40
И. Белкин
Спор
о лягушке
Действуошие лица в этом рассказе — итальянские учены Луиджи Гальвани и Алексаンドро Вольта. Время действия — последнее десятилетие XVIII века. Тема рассказа — одно из важнейших открытий в физике за всю историю ее развития. Оно примо привело к тому, что следующее, XIX столетие стало не только веком пара, но и веком электричества.
Началась эта история с того, что в 1791 году профессор анатомии и медицинны университета в Болонье Луиджи Гальвани (1737—1798) опубlikовал свой «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Вместе со многими другими читателями с трактатом познакомился другой профессор — профессор физики университета в Павни Алексаンドро Вольта (1745—1827). Между двумя профессорами возникный спор, который длился несколько лет, результатом которого и стало упомянутое важное открытие. Далее неодно, а по крайней мере три. Важную роль и в этом споре, и в сделанных открытиях сыграли … лягушки.
Наука об электричестве
в конце XVIII века
О природе электричества к рассматриваемому времени у исследователей были довольно туманные представления, и ни одно из них не было общеприятным и убедительно обоснованным. Более других последовательными имели воззрения американского ученого и государственного деятельности Бенджамина Франклина. Он полагал, что «электричество» — это особая жидкость (флюид), содержащаяся в каждой теле в определенном, «нормальном» для этого тела количество. Процесс электризации тел состоит
41
в том, что часть этого флюида из одного тела передается другому. То тело, который электрическая жидкость передана и у которого, таким образом, оказывается избыток этой жидкости, франклин предложил считать положительное заряженным, а другой тело, потребшее часть электрической жидкости, — отрицательно заряженным. Франклин приписывает электрическому флюиду ряд свойств, которые, по его мнению, объясняли электрическое явление. В частности, он отмечал, что отдельные части электрического флюida отталкиваются друг от друга, а в целом электрическая materia очень сильно пригивается к обычной материи.
К рассматриваемому времени были изобретены и широко использующие исследовательами устройства, позволяющие накапливать электричество, — электристатические машины и конденсаторы в виде таких называемых лейденских банок. Было установлено, что один тела совершенно не пропускают через себя электрический флюид, а другие пропускают его с разной степенью «податливости» (то есть сопротивления).
Наконец, были известны характеристики явления, сопровождающие электрический разряд, то есть переход электрической жидкости от одного тела к другому или к Земле. Это, во-первых, свечение в виде электрической искры, которое можно извлечь из заряженного тела, причем было убедительно доказано, что молния — это тоже электрическая искра градинозных размеров. Во-вторых, при прохождения разряда через тела животных или человека происходит резкое сокращение мышцы, вызывалошее ошушение удара, иногда очень сильного и опасного для жизни. Оба эти явления считались надежными признаками электрического характера процессов, при которых они наблюдаются.
Добавим, что к этому времени были изучены и описаны особенности рыб (скаты, угри, сомы), способных создавать электрические разряды, вызывалощие у жертва наадения совершенно такие же удары, как и разряды лейденских банок и электрических машин.
На сцехе появляется лягушка
В таком положении находится наука об электричестве, когда в 1791 году вышел в свет упомянутый выше трактат Луиджи Гальвани, в котором были описаны опыты, проведенные им в 1780—1790 годы.
Наблюдения, сделанные Гальвани, были необычной трудны для понимания. Первое из них заключалось в следующем.
Работая с преарированной конечностью лягушки, Гальвани и его помощники (одним из них, как утверждалот некоторых источников, была его жена, и именно она сделала решающее наблюдение) заметили, что если прикосновется скальпелем к бедренному нерву лягушки (тем самым заземлив его) в тот момент, когда из строя в комнате электристической машины извлекается искра, то мышицы лягушки начинают резко сокращаться. Явление очень страное, если учеть, что разряд проходил не через тело лягушки и что лягушка была мертвой.
Специальный опыт был поставлен Гальвани во дворе во время грозы и дал те же результаты: на каждый грозовой разряд мышицы лягушки исправно реагировали сокращениями, если нерв был заземлен.
Этому явлению Гальвани никакого обязывания не дает, да он и не мог его дать*).
