Франклин-ученый
Спустя двенадцать-четырнадцать лет после того, как Франклин открыл типографию, он преуспел настолько, что мог устраниться от дел с ежегодным доходом в тысячу фунтов стерлингов. Ему исполнилось в то время сорок лет. Доход его был равен жалованью королевского губернатора — самой высокопоставленной персоны провинции Пенсильвания — что-то около 30 тысяч долларов в год по сегодняшним масштабам. Для человека с франклинским неутомимым нравом отставка означала лишь переход от одного рода всепоглощающей деятельности к другому. Наука — или, как принято было говорить, натурфилософия — манила Франклина на протяжении многих лет.
Большинство людей ошибочно полагает, что научная известность Франклина связана только с его опытами с воздушным змеем. На самом деле опыты со змеем уступают по значительности другим научным достижениям Франклина и приходятся на время, когда слава Франклина-ученого прочно утвердилась во всем мире. Великие научные достижения Франклина обусловлены тем, что эксперименты, которые он ставил или предлагал, были совершенно оригинальными и имели решающее значение. Он никогда не довольствовался разработкой того, что было сделано его предшественниками. В 1747 году, когда Франклин приступил к исследованиям, сведения об электричестве представляли собой массу несвязных наблюдений и запутанных теорий, облеченных в туманные термины. Франклин систематизировал то, что уже было известно, и на основе новых данных создал теорию электричества, которая выдержала испытание временем.
Известный старинный рисунок, изображающий знаменитый опыт Франклина с воздушным змеем, полон неточностей. Франклин не носил меховую шапку до глубокой старости. В возрасте 46 лет он был строен и мускулист. Его сыну к этому времени было уже двадцать лет. Лейденская банка должна быть в левой руке.Величайшим научным вкладом Франклина был его экспериментальный подход. Его методология аналитична и объективна. Он двинул далеко вперед экспериментальную науку. Кроме того, его теоретические исследования носили характер, который Эйнштейн называет «операционным». Те из современников Франклина, которые имели достаточно ума, чтобы распознать коренное отличие его подхода, считали Франклина замечательным ученым. Даже современная терминология электричества восходит к Франклину. Он ввел общепринятые сейчас термины: батарея, конденсатор, проводник, заряд, разряд, обмотка и другие, а также обозначения противоположных электрических состояний знаками плюс и минус.
Электрические опыты XVIII века.В Европе Франклин добился признания не как преуспевающий делец или остроумный писатель, а как ученый. Многие годы спустя, когда Франклин приехал в Европу с дипломатической миссией, его принимали с большим почтением только потому, что ученые-современники называли его Ньютоном электричества. Его имя окружал таинственный ореол чародея. Именно поэтому на него пал выбор для посылки в Европу. В 1777 году Горэс Уолпол[1] писал: «Натурфилософы верят, что доктор Франклин изобрел машину размером с футляр для зубочистки и вещества, способные превратить собор святого Павла в горстку пепла».
Человек, пользовавшийся такой славой, был не унылым длинноволосым старцем, изображенным на литографии Кариера и Ивса чуть ли не столетие спустя, а энергичным, подвижным, цветущим сорокалетним мужчиной.
Электричество до Франклина
Когда в 1740-х годах внимание Франклина впервые привлекло электричество, сведения о нем были чрезвычайно скудны. Было известно, что при натирании некоторых предметов, например стеклянных, эти предметы приобретают таинственное свойство притягивать легкие тела: перья или клочки бумаги. Перо, притянутое неведомой силой к поверхности стекла, почти касалось его, затем происходила совсем удивительная вещь: перо с силой отскакивало от стекла, словно подхваченное неожиданно налетевшим порывом ветра. Было также замечено, что при приближении пальца к натертому стеклу возникала искра. В зависимости от величины искры экспериментатор чувствовал покалывание или же довольно сильный удар. Искра сопровождалась треском.
Вот, собственно, и все. Существовало множество способов вызывать искры, но это разнообразие еще более усложняло разгадку. Был известен целый ряд веществ помимо стекла, например сера, которые вели себя подобным же образом. Итак, множество деталей — и никакого порядка. Ясно было лишь одно: замеченное явление нельзя было объяснить ни магнетизмом, ни тем более земным тяготением. Это была какая-то совершенно новая сила.
