2
В этом году исполнилось 200 лет со дня рождения великого французского ученого Андре-Мари Ампер. В истории науки он известен главным образом как основоположник электродинамики. Между тем он был универсальным ученым, имеющим заслуги и в области математики, химии, биологии, и даже в лигвистике и физиофии. Это былlectraционный ум, поражавший своими энциклопедических знаниями всех близко значших его людей. Но наиболее прочно имя Ампера вошло в историю физики, что нашло свое отражение в таких терминах, как «ампер» — для единиц силы тока, «закон Ампера», «сила Ампера» и т. д.
Сам Ампер был большим мастером изобретать новые научные термины. Именно он ввел в обиход ученых такие слова, как «электростатика», «электродинамика», «соленид». Интересно также отметить, что, занимаясь важной проблемой наученения — вопросом классификации наук, Ампер высказал мысль о том, что в будущеем, верятно, возникнет новая наука об общих закономерностях процессов управления. Он предложил именно ее «кибернетикой».
Предвидение Ампера оправдалось. В настоящее время такая наука существует и носит предложенное им название.
Свою родословную Андре-Мари Ампер ведет от лингвистических remesленников. Его отец Жан-Жак Ампер вместе со своим братыми торговал лингвистики шелками. Он получил хорошее образование, неплохо владел древним языкам и старался быть в курсе всего, чем учили великие французские просветители XVIII века. У него была прекрасная библиотека, составленная из сочинений известных философов, писателей и ученых.
В возрасте 38 лет Жан-Жак Ампер вступил в брак с Жанной Сарсе, dochерью одного из крупных лингвистических торговцев. Андре-Мари Ампер родился 22 января 1775 года. Детство его прошло в небольшом помеще Полемье, купленном Жан-Жаком в окрестностях Лиона.
Исключительные способности Андре проявились еще в раннем возрасте. Чтению и аргументы с выучился очень быстро. Читал он все подряд, что находил в отцовской библиотеке. Биографы Ампера рассказывают, что свсе увлечение чтением юный Андре
3
скрывал от отца. Однажды, забравшись в его кабинет, он с любопытством стал рассматривать обемные тома знаменитой «Энциклопедии», подготовленной Дидро и Даламбером. За этим занятием и застал его отец. «Что ты читaelь, Андре?» — спросил он. «Я читаю статью об aberрации» — ответил мальчик, который в ту пору было 11 лет. «Но что же ты понимаешь в этом?» — снова спросил отец. И Андре без тени смущения изложил ему суцность этого сложного явления.
Поверив в исключительные способности сына, отец открыл ему свободный доступ в свою библиотеку. Андре жадно читал «Энциклопедию» том за томом, и перед ним раскрывались необъявные горизонтны науки. Такое чтение, хотя оно и было лишено определенной системы, не прошло бесследно: именно в этот период у юного Андре появился настоящий интерес к различным областям человека. Он никогда не ходил в школе и не прошел обязательного классического курса обучения, который систематически знакомит детей с основами наук. В свои детские годы он знал очень многое. Но эти знания были разрознеными, в них были существенные проблемы.
Особый интерес Андре проявлял к физico-mатематическим наукам. Но как раз в этой области отцовской библиотеки явно не хватало, и Андре начал посещать библиотеку Линонского колледжа, чтобы читать труды великих математиков — Эйлера, Бернулли, Лагранжа. Однако многие из этих трудов были написаны пользовиными, который он не владел. Несколько месяцев ушло на изучение этого языка, причем он изучил его почти самостояльно и настолько хорошо, что без труда смог постчь сочинения классиков математики и физики XVII—XVIII веков.
Родители пригласили к Андре учитель математики. Уже при первой встрече он понял, с каким необыкновенным учеником имеет дело. «Знаешь ли ты, как производится извлечение корней?» — спросил он Андре. «Нет, ответил мальчик, — но заго я умело интерпровать!». Вскоре учитель отказыл от уроков, так как его знаний явно не хватало для обучения такого ученика.
