ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?
[Впервые опубликовано в The Reader 19 ноября 1864 года.]
Вероятно, немногие, если вообще кто-либо, компетентные физики в последние годы использовали термин «электрическая жидкость» в каком-либо ином, кроме условного, смысле. Различая электричество на два вида, «положительное» и «отрицательное» или «стеклянное» и «смоляное», они использовали идеи, подсказанные этими названиями, лишь как удобные символы, а не как представители различных сущностей. И теперь, когда доказано, что тепло и свет являются видами движения, стало очевидным, что все родственные проявления силы должны быть видами движения.
Что является тем конкретным видом движения, который составляет электричество, таким образом становится вопросом. То, что это какой-то вид молекулярной вибрации, отличный от молекулярных вибраций, которые испускают светящиеся тела, я полагаю, принимается как должное всеми, кто привносит в рассмотрение этого вопроса знание недавних открытий. Помимо тех простых колебаний молекул, из которых возникают свет и тепло, не можем ли мы подозревать, что в некоторых случаях возникнут сложные колебания? Давайте рассмотрим, не являются ли условия, при которых возникает электричество, такими, чтобы генерировать сложные колебания; и не являются ли явления электричества такими, которые должны возникать из сложных колебаний.
Универсальным предшественником производства электричества является непосредственный или опосредованный контакт гетерогенных веществ — веществ, которые являются гетерогенными либо по своему молекулярному строению, либо по своим молекулярным состояниям. Если, следовательно, электричество — это какой-то вид молекулярного движения, и если всякий раз, когда оно производится, контакт веществ, имеющих непохожие молекулы или молекулы в непохожих состояниях, является предшественником, то кажется, что нам навязывается вывод, что электричество возникает из некоторого взаимного действия молекул, чьи движения непохожи.
Каким должно быть то взаимное действие молекул, имеющих непохожие движения, которое, как мы видим, является универсальным предшественником электрического возмущения? Ответ на этот вопрос не кажется трудным, если мы возьмем самый простой случай — случай контактного электричества. Когда два куска металла одного и того же вида и при одной и той же температуре прикладываются друг к другу, электрического возбуждения нет; но если металлы, прикладываемые друг к другу, разных видов, происходит генезис электричества. Это, что рассматривалось как аномальный факт — факт настолько аномальный, что он был предметом многих споров, потому что, по-видимому, противоречил каждой гипотезе, — является фактом, интерпретация которого сразу же предоставляется гипотезой, что электричество возникает из взаимных возмущений непохожих молекулярных движений. Ибо если, с одной стороны, у нас есть гомогенные металлы в контакте, их соответствующие молекулы, колеблющиеся синхронно, будут отдавать и принимать любые силы, которые они воздействуют друг на друга, не производя колебаний новых порядков. Но если, с другой стороны, молекулы одной массы имеют периоды колебаний, отличные от периодов другой массы, их взаимные удары не будут совпадать с периодом колебания ни одной из них, но будут генерировать новый ритм, отличающийся от ритма каждой из них и гораздо более медленный. Производство того, что в акустике называют «биениями», лучше всего проиллюстрирует это. Известный факт, что две струны, вибрирующие с разной скоростью, время от времени совпадают в испускании воздушных волн в одном и том же направлении в один и тот же момент: что затем, когда их вибрации все больше и больше выходят из соответствия, они испускают свои воздушные волны в одном и том же направлении в точно промежуточные моменты; и вскоре, снова приходя в соответствие, они снова генерируют совпадающие волны. Так что когда их периоды вибрации различаются лишь незначительно, и когда, следовательно, требуется заметное время для завершения их чередований согласия и несогласия, возникает слышимое чередование звука — последовательность импульсов более громкого и более слабого звука. Другими словами, помимо первичной, простой и быстрой серии волн, составляющих сами два звука, существует серия медленных сложных волн, возникающих из их повторяющихся конфликтов и совпадений. Теперь, если бы вместо того, чтобы две струны передавали свои вибрации воздуху, каждая передавала свои вибрации другой, мы имели бы точно такое же чередование совпадающих и конфликтующих импульсов. И если бы каждая из двух струн была объединена с совокупностью других, подобных ей, таким образом, что она передавала своим соседям как свои нормальные, так и свои аномальные вибрации, ясно, что через каждую совокупность струн распространялась бы одна из этих сложных волн колебания, в дополнение к их простым быстрым колебаниям. Эта иллюстрация, я думаю, сделает очевидным, что когда масса молекул, имеющая определенный период вибрации, приводится в контакт с массой молекул, имеющей другой период вибрации, должно возникнуть чередование совпадений и антагонизмов в молекулярных движениях, такое, которое заставит молекулы попеременно увеличивать и уменьшать движения друг друга. Будут моменты, когда они движутся в одном направлении, и промежуточные моменты, когда они движутся в противоположных направлениях; откуда возникнут периоды наибольших и наименьших отклонений от их обычных движений. И эти наибольшие и наименьшие отклонения, будучи переданы соседним молекулам и переданы ими дальше к следующим, приведут к волнам возмущения, распространяющимся по всей каждой массе.
