительный свет». Демонстрируя проводимость человеческого тела и сырых ниток, опытным путем доказывал, что неизолированное тело наэлектризовать нельзя. Показывал истечение электрических зарядов с острых конусов наэлектризованных изолированных тел и действие электрического звонка. К своим публичным выступлениям ученый всегда очень тщательно готовился. Демонстрации сопровождались комментариями к результатам, полученным иностранными учеными. Он рассказывал и о том, что удалось ему самому установить в этой области физики, о своих оригинальных методах изучения электрических явлений. Слава об опытах Г.-В.Рихмана быстро росла. Ему даже было предоставлено почетное право продемонстрировать свои опыты в Зимнем дворце – резиденции императрицы.
Большой интерес для истории отечественной науки представляют и первые опыты по электрофизиологии (1745 г.). Их цель – изучение влияния электричества на организм животных. Была сделана попытка изучения влияния электризации человека на его пульс, однако «не заметил, чтобы от электризации ускорялось обращение крови». Этот вывод несколько позже был подтвержден исследованиями немецкого физика Г.Кюна.
Опыты Г.-В.Рихмана по электрофизиологии чрезвычайно заинтересовали М.В.Ломоносова, который прекрасно понимал, что в недалеком будущем электричество найдет свое применение в медицине. Как и многие ученые, Михаил Васильевич стал экспериментировать над собой. «Если голову под проволоку поставить, – писал он в начале 1745 г., – то почувствуешь колотье. Так же, когда плечо приложишь к проволоке, то и сквозь платье колотье почувствуешь... Когда молоток приложишь ко лбу и зубам, а другим концом к проволоке, то почувствуешь немалую болезнь... Маленькие животные чувствуют большую болезнь, нежели великие. Я надеюсь, что карлам больнее будет, нежели рослым людям».
Со временем начала проведения опытов Рихмана и Ломоносова по электрофизиологии совпадают и первые попытки применения в России электричества для лечебных целей. Этим вопросом небезуспешно занимались академик Х.Кратценштейн и доктор П.Паульсон.
Учитывая огромный интерес окружающих к новому разделу физической науки и в связи с отсутствием учебной литературы, Г.-В.Рихман решил взяться за написание учебного пособия для студентов академического университета. В своих первых лекциях он уделил достаточно много места обзору важнейших трудов и основных опытов по электричеству, выполненных У.Гильбертом, О.Герике, Р.Бойлем, С.Греем, Ш.Дюфэ, П.Мушенбруком, Д.Бозе, И.Винклером и др. Дав обзор основных исследований, проведенных предшественниками, Рихман затем подробно остановился на своих опытах и подробно изложил целую программу изучения электрических явлений. Этим ученый подчеркивал широту круга вопросов, которые предстояло решать студентам. К сожалению, он не успел закончить задуманное учебное пособие.
В декабре 1747 г. в здании Кунст-камеры, где располагался физический кабинет Академии наук, произошел пожар. Экспериментальные работы Рихмана были временно прекращены до оборудования новой «электрической каморы» в каменном арендованном доме. Чтобы во время опытов электрические заряды держались дольше, стены и потолок домашней лаборатории были обшиты деревянными досками. В ней ученый вместе с учениками проводил исследования по электричеству до конца своей жизни.
Оборудуя свой физический кабинет, Г.-В.Рихман решил создать новую электростатическую машину. Была ли она построена – неизвестно, но сохранился ее чертеж, выполненный студентом С.К.Котельниковым (рис. 5). Первая электростатическая машина отечественной конструкции должна была прочно крепиться на массивном деревянном постаменте. Одновременное вращение при помощи колеса с рукояткой и перекидных ремней двух стеклянных шаров должно было давать сильные заряды. Заряды со стеклянных шаров предполагалось снимать с помощью проволоки и собирать их на отдельных хорошо изолированных полых металлических шарах-кондукторах. Правда, европейские ученые к тому времени уже имели в своем распоряжении более совершенные электростатические машины, так что, возможно, подобная и была выписана для нужд лаборатории.
Рис. 5. Проект электростатической машины
Г.-В.Рихмана
Занимаясь усовершенствованием своего детища – электрометра, – а также выяснением физической сущ-ности и обстоятельств истечения электричества с углов наэлектризованных тел, Г.-В.Рихман, по современной терминологии, сумел по отклонениям нити на шкале прибора определить напряженность электрического поля. При этом ему удалось доказать, что она становится меньше по мере удаления электрометра от наэлектризованного тела. Для случая же наэлектризованного шара она бывает одинаковой со всех сторон только на равных расстояниях от него.