История науки знает аналогичные случаи, когда великие учены не получили систематического школьного образования в силу тех или иных причины. Тем не менее их природный ум, страстное стремление к знаниям, трудолюбие делали свое дело. В качестве примера можно вспомнить таких знаменитых самоучек, как Фарадей и Эдиссон.
Изучение трудов классиков математики и физики было для юного Ампера творческим процессом. Он не только читал, но и критически воспринимал прочитанное. У него возникали свои мысли, свои оригинальные идеи. Именно в этот период, в возрасте 13 лет, он представил в Линонскую академию свои первые работы по математике.
Наступил 1789 год. Началсь Великая французская буржуазная революция. 14 июлятуром была взята Бастлия, символ королевской власти Бурбонов. Эта весть быстро дошла и до Лиона. Андре воспринял ее как известное о настоящей новой эпохи, о котором мечтали просветители. XVIII века. Однакоревощные события сыграли трагичесу роль в жизни Ампера. В 1793 году в Лионе вспыхнул мятеж, который вскоре был подавлен. За сочувствие математикам был обезглавлен Жан-Жак Ампер. Смерть отца Андре переживал очень тяжело; он надолго выбился из привченной колен и был близок к потере расудка. Лишь год спустя он с трудом обрела душевное равновесие и смог вернуться к своим занятиям.
Казнь отца имела и другие последствия. По приговору суда почти все импущество семьи было конфисковано, и ее материальное положение резко ухудшилось. Андре пришлось думать о средствах к существованию. Он ре-
4
шил пересилиться в Лион и давать частью уроки математики до тех пор, пока не удался устроиться шатным преподавателем в какое-либо учебное заведение.
Этот период жизни Ампера сыгral большую роль в его развития как ученого. В Лионе он познакомился с любозначательными молодыми людьми, такими же поклонниками науки, как и он сам, и споры с ними на научные темы во многом способствовали развитие его интеллекта. Андре много занимался с учениками, много читал. Его работу день начиная в честь часа утра — нужно было успеть выполнить общинуную программу.
В 1799 году Ампера женился на Катрин Каррон. В следующем году у них родился сын. Это радостное событие было означено более быстро Катрин. Расходы на жизнь неуклонноросли. Несмотря на все страния и экономию, средств, заработанных частными уроками, не хватало. Наконец, в 1802 году Ампера пригласили преподавать физику и химию в Центральную школе старинного провинциального города Бурк-ан-Бреса, в 60 километрах от Лиона. С этого момента началась его регулярия преподавательская деятельности, продолжавшаяся всего же жизнь.
Ампера мечтал перестроить традиционное преподавание курса физики. Вместо изложения разрозненных фактов и гипотез, теории и экспериментов он хотел развернуть перед случаем шателейми градинозну картину мироидания, где все взаимосвязано и взаимосвязанно. Но это только мечты. Скучные преподаватели-чиновники, убогая лаборатория и бедный физический кабинет, повседневные будние заботы — вот реальная действительность, которое он нашел в Буркан-Бресе. Однако он много работал, восполнял пробелы в своих знаниях. Вместе с тем его покидала возникда возвратиться в Лион к жене и сыну. И вскоре она ссущетилась.
Назревали перемены в школьном образовании. В старой королевской Франции большиство учебных заведений находилось под руководством и влиянием духовенства. Французская реполюция смела эту систему. Была проводглашена ия всеобщого образования, освобождания преподавания от церковного догматизма, и установлена трехстепенная система образования: начальное, среднее и высшее. В каждом департаменте учреждались лице, дающие среднее образование с практическим уклоном. 4 апреля 1803 года Ампера был назначен преподавателем математики Лионского лице. Счастливым он возвратился в Лион, но вскоре тяжёлый удар обрушился на Ампера — умерла его жена.