*) Дело в том, что в электрической искре и в молнии происходит электрическое колбания, которые в виде радиоволн распространяются по всему направлению. Мышицы лягушки служили, по-видимому, «применимом» таких волн и реагировали на них сокращениями. Однако о существовании этих колбаний стало известно лишь через много десятилетия — в 1859 году. О том, что они распространяются в виде радиоволн, узнали почти через 30 лет после этого — в 1888 году. А еще через 7 лет А. С. Попов использовал радиоволны для целей связи. Кстати, и А. С. Попов своим применимом «ловил» радиоволны от грозовых разрядов (он даже и назывался грозотметчиком). Препарированные лягушки Гальвани, по-видимому, тоже реагировали на радиоволны от электрических искр и грозовых разрядов.
Не разве можно было договора об этом в 1791 году?
43
Александро Волта (1745—1827).
За дело берется Алексаンドро Волта. Спор о лягушке
Трактат Гальвани вызвал большой интерес. Привлек он внимание и профессора физики университета в Павин Алексаンドро Волта, уже известного своим работами по исследованию электрических явлений и свойства электричества. Узнав об опытах Гальвани и нисколько не веря в существование животного электричества, Волта тем не менее повторил эти опыты. Физик-экспериментатор, он сумел не хуже анатома Гальвани препараровать лягушек, повторить опыты и попытить те же результаты, заставивше его сначала даже поверить в животное электричество.
В lekции, прочитанной 5 мая 1792 года, он всячеки превозносит Гальвани, восхваляет сделанное им открытие, говорит о его необычной важности и т. д. Однако чут позже, 14 мая, в другой lekции Волта уже спорит с Гальвани, доказывая, что обнаруженное Гальвани является чисто физическое, а не физиологическое, что животного электричества не существует и что дело совсем не в лягушке, а именно в двух разнородных металлах, соррикающийся с ней и замыкающийся цепь. В доказательство Волта описывает свой знаментийный опыт, состояние вследующем. Два конца двух разных металлических пластин он прикладывал к собственному языку, и когда другие концы пластин соединялись, тоощущался кисловать вкус, причем, действие было не мгновенное, а длительное. (Этим способом и теперь пользовются для проверки годности сухих батареек.) Язык с успехом заменил лягушку!
С этого и началсяdlительный спор между Гальвани и Волта о роли лягушки в сделанных им обомин наблюдании. Волта старался доказать, что лягушка, так же как и язык экспериментатора, — это только своевременный индикатор течение электричества, а главную роль играет пара разнородных металлов. С этой целью он старался исключить из «Гальванических» опытов лягушек и вообще любимой биологический объект, включая и собственный язык. Гальвани же, пытаясь доказать, что в основе явления лежит животное электричество, а металлы лишь наиболее эффективно проводят его, стремился устранить металлы из своих опытов и получить прежние результаты с помощью одних только биологических средств. Коротко говоря, Волта хотел получить электрический ток без лягушек, а Гальвани хотел добиться сокращения мыщез без металлов.
Как это ни странно, успехом увеличилось числа обихих участников спор. В 1894 году Гальвани описал опыт, состоящий в том, что нерв и мышца лягушки соединялись не металлом, а лягушечей же мышцей. Каждый раз замыкание такой цепи вызывал вздрагивание лягушки. Гальвани счел свою задачу выполнен и исследований не продолжал. Вскоре Северная Италия была завоевана Наполеоном Бонапартом. Гальвани выступил противником французского владического на его родине, лишился в 1797 году должности профессора, а в 1798 году скончался.
Вольта еще ранее с помощью изобретного им электритора (усовершенствованного электрического) показал, что два различных металла
44
Рис. 1.
при контакте электrizуются. (Телерь это явление называют контактной разностью потенциальов.) Но если такую пару соррикающийся металлов замкнут, то течение электричеста в цепи не будет, так как токи через спан имеют противоположные направления (рисунок 1). В «гальванических» железх электричеста течет по замкнутой цепи. И Волта решил, что причина этого в том, что и в опытах Гальвани, и в его собственных фигурировал третий проводник — жидкий (жидкость в мышах лягушки или жидкость на языке). Он заменяет «влажные» участки «гальванической» цепи просто смоченным картоном и показывает, что такая система образует источник непрекрашающего движения электричеста. Об этих опытах Волта сообщил в 1796 году. Тем самым, как казалось Волта, было покончено с животным электричеством Гальвани. Но Волта по-прежнему говорит о «гальванизме», воздействая должное тому, кто дал толчок его собственным исследованием. И до сих пор явления, связанные с прохождение постоянного электрического тока, называют гальваническими.