Рихман провел ценные наблюдения зависимости плотности электричества от кривизны поверхности. Он экспериментально доказал, что на телах с поверхностью одинаковой кривизны, например на изолированном шаре, электрические заряды распределяются равномерно по всей поверхности, а на телах с поверхностью различной кривизны, например на призме, – неравномерно: они скапливаются вблизи острых углов и выступающих граней.
Г.Рихман обнаружил еще одно совершенно неизвестное до него очень важное явление, которое впоследствии получило название электростатической индукции. Рядом с наэлектризованным телом, непрерывно получающим заряды от электростатической машины, на расстоянии нескольких сантиметров ученый помещал изолированное остроконечное ненаэлектризованное тело, обращенное острием к наэлектризованному. Соединив острие этого тела с электрометром, он заметил, что нить понемногу поднимается, т.е. заряд возрастает. Когда он удалял электрический заряд с наэлектризованного тела, то замечал, что «в остроконечной массе электричество постепенно ослабевает». Это впервые им открытое явление Рихман объяснял наличием вокруг наэлектризованного тела «возбужденной электрической материи», благодаря которой осуществляется взаимодействие наэлектризованных и ненаэлектризованных тел.
Кстати, это же явление независимо от Рихмана в 1753 г. открыл английский физик Д.Кантон. Пользуясь электрометром с пробковыми шариками, ученый заметил, что они расходятся при приближении к наэлектризованному телу и снова сходятся при удалении.
Как и все физики того времени, Рихман вначале относил все металлы к группе неэлектризующихся тел. Но уже в 1746 г. он пришел к выводу, что «нельзя, в сущности, сказать, что металлы не электризуются путем трения». К этому заключению ученый пришел опять же опытным путем. Он вставлял в «тонкие цилиндрические стаканы железные стержни и путем легкого поглаживания возбуждал такое электричество, благодаря которому эти стержни испускали искру в случае прикосновения к ним». Утверждение Рихмана о том, что металлы можно наэлектризовать путем трения при условии их тщательной изоляции, было подтверждено в конце XVIII–начале XIX вв. русским физиком В.В.Петровым. Он натирал изолированные металлические проводники не обычным способом, а путем их «стегания» мехом и добивался отличных результатов.
Г.-В.Рихман был в числе первых ученых, который с помощью электрометра подверг тщательному экспериментальному изучению влияние температуры и влажности воздуха на электропроводность различных тел. По предложению М.В.Ломоносова он провел исследование стеклянных порошков разной измельченности. Опыты показали, что мелкий стеклянный порошок из-за большой поверхности в один и тот же промежуток времени может «притягивать большее количество водяных паров, чем более крупный порошок», и по этой причине он быстрее теряет свойство изолятора. Так петербургскому физику впервые удалось подойти к современному пониманию адсорбции водяных паров активной поверхностью мелко размельченного стеклянного порошка.
В середине XVIII в. многих ученых занимал вопрос образования сильных электрических искр. Г.-В.Рихман, обобщив свои наблюдения и опыты, а также литературные данные, пришел к заключению, что самая крупная электрическая искра получается при наибольшей разнице в величине зарядов между двумя телами.
Количественное изучение электрических явлений дало возможность Рихману вплотную подойти к закону сохранения электрических зарядов, частному случаю закона сохранения вещества и движения, который был сформулирован в 1748 г. М.В.Ломоносовым в его известном письме к Л.Эйлеру. Рихман отметил, что при соединении двух тел, имеющих разные по величине электрические заряды, происходит выравнивание зарядов. При этом увеличение заряда в одном из них, где он был меньше, всегда происходит за счет уменьшения электрического заряда в другом, где он был больше. Эта, казалось бы, простая и очевидная истина, выражала, по существу, идею сохранения электрических зарядов. Первым к этому выводу пришел американский ученый Б.Франклин, а затем (независимо от него) Рихман. В 1758 г., не зная о работах Г.Рихмана, к закону сохранения электрических зарядов пришел петербургский физик Ф.Эпинус.
При жизни Г.Рихмана была напечатана только одна его работа по электростатике, но о ряде неопубликованных статей и множестве заметок ученый мир узнал только в 1956 г., когда был издан сборник всех трудов этого выдающегося исследователя электрических явлений.