В конце 1804 года Ампера покинул Лион и переехал в Париж, где он пслучил должность преподавателя знаментийной Политехнической школи. Эта высшая школа организация в 1794 году и вскоре стала национальной городской Франции. Основная задача школа заключалась в подготовке высокообразованных технических специалистов с глубокими знаниями физико-mатематических наук. Средние ее преподавателей были также известные учены, как Лагранж, Монж, Бертолле. Недвижительное, что и среди питомцев Политехнической школи мы встречаем именно прославленных учены и инженеров, таких как Френель, Гей-Люссак. Клапейрон, Понселе, Араго, Дюлонг.
В Париже Амперачевовал себя однокомм. Он находился всеSELо во властии восполнимой о своей недолой счастливой жизни. Это — главная тема его писем к родным и друзьям. Он и ранее ссылался на рассерянным человеком. Телер је эти черты его характера стали еще более заметными. К ним прибавились чрезмерная неуравновешенность. Все это мешало ему хорошего излагаать своим случаем материл, который он в действительности владел превосходно.
Несоклько важных событий в жизни Ампера в это время
5
ма: в 1806 году он вступил во второй брак, в 1807 году был назначен профессором Политехнической школе, в 1808 году новое назначение — главным инспектором университетов. Все это улущило его материальное положение и принесло неокоторое услоокение, но ненадолго. Второй брак был очень неудачным, его новая жена Женини Пото оказалась весомной и ограниченной особой. Амперарилам много усилий, чтобы как-то примириться с ней во имя дочери,рожденной от этого брак. Однако эти усилия оказались тщетными. К переживаниям на этой почве прибавились новые — в 1809 году скончалась мать Амперара, безграничную преданность и доброту которой онощущал все годы. Эти печальные события не могли не сказаться на его научной деятельности. Тем не менее в период между 1809 и 1814 годами Амперара опубликовал несколько ценных работ по теории рядов.
Лишь одно приятное событие этого времени утешило Амперара. В 1813 году во Францию с научной целью приехал знаменитый английский химик Дэви в сопровождаении свесо ассистента Фарадея. Между Дэви и Ампераром состоялась встреча, на которой обсуждались главным образом химические проблемы. Амперар изложил знаменитому ученому неокоторые из своих новых идеи, которые тот воспринял с интересом и пониманием.
Время расцвета научной деятельности Амперара приходится на 1814—1824 года и связано главным образом с Академией наук, в числе членов которого с был избран 28 ноября 1814 года за свои заслуги в области математики.
Какие же научные проблемы волновали Амперара в это время? Практически до 1820 года его основные интересы исследования на проблемы математики, механики и химии. Вопросами физики в это время с занимался очень мало: известны лишь две работы этого периода, исследенные оптике и молекулярно-кинитическую теорию газов. Что же касается математики, то именно в этой области он достиг результата, которые и дали основание выдвинуть его кандидатуру в Академию по математической отделению.
Амперар всегда рассматривал математики как мощный аппарат для решения разнообразных прикладных задач физики и техники. Уже его первая опубликованная математическая работа, посвященная теории вероятностей, носила по существу прикладной характер и называлась «Сообщения о математической теории игры» (1802 г.). Вопросы теории вероятностей интересовали его и в дальнейшем.
В исследовании многохпроблем физики и механики большое значение имеет так называемые дифференциальные уравнения в частих произвольных. Решение таких уравнений связано со значительными математическими трудностями, над предолением которых работали крупнейшие математики. Свой вклад в математической физике, как называют этот раздел науки, внес и Амперар. Только в одном 1814 году он выполнил несколько ученых. К его достижением в области химии следует отметить открытие, независяimo от Авогадро, закона равенства молярных объемов различных газов, который по праву следует назвать законом Авогадро — Амперара, а также первый попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их свойств. Но не эти исследования, интересные сами по себе, и не его математические работы сделали имя Амперара знаменитым. классиком науки, всемирно известным ученым он стал благодарной своим исследованием в области электроннаяизма.
