Итак, значит, двадцать пять миллионных долей секунды – вот сколько времени бежал зайчик по пластинке, и столько же времени жила электрическая искра.
Часы Феддерсена с честью выполнили возложенное на них дело. Продолжительность искры была измерена. Задача, которую поставил себе Феддерсен, была решена.
Но, вглядевшись в свой снимок повнимательнее, Феддерсен убедился, что часы его совершили еще одно открытие. Они не только измерили длину жизни искры, но еще и узнали, чем наполнена эта короткая жизнь, составили подробную биографию искры.
След, вычерченный зайчиком на снимке, оказался не сплошным, а прерывистым. Он состоял из нескольких светлых пятен, отделенных друг от друга темными промежутками.
Значит, электрическая искра, проскочившая между шариками разрядника, вовсе не горела равномерным отблеском. В течение всей своей жизни, продолжавшейся всего только двадцать пять миллионных долей секунды, она вспыхивала и угасала несколько раз. Короткие вспышки шли одна за другой так быстро, что человеческий глаз не мог уследить за ними – несколько вспышек казались глазу одной. И только чудесные часы Феддерсена сумели расчленить мгновение, разложить искру на несколько отдельных вспышек.
Прерывистый след искры
Феддерсен сосчитал число вспышек на своем снимке. Их оказалось восемь, и каждая последующая была чуть-чуть слабее предыдущей. Восемь вспышек за двадцать пять миллионных долей секунды! Значит, искра состояла из отдельных искр, загоравшихся и угасавших через каждые три миллионные доли секунды!
Так по записи, сделанной зайчиком, Феддерсен прочитал историю электрической искры – историю, которая от начала до конца продолжалась всего только одно мгновение.
Опыты продолжаются
Не один раз повторил Феддерсен свой опыт. Он брал то одну лейденскую банку, то целую батарею из десяти, пятнадцати и даже двадцати лейденских банок. То сдвигал шарики почти вплотную, то раздвигал их на целый сантиметр или на полтора. Менял он и самые шарики – брал то железные, то медные, то свинцовые, то золотые. В одних опытах оба шарика были из одного и того же металла, в других – из разных. Провода, которые шли от лейденских банок к шарикам разрядника, Феддерсен брал то короткие и толстые, то длинные и тонкие. И каждый раз он фотографировал отблеск искры во вращающемся зеркальце.
По фотографическим снимкам он измерял, сколько времени длится искра, узнавал, как она вспыхивает, горит и гаснет.
Искры получились разной яркости, разной длины, разной продолжительности, но каждая состояла не из одной только вспышки, а из многих. Вспышки следовали одна за другой через несколько миллионных долей секунды и становились все слабее и слабее, пока искра не угасала.
Почему же электрический заряд прокладывает себе путь между шариками разрядника не одним скачком, а несколькими судорожными скачками?
Размышляя об этом, Феддерсен вспомнил одну статью о разряде лейденской банки, которую он когда-то читал. Статья эта была написана в 1853 году английским ученым Уильямом Томсоном[38]. Томсон не делал никаких опытов с лейденской банкой, да он и вообще не занимался опытами. Зато он был очень искусным математиком. Он знал физические законы, которые управляют электрическим током, и умел выводить математические следствия из этих законов. И вот Томсон попробовал с помощью вычислений установить – что же, собственно, происходит с электрическим зарядом, когда разряжают лейденскую банку.
Вычисления Томсона показали: электрический заряд, добежав по проводам от стаканчика лейденской банки до разрядника, совершает прыжок с шарика на шарик и устремляется по проводу снова в банку, но уже в другой стаканчик. Таким образом оба заряда, положительный и отрицательный, меняются местами[39].
Отрицательный заряд, который был сперва, скажем, во внутреннем стаканчике банки, с разбега перелетит в наружный, а положительный – из наружного во внутренний. Таким образом, банка не разрядится, а только зарядится по-новому, и электрический ток снова помчится к разряднику, но уже в обратном направлении. То взад, то вперед станет бегать электрический заряд, перескакивая с одного шарика на другой – снова со второго на первый и снова с первого на второй.
«Так вот оно в чем дело!» – подумал Феддерсен. Вот почему прибор отметил на снимке не одну искру, а целых восемь. Значит, восемь раз проскакивал электрический ток с шарика на шарик то в одну сторону, то в другую. И каждый раз в разряднике появлялась блестящая вспышка. Кончилась вспышка, и сейчас же появилась другая – это снова прорвался электрический ток, но уже в обратном направлении. Вспышка за вспышкой сверкала в узком пространстве между шариками, пока продолжалась жизнь искры, и с каждой вспышкой менялось направление тока. Пробежал ток в одну сторону – вспышка, пробежал назад – новая вспышка.