Атмосферное электричество
Безусловно, выдающимся научным событием в середине XVIII в. следует считать начало экспериментального изучения самого грозного и величественного явления природы – молнии. Многие столетия, включая и средние века, считалось, что молния – это огненный пар, зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется вниз, к поверхности Земли. Об этом, например, упоминается в «Божественной комедии» Данте:
И как огонь, из тучи упадая,
Стремится вниз...
В среднем на планете одновременно происходит около 1800 гроз, каждую секунду бьют примерно 100 молний. С незапамятных времен это поражающее воображение явление природы заставляло человека искать и придумывать самые разные приспособления для защиты от ударов молнии.
Так, древние египтяне вокруг храма Эдфу устанавливали сорокаметровые заостренные сверху столбы, обитые металлическими листами. К золотой крыше храма Соломона в Иерусалиме непосредственно примыкали медные водосточные трубы, соединенные с подземными резервуарами. Благодаря такому устройству этот храм просуществовал более десяти веков без единого поражения молнией, хотя и находился на возвышенности. Древние наши предки в качестве защиты от молний довольно часто использовали металлические шесты, соединенные с землей. А в средние века для рассеяния грозовых туч чаще применялось пламя костров, колокольный звон или пушечная пальба.
Проходили десятилетия, а человек никак не мог разобраться в загадочной природе молний и научно обосновать методы защиты. Причиной этому была полная неизученность электрических явлений в атмосфере. Главная проблема заключалась в том, что никто не знал, как извлечь из тучи и подвести к столу экспериментатора страшную молнию.
Только в 1750 г. американский физик Б.Франклин предложил посадить в будку, находящуюся на высокой колокольне или башне, человека, который подносил бы к стержню, наэлектризованному молнией, заземленный проводник. Если при этом обнаружатся искры, то предположение об электрической природе молнии и о наэлектризованности грозовых туч будет верным. Этот смелый замысел осуществил в начале мая 1752 г. французский физик Т.Далибар. Изменив проект установки Франклина, он сумел во время грозы извлечь электричество из облаков и получить электрические искры. Сам же Франклин месяц спустя осуществил более простой эксперимент. Он запустил воздушный змей, к которому прикрепил заостренную проволоку длиной чуть более 80 см. К концу тонкой бечевки, на которой удерживался змей, Франклин для изоляции привязал шелковую ленту и в этом месте укрепил металлический дверной ключ. Во время грозы бечевка намокала и становилась хорошим проводником, а шелковая лента оставалась сухой, т.к. находилась под навесом. Ученый во время грозы приближал палец к ключу и получал электрическую искру. Затем он зарядил от металлического ключа лейденскую банку и на ряде опытов убедительно показал, что электричество, полученное от грозовых туч, ничем не отличается от электричества, полученного трением.
Эти эксперименты вызвали огромный интерес. Загадочная природа молнии была раскрыта. Об этом сразу же сообщили газеты и журналы многих стран мира. Повсеместное признание получила и предложенная Франклином простая конструкция громоотвода.
Конечно, эта информация привлекла и внимание Г.-В.Рихмана. Однако из скудного газетного текста, да еще с существенными неточностями при описании установки Далибара, Рихман не мог понять, как за тысячную долю секунды – время удара молнии – можно провести какие-то опыты и подтвердить тождественность электрической искры и молнии. 3 июля 1752 г. он вынес на рассмотрение академического собрания два проекта установки по изучению атмосферного электричества и получил одобрение проекта незаземленной установки («громовой машины», по М.В.Ломоносову). Рихман установил в двухэтажном каменном здании на углу 5-й линии и Большого проспекта Васильевского острова, в котором он жил, железный двухметровый тупой с обеих сторон шест. Шест одним концом проходил через крышу, а другим упирался в бутылку, установленную на кирпичах. К нижней его части прикреплялась проволока, которая выводилась без соприкосновения с другими проводниками на первый этаж и привязывалась шелковой веревкой ко вбитому в стену гвоздю. На проволоку ученый повесил вертикально железную линейку, к верхнему концу линейки привязал льняную нитку той же длины, что и линейка, а под нитью поместил электрометр (рис. 6 выполнен М.В.Ломоносовым).