Так появился на свет «гальванический» элемент, изобретенный Волта. После 1796 года автор этого изобретения молчал должны четрегогда. Все эти годы он искал способ получения более мощных источников, чем его первый элемент, состоящий из пары разородных металлических электродов (так мы их теперь называем), соррикающийся с жидким проводником. В конце концов Волта нашел такой способ. Он расположил друг за другом ряд своих элементов в виде чаш сжидкостью, в котором погружены середры и цикковые электроды: середро — жидкость — цикк—средро — жидкость—цикк и т. д. (рисунок 2). Соединив попарно цикковые и середры электроды из соседних чаш, он получил источник, напряжение (как мы теперь говорим) на концах которой пропорционально числу элементов (у
Рис. 2.
Вольта их было до 60). В 1800 году Волта сообщил о еще более простом и компактном устройстве, которое он сам называла «искусственный электрическим органом» (он вызвал удар, напоминающий удар от электрического органа рыб), а затем «электродвижущим аппаратом». Устройство этого состояния из поставленных друг на друга пар цикковых и медных кружков, разделенных смоченными в расторе серной кислоты картоными кружками (рисунок 3). Сов-
Рис. 3.
ременики назвали это устройство «вольтовым столбом». Ввиду простоты их изготовления волтовы стольвыскоре появились во всех физических laboratorиях, и им们 пользовались вплоть до начала XX века.
Значение этого открытия было очень велико. Можно сказать, что с изобретением Волта источника постоянного тока началась новая эра в исследовании электричеста. Многочисленные опыты, целый которых
45
было изучение «взамодействия» электрического тока с веществом, для науке много важных открытий. В 1800 году с помощью волтова столба было открыто разложение воды электрическим током. Испследования химического действия электрического тока, самыми результативными и важными из которых 6 и работы англійского ученого Дэви, привели к появлению новой ветви науки — электросимии. В первом десятилетии XIX века академик Петров в России и Дэви в Англійском электрическуюдугу (есть справедливость в том, что ее часто называют дугой!). Еще через десятилетие было открыто магнитное действие электрического тока, и это открытие привело в конце века к технической революции, связанной с появлением электротехники.
Вот к чему приведолдгий спор о лягушке!
Во всех этих исследований, имеющих столбь важное значение для физики и техники, сам Волта никакого участия не принимал. Как и Гальвани, Волта, добавшись успеха, практические прекратил научную деятельности. Его открытие получило всеобщие признание и произвело огромное впечатление. Дважды, в 1800 и в 1801 годах, он докладывал о своем открытии в Парижской Академии наук. На последнем докладе присутствовал Наполеон Бонапарт, вполне оценивший важность открытия Волта. Волта был осыпан наградами. Он получил медаль Академии, большую денежную нагруду, титул графа и звание сенатора, высшие французские ордена. Но в науке его роль была закончена. В 1819 году он покинул профессорскую кафедру, а в 1827 году скончался.
Итоги спора о лягушке
Спор между Гальвани и Волта приведел не только к появлению первого в истории источника постоянного электрического тока. Это не спор, закончившийся победой одного из его участников и порожением другого. История не обидела и Гальвани. И дело не только в том, что его имя присвоено источнику тока, который он не открыл, хотя и мог открыть (вдь в опьте с двумя металлими и мышцей лягушки Гальвани имел дело именно с галваничским элементом). Но в своем значении опьте, в котором мышца лягушки вздрагивала, замкнутая мышцей же, он в самом деле открыл «животное электричество». Много позже (в 1837 гсду) это было доказано и талянским физиком Маттеччи и (в 1848 гсду) немецким физиком Дюбуа-Рейномом. Правда, теперь это называется не животным электрическим, а биологическим потенциальами или биотоками.
Открытие Волта имело не только важное практическое значение. Она также поставило перед учеными задачу обяснить такие явления, открытие Волта, как контактная разность потенциальов и галваничский ток.
Сам Волта полагал, что в основе действия галваничского элемента лежит именно контактная разность потенциальов. Однако, он считал, что для возникновения постоянного электрического тока просто требуется не два контакта на концах двух различных металлов, а три, как это показано на рисунке 4: два контакта двух металлов с проводящей жидкостью.
Рис. 4.
костью в точках a и b и контакт двух металлов в точке c. Это объяснение ошибочное. Но только через много десятилетий было показано, что приношной возникновения электродвижущей силы в химическом элементе является химическое взаимодействие металлов с электролитом (так теперь называют проводящую жидкость в элементе). И лишь в 1888 году Нернстом была дана полная теория галваничских элементов.