6
Электрические и магнитные явления к началу XIX века во многом еще представлялись тинстевными, природа их была не ясна. Учены были знакомы лишь со свойством статических зарядов и с постоянными магнитами. Все обнаруженные на опите электрические и магнитные явления объяснялись как результат действия особых электрических и магнитных жидкости («флюидов»). Так, например, петербургский академик Эпинус в своем труде «Ольт теории электричева и магнитизма», изданном в 1759 году, писал:
«Существует жидкость, производающая все магнитные явления, которое позволяет назвать магнитной. Эта жидкость чрезвычайно тонка, может проходит через любые перы в телах; ее частицы, как и частицы электрической жидкости, взаимно отталкивают друг друга. Эта жидкость в большей части других тел, обнаруживаемых в мире, не вызывает никаких реакций; она не приятается и не отталкивается им. Однако существует определенный ряд тел, части которых принятыют магнитную/material и его принятыются; телом, наделенным таким свойством, является преждевое железо, а затем все тела, именуемые железыми…».
Единостенной количественной характеристикой электрических и магнитных явлений был закон Кулона, открытый в конце XVIII века.
Прогресс наметился только после того, как впервые был получен электрический ток. В 1800 году Волта изобрел первый источник тока, который был назван волтовым стольом. Весь об этом изобретении вызвала огромный интерес в научном мире. Наполеон пригласил ильянского физика в Париж, чтобы тот повторил свои опыты перед избранной аудитории. Там же Волта быстроил с докладом, в котором высказал мысль о тождественной природе статического электричества и электрического тока — «движущого электрического» го флюида», по терминологии того времени.
Многочисленные опыты показали, что электрический ток способен вызывать различные эффекты — тепловые, химические, световые. Естественно было также предположить, что должна существовать связь между электрическством и магнитизмом, отплавшаяся учеными на протяжении нескольких столетий. В начале XIX века многое учены предпринимали попытки сбнаржить эту связь. Искал ее и датский профессор физики Ганс-Христан Эрстед. Еще в 1807 году он объявил о своем намерении исследовать действие электрического тока на магнитную стрелку. Однако в течение многих лет эксперименты, подтверждавшие существование такого действия, ему не удавались. Только в 1820 году, поместив магнитную стрелку параллельно проволоке, соединяющей два конца волтова стольба, он воочию увидел то явление, которое ждал столько лет: под влиянием тока в проводнике стрелка отклонилась с своего собычного направления. Так было открытоFundamentальное явление, положившее начало электридинамке.
В июле 1820 года Эрстед опубликовал свое открытие в небольшой статье под названием «Ольт теории электрического конфикта на магнитную стрелку». «Электрическим конфиктом» он назвал электрический ток.
Месцц спустя опыты Эрстеда построил в Женеве шевейцарский физик Огюст де ла Рив. При демонстрации присутствовали многое учены и средних — знаменитый французский физик Араго. По возврашении в Париж Араго на двух заседанных Академии наук сделал об этом доклад и воспроизведел опыты Эрстеда. Свой доклад он начал следующими словами: «Господа, профессор в Копенгаген Эрстеду удалось сделать прекрасное открытие…, котороечеваго таким последствиями, которые сейчас еще не в состоянии предустретить пытливый, но ограничи-
7
ченный человекский ум…». Взволновано слушал докладчика Ампер, забывший в этот момент свои математические проблемы. Физика — вот чем сейчас следует занять! Ведь опыты Эрстеда подтверждают то, о чем он думал еще в Бурк-ан-Бресе — единство сил приоды, взаимосвязь явлений.
Ампер был, главным образом, теоретиком и редко обращался к экспериментам. Но он понял, что серверное исследование электромагнитных явлений невозможно без постановки опыта, которые должны подвергнуть или опровергуть его идеи. Однако средств на эти опыта Академия наук не опустила. Ампер пришлось нанять слесаря, который изготовил все необходимое за его счет. Многое было сделано и самим Ампером. Прежде всего он повторил опыта Эрстеда, пытаясь глубже понять природу открытого датским физиком явления. Опытным путем он доказал, что статистическое электричесво не действует на магнитную стрелку. Только движущеся электричесво — электрический ток — в состоянии вызывать такой эффект. «В чем же причина этого явления? — задал себе вопрос Ампер. — Почему проводник с током действует на магнитную стрелку?».