Эта нехитрая конструкция представляла собой первую домашнюю стационарную лабораторию, которая позволяла получать количественную характеристику интенсивности электрических разрядов. Ясно, что намечаемые опыты были опасными для жизни. Вот как описывает сам экспериментатор день, когда извлеченная из грозовой тучи молния «пришла в гости»: «Сделав приготовления, я ежедневно наблюдал, отталкивается ли нитка от линейки и источает ли она электричество, особенно в жаркие дни, но никакого отталкивания нити не приметил. Однако 18 июля, после полудня, когда слышны были раскаты грома, я наблюдал то, что до той поры тщетно ждал, не только отталкивание нити от линейки, но и электрический огонь, с шипением вырывавшийся из конца железной линейки; из проволоки также извлекались с треском электрические искры при прикосновении к ней, где бы ее ни касались, – не иначе, как бывает это при искусственной электризации проволоки посредством электрической машины». Это был первый в нашей стране опыт по изучению атмосферного электричества, продолжавшийся более полутора часов.
Ошеломляющий успех первых экспериментов окрылил ученого. У него зародилась большая программа новых исследований, целью которой было доказательство тождественности искусственных электрических явлений и естественных, т.е. молнии. Г.-В.Рихман начал с проверки идеи о возможности изучения некоторых физических процессов, характеризующих молнию, методом моделирования. (Лишь в ХХ в. этот метод получил широкое распространение в науке и технике.) Он предположил, что достаточно сильный искровой разряд, полученный в лабораторных условиях, является аналогом молнии. Для экспериментальной проверки своей гипотезы он с помощью смеси смолы и воска укреплял небольшие бронзовые гвоздики на некотором расстоянии друг от друга по вертикали. После пропускания по цепи заряда от лейденской банки наблюдалось интереснейшее явление: светящиеся точки, змеясь, перебегали, сопровождаемые треском, от гвоздика к гвоздику! Рихман делает предположение, что молния в природе имеет зигзагообразную форму из-за того, что облака в атмосфере расположены довольно тесно, подобно гвоздикам.
В ходе размышлений Г.-В.Рихман одним из первых в науке пришел к мысли о неразрывной связи электрических и магнитных явлений. Толчком к этому послужили экспериментальные исследования его современников, П.Мушенбрука и Г.Крафта, которые первыми обратили внимание на изменение направления магнитной стрелки компаса во время молнии. Однако объяснить связь между этими явлениями они не могли. Сопоставив это наблюдение со своими опытами, Рихман пришел к твердому убеждению, что от молнии в воздухе возникает электрическое поле. В 1758 г. эта его догадка получила подтверждение в работе Ф.Эпинуса «О сходстве электрической силы с магнитною».
Много времени Г.Рихман уделял изучению и научному обоснованию наиболее безопасных методов грозозащиты: признавая заземленный громоотвод, он в 1752 г. предложил метод превентивной защиты, имеющий целью предупредить возможность образования молнии.
К 1753 г. теории атмосферного электричества еще не было. К решению самых, казалось бы, простых вопросов приходилось еще подходить буквально на ощупь. У Рихмана, в частности, возник вопрос: происходит ли электризация воздуха во время артиллерийской стрельбы? Был необходим эксперимент. Ученый решил воспользоваться тем, что 25 апреля в Петербурге в день коронации императрицы Елизаветы предполагалась пальба из пушек. Вместе с Ломоносовым во время залповой стрельбы из 50 орудий он точно установил, что нить в его электрометре совершенно не отклонялась. Попутно было доказано, что зажженный порох и возникающее от него пламя не электризуют воздух. Позже М.В.Ломоносов сделает вывод, что не гром и молния являются причиной электрического поля в атмосфере, а именно наличие этого поля, зарядов в атмосфере является причиной молнии и грома. Это утверждение устраняло из науки многочисленные домыслы относительно причин происхождения грозы.
Оценив результаты своей работы по исследованию электрических явлений за последние восемь лет, М.В.Ломоносов и Г.Рихман изъявили желание выступить с докладами, или, как их называли в XVIII в., речами, на публичном собрании академии: Ломоносов – о причинах электрических явлений и их пользе в «человеческой жизни», Рихман – о своих исследованиях по электростатике и атмосферному электричеству. Академическое собрание и президент Академии наук К.Г.Разумовский одобрили намерения ученых. Им предстояло срочно, к 6 сентября 1753 г., подготовить к печати тексты своих выступлений, обобщить большое число проведенных наблюдений, дать научно обоснованное объяснение многим электрическим явлениям. Но для этого нужно было провести ряд новых опытов.