Вращающееся зеркало Феддерсена подтвердило догадку Томсона: электрическая искра – это маленький отрезок переменного электрического тока. Через ничтожные промежутки времени, через каждые несколько миллионных долей секунды ток изменяет свое направление.
Так вращающееся зеркало помогло Феддерсену изучить природу электрической искры.
Что происходит в пространстве
Когда в 1862 году немецкий физический журнал Annalen der Physik напечатал описание опытов Феддерсена, многие ученые заинтересовались этими опытами. По приложенным к статье чертежам они построили точно такие же приборы, какими пользовался Феддерсен, повторили и проверили его работу. Физики всего мира с восхищением отзывались о необыкновенной удаче ученого, которому посчастливилось сфотографировать мгновение.
Но, восхищаясь изобретательностью Феддерсена, его современники проглядели самое главное. Никто не понял, какие необыкновенные возможности таятся в его открытии, никто не предвидел, к каким новым открытиям может оно повести.
Ученые, которые повторяли и проверяли опыты Феддерсена, были так поглощены изучением электрической искры, что больше ни о чем не думали. Все их внимание было приковано к тому месту, где загорается и гаснет электрическая искра, – к нескольким миллиметрам пространства, отделяющим один шарик разрядника от другого.
Им и в голову не приходило, что еще более замечательные явления совершаются в тот же самый момент поблизости – не там, где с треском и блеском проскакивает яркая искра, а в пространстве, окружающем искру, где ничего не трещит, ничего не сверкает и как будто не происходит ничего.
Искру изучали, с искрой делали опыты, искру измеряли, искру фотографировали. А о том, что делается вокруг, по соседству с искрой, не задумывался никто.
И только через четверть века после опытов Феддерсена, в 1886 году, немецкий ученый Генрих Герц, читая описание этих опытов, сообразил, что пространство, окружающее искру, – вовсе не простое, обыкновенное пространство: оно, так заключил Генрих Герц, отличается особенными, необычными свойствами.
Каким же образом пришел Герц к этому выводу? Как он об этом догадался?
Генрих Герц
Всякий электрический ток создает в пространстве вокруг себя магнитное поле. Это было известно физикам и до Герца. Возьмите провод, по которому идет ток, поместите его под колокол хорошего воздушного насоса. Затем начните откачивать насосом воздух. Воздух будет уходить из-под колокола, и постепенно вокруг провода образуется пустота. Пустота? Действительно ли под колоколом пусто? На этот вопрос вам ответит магнитная стрелка. Поместите ее под колокол. Чуть только побежит по проводу электрический ток, магнитная стрелка задвигается, повернется и станет к току под прямым углом. Значит, вовсе не пусто вокруг электрического тока, даже если и выкачан из-под колокола воздух: воздух ушел, но что-то осталось. Осталась какая-то таинственная сила, поворачивающая магнитную стрелку. Все пространство вокруг электрического тока наполнено невидимыми магнитными силами.
Эти-то магнитные силы физики и называют магнитным полем.
Вокруг электрической искры тоже должно существовать магнитное поле. Ведь электрическая искра – это отрезок электрического тока, это быстрое движение электрического заряда, перепрыгивающего с одного металлического шарика на другой. Но ток этот не постоянного направления, а переменного: направление тока изменяется с каждой новой вспышкой. Значит, заключил Генрих Герц, магнитное поле вокруг искры должно оказаться не таким, как вокруг обыкновенного тока. Магнитные силы вокруг искры должны колебаться, должны менять свое направление с каждой вспышкой, через каждые две-три миллионные доли секунды.
Прибор Феддерсена показал в свое время, что происходит с электрической искрой. Нельзя ли построить и такой прибор, который дал бы возможность узнать, что происходит в пространстве вокруг искры, помог бы обнаружить и изучить магнитное поле, которое дрожит и колеблется в этом пространстве?
Обычно направление магнитных сил отмечает магнитная стрелка. Но для магнитных сил, окружающих искру, она не подходит: слишком уж быстро меняется направление этих сил, а стрелка неповоротлива и неуклюжа. Не угнаться ей за колебанием магнитного поля, не поспеть ей в течение миллионной доли секунды повернуться и в одну сторону, и в другую.
Генрих Герц принялся сооружать прибор для изучения колеблющегося магнитного поля.
От стола до табуретки
Прежде всего Герц задумался над вопросом: нельзя ли добывать электрическую искру каким-нибудь новым способом?
Феддерсен добывал искру, разряжая заряженную лейденскую банку. Но у этого способа есть большой недостаток. Слишком уж недолго живет искра, производимая лейденской банкой. Вспыхнет она на мгновение и снова погаснет – и вот уже разрядилась лейденская банка, и нельзя больше получить от нее ни одной даже самой маленькой искорки, пока не зарядят ее снова. Как же успеть за тот короткий промежуток, когда живет еще электрическая искра, обнаружить вокруг нее колебания магнитного поля?