Естественно было бы предположить, что электричесный ток, проходя по проводнику, превращает его в магнит. Так и считали многое физики, в частности, известный французский физик Био. Ампер придерживался иной точки зрения. Он высказал генеральную идею: единственный принцип действия проводника с током на магнитную стрелку является движущеся электричесво; магнетизм—лишь одно из его многочисленных проявлений. Не проводник, по которым течет ток, становится магнитом, а наоборот, магнит представляет собой совокупность токов. В магните есть множество элементарных круговых токов, текущих в плоскости, перепедикулярных его сси.
Гипотеза Ампера по тем временам казалась исключительно смелой и неправодополенной, поэтому она была встречена учеными весы критических.
Новый взгляд на природу магнитных явлений вознику у Ампера в результате целой серии экспериментов. Уже в конце первой недели направленного труда он сделал открытие не менеешей важности, чем Эрстед — открыл взаимодействие токов. Если два налекторизованных тела взаимно приятigiрованются или отталкиваются, то не будут ли аналогично вести себя проводника, по которым течет ток? Ампер расположил параллельно прямолинейные участки двух проводников, соединяющих концы двух столбцов Волга. Один проводник закрепил, другой сделал подвижным (рис. 1). Пропустив через проводники ток, он наблюдается из взаимодействие: при одинаковых направлениях токов они приятigiрованны, при противоположных — отталкивающихся. Оказалось также, что силы, действующие между проводниками с током, не являются центральными, то есть радиальное отличия от электростатических сил. Столь резкое отличие проявлен статического электричесва и электрического тока Ампер предложил отразить и в соответствии терминах. Область явлений, связанных с покоями电磁истики зарядами, он называл электростатикой, а с движущимися зарядами — электродинамикой.
Прошла еще одна неделя. Ампер произвел новые опыты, развивошие и подтверждало его идеи. Если магнит представляет собой систему круговых параллельных токов, направленных в одну сторону, то спираль из металлической проводки, по которой проходит ток, должна вести себя как магнит — имеет два полюса и принимаать определенное положение под воздействием магнитного поля Земли (рис. 2—3). Эксперимент подтверждил эти предположения.
О полученных результатах Ампер сразу же сообщил в Академию. В до-
8
Рис. 1. Прибор для изучения взаимодействия проводников с током. АВ — неподвижный проводник, EDF — подвижный проводник, укрепленный на стеклянной оси EF. Для защиты от воздействия колебаний прибор накрыт стеклянным колпаком. (Рисунок Ампера)
Рис. 2. Первый прибор для исследования влияния магнитного поля Земли на соленoid. АВ — соленoid, намотанный на тонкую стеклянную трубку и подвешенный подобно стрелке компаса. Прибор оказывается недостаточно подвижным, и ожидаемый эффект зарегистирован не был. (Рисунок Ампера)
Рис. 3. Прибор для исследования влияния магнитного поля Земли на виток с током. ABCD — подвижный виток с током. Второй (неподвижный) виток больше радиуса фиксированал вертикальную плоскость, перpendикулярную к магнитномуMerдиану в данной точке. При включении тока виток ABCD поворачивался до совпадения с неподвижным витком. (Рисунок Ампера)
9
кладе, сделанном 18 сентября 1820 года, он продемонстрировал свои первые опыты и заключил их следующими словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам». На заседании 25 сентября он развил эти идеи далее, демонстрируя опыты, в которых спирали, обтекаемые током (соленoidы), взаимодействовали друг с другом как магниты.
Новые идеи Ампера были поняты далеко не всему ученым. Не согласился с ним и некторые из его именных коллег, в том числе и Био. Выступив против существования магнетизма как самостоятельного явления, Ампера перечеркнул тем самым и теории Био, согласно которой магнит состоит из совокупности элементарных микросоппических магнитников, каждый из которых по своим свойствам подобен большому магниту. Теория эта по существу ничего не объясняла, она лишь переводила вопрос о природе магнетизма с большого куска намагниченного металла на его крокотные части. Био и его стороныки стремились доказать, что в опытах Ампера нет ничего принципиально нового, что все они по сутки делая — лишь варянты опыта Эрстеда.