Во второй половине мая, июне и июле ученые одновременно с написанием своих выступлений провели немало опасных для жизни экспериментов по изучению грозовых разрядов. Так, во время грозы 15 мая Рихману впервые удалось «счесть время между громом и молнией» и опытным путем доказать, что «чем меньше времени между громом и молнией было, тем больше показывалось градусов в электрическом действии». Подводя атмосферное электричество к ртути, находящейся в барометрической трубке, ученый наблюдал ее свечение (по современной терминологии, явление электролюминесценции). В конце концов Рихман отважился и на такой рискованный для жизни эксперимент, как электризация атмосферным электричеством самого себя. Дотрагиваясь во время грозы до другого металлического провода, он иногда замечал выходящие из пальца искры.
М.В.Ломоносов тоже проводил наблюдения за формой и цветом искр, извлекаемых из электрометра во время грозы: изменяя условия опыта, он получал «синеватые», «ясные синеватые», «весьма красные» и «вишневые» искры. Но т.к. его друг Г.-В.Рихман подобных явлений не наблюдал и не верил ему, приходилось не раз повторно во время грозы дотрагиваться топором до металлического стержня электрометра с целью получения россыпей искр различного цвета. В этот момент, по его словам, электрические искры обладали «великой силой» и давали «великий блеск».
Нам, живущим в XXI в., легко понять, какому риску подвергали себя эти ученые, ведь сила тока в молнии может достигать 500 кА, а минимальное напряжение 100 МВ. Тем не менее в июле 1753 г. Г.-В.Рихман закончил составление своего доклада «Речь об опытах, примененных над электрическою силою посредством машины электрической, показывающей величину сея силы, и о сходстве явлений, произведенных искусством такой силы, с явлениями натуральной силы электрической». Этот трактат по праву можно отнести к числу классических работ по электричеству. В нем был дан всесторонний обзор всех важнейших экспериментальных исследований, в том числе выполненных самим ученым в 1745–1753 гг.
Убийца – шаровая молния
Научные заседания в Академии наук проходили каждую неделю. Очередное началось в 10 часов 26 июля 1953 г. Г.Рихман и М.В.Ломоносов сидели рядом и тихонько обсуждали содержание своих предстоящих речей. Практически все вопросы были решены, оставались некоторые неясности по цвету электрических искр, истекающих из острых граней электрометра. Из окна залы хорошо была видна темная туча, появившаяся на горизонте. После полудня ученые получили разрешение покинуть заседание и направились к своим домашним установкам для проведения эксперимента. Г.Рихман даже пригласил с собой академического художника и гравера И.А.Соколова для зарисовки цвета электрических искр.
Установка Рихмана находилась на столе в сенях. «Электрический указатель» тонкой железной проволокой соединялся с молниеотводом на крыше. Дверь из сеней выходила на север, откуда надвигалась туча, сопровождаемая сильными порывами ветра. Зная, что проводимые им опыты представляют серьезную опасность для жизни, экспериментатор не разрешил художнику близко подходить к прибору. Налетел сильный порыв ветра, Рихман приблизился к электрометру и остановился от него на расстоянии 30 см. Неожиданно из толстого железного прута прямо в левую часть его лба ударил бледно-синеватый огненный шар величиной с кулак. Это была шаровая молния! Раздался оглушительный удар, «будто бы из малой пушки выпалено было», и ученый, «не издав ни малого голосу», замертво свалился на стоящий за ним сундук. Бывший вблизи Соколов был тоже повален на пол и оглушен. Сени наполнились дымом.
Услышав сильный удар, жена Рихмана выбежала из комнаты в сени. Не обнаружив у пострадавшего пульса, мужественная женщина попыталась домашними средствами привести его в чувство, но ничего не помогало. Сразу же были посланы люди за жившими неподалеку Ломоносовым и Кратценштейном, врачом по образованию. Вскоре те уже были у тела. Были приняты все необходимые меры, однако спасти Рихмана было уже нельзя. В своем рапорте, представленном в Академию наук, Кратценштейн по этому поводу писал: «Я прощупал у него тотчас пульс, но не было уже биения; после пустил я ему ланцетом из руки кровь, но вышла токмо одна капля оной. Я дул ему, как то с задохшимися обыкновенно делается, несколько раз, зажав ноздри, в рот, дабы тем кровь привести паки в движение, но все напрасно; при осмотре нашел я, что у него на лбу, на левой стороне виска, было кровавое красное пятно с рублевик величиною, башмак на левой ноге над меньшим пальцем в двух местах изодрало. Как скинули чулок, то под прошибленным местом нашли кровавое и багровое пятно, а пята была синевата, на теле, сверху у груди и под ребрами на левой стороне, видны были багровые пятна такой же величины, как на лбу».