Впервые эти явления наблюдал греческий философ Фалес, который описал способность натертого янтаря притягивать предметы. Лишь двадцать веков спустя ученые вернулись к этому вопросу. Уильям Гилберт, придворный врач королевы Елизаветы, показал, что многие другие вещества обладают тем же свойством. Он первый употребил слово «электрика» (от греческого слова «электрон», что означает — янтарь.)
Вслед за Гилбертом важное место в истории науки об электричестве принадлежит немецкому бургомистру Герике, весившему триста фунтов. Он изобрел электрическую машину: круг из серы, вращающийся на оси. Экспериментатор подносил руку к вращающемуся кругу, и таким образом машина получала электрический заряд. Позже, через несколько лет после рождения Франклина, Хоксби заменил серный круг стеклянным. В машине Хоксби железная цепь, подвешенная к вращающемуся шару, передавала заряд ружейному стволу. Другая цепь, спускавшаяся с противоположного конца ствола, передавала заряд экспериментатору.
Эксперименты Франклина с лейденской банкой
Известие об изобретении лейденской банки было настолько ошеломляющим, что оно в мгновение ока облетело Европу, и опыт повторялся повсюду. Для просвещения французского короля опыт был произведен на цепи из ста восьмидесяти взявшихся за руки гвардейцев. При электрическом разряде все 180 человек высоко подпрыгнули, словно собираясь маршировать в воздухе. В парижском монастыре семьсот монахов, взявшись за руки, повторили тот же эксперимент. Подобно вороху желтых листьев, подхваченных ветром, все семьсот монахов разом подскочили. Устраивались общественные демонстрации, и смельчаки из публики рвались на себе испытать действие электрического разряда. Электричество стало самым модным зрелищем сезона. Франклин присутствовал на одной из таких публичных демонстраций в Бостоне. Она пробудила в нем интерес к электричеству.
Электростатическая машина, изображенная на рисунке слева, описана в книге Джозефа Пристли об электричестве. Пристли написал эту книгу по совету Франклина. Машиной, изображенной справа, Франклин пользовался в своих опытах.Осенью 1746 года Франклин выписал из Англии необходимое оборудование и следующей весной приступил к опытам. Он начал работать, имея в своем распоряжении лишь ту скудную информацию, какая изложена выше.
Лейденская банка, которую применял Франклин в опытах, представляла собой обыкновенную закупоренную бутылку с водой. Металлический стержень, пропущенный через пробку, был погружен в жидкость. Некоторые экспериментаторы завертывали бутылку в металлическую фольгу.
Франклин поставил перед собой задачу, решением которой никто до него не занимался: выяснить, какая часть этого с виду простого аппарата из стекла, металла и воды служит резервуаром для электрической энергии. Металлический стержень, вода или бутылка? Или их сочетание? В то время даже если бы кто-нибудь задался таким вопросом, то наверняка не знал бы, как приступить к его решению. Впрочем, и спустя двести лет после Франклина многих подобный вопрос поставил бы в тупик. Последовательный подход Франклина к его решению был гениально простым: «Чтобы узнать, где именно аккумулируется энергия, мы поместили наэлектризованную бутылку на стекло, вынули пробку со стержнем. Затем взяли бутылку в одну руку и поднесли палец другой руки к отверстию в горлышке. Из воды выскочила сильная искра… Это доказывает, что энергия собирается не в стержне».
Таким образом, один возможный ответ отброшен.
«Затем, чтобы проверить, не собирается ли энергия в воде… как нам казалось раньше, мы снова наэлектризовали бутыль». На этот раз Франклин и его помощник вновь вынули пробку со стержнем и перелили воду из наэлектризованного сосуда в другой сосуд, не подвергавшийся электризации. Если бы заряд находился в воде, второй сосуд испускал бы искры. Этого не произошло.
«…Тогда мы рассудили, что электрический заряд либо исчезает при переливании воды, либо остается в первой бутыли. Второе оказалось верным, так как при прикосновении к бутыли вылетали искры, хотя наполнена она была обычной ненаэлектризованной водой из чайника».