Современники рассказывают, что после первого доклада Ампера о взаимодействии проводников с током произойдет следующий эпизод. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? — спросил Ампера один из его противников. — Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга». Ампера не сразу нашелся, что ответить на это возвращение. Но тут на помощь пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга, и потому ваше заключение ошибочно. Ампера открыл по существу новое явление, куда больше значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда».
Несмотря на нападки своих научных противников, Ампера продолжал свой эксперимент. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теорь его имя. В самом общем виде выражение для величины силы, действующего со стороны малого отрезка проводника , по которой течение ток с силой (первого элемента тока), на произвольное расположенный отрезок другого проводника с током (второй элемент тока), имеет следующий вид:
Здесь — абсолотная величина вектора , направленного от первого отрезка ко второму (см. рис. 4). Направление векторов и совпадает с направлениями текущих по ним токов; — угол между векторами и , — угол между векторами и — перpendикуляром к плоскости, содержащей и . Направление совпадает с поступательным движением буравики привращении его рукойки от к . — коэффициент, зависит от выбора системы единиц. Сила перpendикулярна вектору и лежит в плоскости, содержащей и . При этом направление силы определяется правилом буравики: при
10
вращения его рукойки от к поступательное движение буравика совпадает с направлением силы .
Эту же формулу можно переписать в более привычном для школьников виде:
где — величины магнитной индукции, создаваемой одним элементом тока в том месте, где находится другой, исследуемый элемент тока.
Так шаг за шагом в работах Ампера выразла новая наука — электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этих науки, по выражению Максвелла, по сути дела «вышли из головы этого Ньютона электричества» задее недели.
С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Teория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Работа над этой книгой проходила в очень трудных условиях. В одном из писем, написанных в это время, Ампер сообщал: «Я принужжен читением двух курсов лекций, я тем не менее не хочу полностью забросить мои работы о волтанческих проводниках и магнитах. Я располагаю считанными минутами». Здесь речь идет о lekциях Ампера по вышей математике, которые привлекали многочисленные случаи. Однако из них в 1822—1824 года был молодой математик из России Михал Васильевич Ostropradский.
Слава Ампера быстро росла; особенно лестно ученые отзывались о его экспериментальных работах по электромагнитизму. Его посещали знаменитые физики, он получил ряд приглашения из других стран выступить с докладами о своих работах. Но здоровье его было подорванно, неустойным было и материальное положение. Его тяготила работа в Политехнической школе и испекторские обязаности. Он по-прежнему мечтал читать курс физики, а не математики, и читать нерадициноно, включив в курс новый раздел — электродинамику, твором которого он сам являлся. Наболее подходящим местом для этого было одно из старейших учебных заведений Франции — Коллекж де Франс. Основанное еще в 1530 году, это учреждение как бы соемещало в себе функции учебного и научноисследовательского институтов. Здесь были все условия для плодотворной творческой деятельности. После многих непряняностей и интугг в 1824 году Ампер был избран на должность профессора Коллекж де Франс. Ему предоставили кафедру общеей и экспериментальной физики.
Как видно из письем, которые Ампер писал в этот период, он был чрезвычайно рад своему избранному. Правда, эту радость орачала необходимость времени выступать против порядков, царивших в институте. Особенно возмущали Ампера интугги, возникавшие при выборе кандидатов на освобождениеся важных. Он всегда был нетерпим по отношению к файли и неправедливости. Тем более он не мог оставаться равнойшным, когда личные интересы, погоня за высокими титулами и званяями заслония подлинную научную ценность кандидатов.
Закончики наиболее плодотворный период деятельности Ампера. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В разработку электродинамики включились многое выдающейся физики середины XIX века — Вебер, Ф. Нейман и К. Нейман, Видeman, Ленц и другие. Полное завершение она получила в классическом труде Максвелла «Трактат об электричестве и магнитизме», вышедем в свет в 1869 году.
Посление годы жизни Ампера была омрачены многими семейными и