Зафиксировав смерть, Ломоносов и Кратценштейн установили, что у двери на кухне отшибло кусок дерева 60 см длиной, который был отброшен и раздроблен в мелкую крошку. Раздроблена была сверху до низу и деревянная колода, которая находилась у дверей. Она «вместе с крючьями и с дверью» тоже была отброшена в сени.
Анализ этих загадочных обстоятельств привел Кратценштейна к мысли, что шаровая молния или, по его словам, «луч молнии», проник в помещение не по проводу, а через дверь в результате порыва северного ветра, который приоткрыл дверь. Шаровая молния попала в сени, а затем, притянувшись к проводнику, прошла по проволоке на электрометр и ударила Рихману в лоб. Эти предположения полностью подтверждают то, что видел своими глазами Соколов, а видел он не линейную, а именно шаровую молнию.
Рис. 6. Вход в дом (внизу) и «профиль оных сеней, где убит профессор Рихман» (вверху). Рисунки выполнены М.В.Ломоносовым
Весть о трагической гибели Рихмана быстро
облетела всю столицу. Такое грозное и
величественное явление природы, как молния,
всегда вызывало страх у любого. Но, оказывается, в
Петербурге жил человек, который не боялся молнии,
а пытался познать ее тайны! Это люди особого
мужества и особой отваги.
29 июля множество народа пришли проводить ученого
в последний путь как благородного рыцаря науки,
не пощадившего своей жизни во имя познания
неизведанных тайн природы.
К большому сожалению, руководство Академии наук не оценило подвига ученого. Даже вычло жалование за день его гибели. Возмущенный таким бездушным отношением, М.В.Ломоносов просил графа М.Л.Воронцова переговорить с президентом академии об оказании жене и трем оставшимся сиротам материальной помощи. Анна Рихман получила 100 рублей в возмещение расходов на похороны мужа и его годовой оклад в сумме 860 рублей. При этом в счет оклада она передала в Академию наук все неопубликованные рукописи трудов Г.-В.Рихмана. В пенсии же на воспитание детей, о чем так настойчиво хлопотал Ломоносов, вдове ученого было решительно отказано, якобы «за неимением таких примеров».
Обстоятельства смерти Г.В.Рихмана серьезно встревожили и озадачили многих ученых мира. Наблюдения и опыты с незаземленными установками почти повсеместно были прекращены. Наиболее реакционные петербургские дворянские круги и духовенство требовали «не гневить господа Бога» и вообще прекратить дерзкие опыты по изучению атмосферного электричества, а «проклятую громовую машину» уничтожить. Видимо, именно эти обстоятельства послужили причиной того, что в изданном в 1760 г. в Санкт-Петербурге учебнике физики с длинным витиеватым названием «Вольфианская теоретическая физика с немецкого подлинника на латынском языке сокращенная, переведена на российский язык Императорской академии наук переводчиком Борисом Волковым» указывается: «Что молния есть действительно огонь, оное из того явствует, что она по прикосновении своем к телам оные зажигает. А что огонь сей состоит из серных загоревшихся частиц, оное из серного запаха, который исходит от тел, молнией пораженных, ясно познается». Думается, переводчик Императорской академии наук должен был бы знать о том, что еще восемь лет тому назад была установлена электрическая природа молнии. Тем более что исследования природы молнии проводились в эти годы не только на Западе, но и в России.
Как бы то ни было, изучение атмосферного электричества продолжалось, хотя теперь внимание обращалось и на обеспечение максимальной безопасности экспериментаторов.
Таковы жизнь и творчество выдающегося российского физика XVIII в. Георга Вильгельма Рихмана. Для блага родины, во имя процветания отечественной и мировой науки он работал самозабвенно. И погиб как герой науки – во время проведения своих опытов.
Литература
Блудов М.И. Беседы по физике. Ч. I. – М.: Просвещение, 1984.
Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. – М.: Просвещение, 1986.
Елисеев А.А. Г.В.Рихман. – М.: Просвещение, 1975.
Колтун М. Мир физики. – М.: Детская литература, 1987.
Кудрявцев П.С. История физики. – М.: Учпедгиз, 1956.
Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1981.
Спасский Б.И. Физика в ее развитии. – М.: Просвещение, 1979.
Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988.
Физическая энциклопедия. Т. 1. – М.: Советская энциклопедия, 1988.
Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. – М.: Наука, 1983.