Давайте теперь спросим, каковы будут взаимные отношения этих волн. Поскольку действие и противодействие равны и противоположны, должно случиться так, что любой эффект, который молекула массы А производит на соседнюю молекулу массы В, должен сопровождаться эквивалентным обратным эффектом на нее саму. Если молекула массы А в любой момент движется таким образом, чтобы придать молекуле массы В дополнительный импульс в любом заданном направлении, то импульс молекулы А в этом направлении будет уменьшен на равную величину. То есть, к любой волне увеличенного движения, распространяющейся через молекулы В, должна быть реактивная волна уменьшенного движения, распространяющаяся в противоположном направлении через молекулы А. Смотрите, тогда, два значимых факта. Любое добавление движения, которое в один из этих чередующихся периодов дается молекулами А молекулам В, должно распространяться через молекулы В в направлении от А; и одновременно должно быть вычитание из движения молекул А, которое будет распространяться через них в направлении от В. Каждой волне избытка, посылаемой через одну массу, будет соответствовать волна дефекта, посылаемая через другую; и эти положительные и отрицательные волны будут точно совпадать по времени и точно равны по своим величинам. Откуда следует, что если эти волны, исходящие от поверхности контакта через две массы в противоположных направлениях, будут приведены в отношение, они нейтрализуют друг друга. Поскольку действие и противодействие равны и противоположны, эти плюс и минус молекулярные движения аннулируются, если они сложены вместе; и произойдет восстановление равновесия.
Эти положительные и отрицательные волны возмущения будут перемещаться через две массы молекул с большой легкостью. Теперь установленная истина заключается в том, что молекулы поглощают, в увеличении своих собственных вибраций, те ритмические импульсы или волны, которые имеют периодические времена, такие же, как их собственные; но что они не могут таким образом поглощать последовательные импульсы, которые имеют периодические времена, отличные от их собственных. Следовательно, эти дифференциальные волны, будучи очень длинными волнами по сравнению с волнами самих молекул, будут легко проходить через массы молекул или проводиться ими. Далее заметьте, что если две массы молекул остаются соединенными, эти положительные и отрицательные дифференциальные волны, перемещающиеся от поверхности контакта в противоположных направлениях и по отдельности прибывающие к внешним поверхностям двух масс, будут отражены от них; и, перемещаясь обратно к поверхности контакта, там встретятся и нейтрализуют друг друга. Следовательно, никакой ток не будет произведен вдоль провода, соединяющего внешние поверхности масс; поскольку нейтрализация будет более легко осуществлена этим возвращением волн через сами массы. Но, хотя внешний ток не возникает, массы будут продолжать находиться в том, что мы называем противоположными электрическими состояниями; как показывает деликатный электрометр, что они и делают. И далее, если они разделены, положительные и отрицательные волны, которые за мгновение до этого распространялись через них соответственно, оставаясь не нейтрализованными, массы будут отображать свои противоположные электрические состояния более заметным образом. Остаточные положительные и отрицательные волны тогда нейтрализуют друг друга вдоль любого проводника, который помещен между ними, видя, что плюс волны, переданные от одной массы к проводнику, встречаясь с минус волнами, переданными от другой, и будучи взаимно аннулированными, когда они встречаются, проводник станет линией наименьшего сопротивления для волн каждой массы.
Давайте перейдем теперь к родственным явлениям термоэлектричества. Предположим, что эти две массы металла нагреты на своих поверхностях контакта: формы масс таковы, что их поверхности контакта могут быть значительно нагреты без того, чтобы их более удаленные части были сильно нагреты. Что произойдет? Проф. Тиндаль показал, в случаях различных газов и жидкостей, что, при прочих равных условиях, когда молекулам дается больше того нечувствительного движения, которое мы называем теплом, нет изменения в их периодах колебания, но есть увеличение амплитуд их колебаний: молекулы совершают более широкие экскурсии в те же времена. Предполагая, что то же самое в твердых телах, будет следовать, что, когда два металла нагреты на своих поверхностях контакта, результат будет таким же, как и раньше в отношении природы и интервалов дифференциальных волн. Будет изменение, однако, в силе этих волн. Ибо, если двум порядкам молекул по отдельности даны увеличенные количества движения, возмущения, которые они воздействуют друг на друга, также будут увеличены. Эти более сильные положительные и отрицательные волны дифференциального движения будут, как и раньше, перемещаться через каждую массу от поверхностей контакта — то есть к холодным конечностям масс. От этих холодных конечностей они будут, как и раньше, отскакивать к поверхностям контакта; и, как и раньше, будут стремиться таким образом уравновесить друг друга. Но они встретят сопротивление при таком перемещении обратно. Хорошо установленный факт, что повышение температуры металлов уменьшает их проводящие способности. Следовательно, если два холодных конца масс соединены какой-то другой массой, чьи молекулы могут легко принять эти дифференциальные волны — то есть, если два конца соединены проводником, положительные и отрицательные волны встретятся и нейтрализуют друг друга вдоль этого проводника, вместо того чтобы быть отраженными обратно к поверхностям контакта. Другими словами, будет установлен ток вдоль провода, соединяющего два холодных конца металлических масс.
Доведенное на шаг дальше, это рассуждение дает нам объяснение термоэлектрического столба. Если ряд этих стержней из разных металлов, таких как сурьма и висмут, спаяны вместе, конец к концу, в чередующемся порядке, AB, AB, AB и т. д., то, пока они остаются холодными, нет проявления электрического тока; или, если все соединения одинаково нагреты, нет проявления электрического тока, кроме того, который возник бы из-за любой относительной прохлады двух концов составного стержня. Но если чередующиеся соединения нагреты, электрический ток производится в проводе, соединяющем два конца составного стержня, — ток, который интенсивен пропорционально количеству пар. Какова причина этого? Ясно, что пока все соединения имеют одну и ту же температуру, дифференциальные волны, распространяющиеся от каждого соединения к двум соседним соединениям, будут равны и противоположны тем, что от соседних соединений, и никакого возмущения не будет показано. Но если чередующиеся соединения нагреты, положительные и отрицательные дифференциальные волны, распространяющиеся от них, будут сильнее, чем те, что распространяются от других соединений. Следовательно, если соединение стержня А со стержнем В нагрето, другой конец стержня В, который соединен с А2, не будучи нагретым, получит более сильную дифференциальную волну, чем он посылает обратно. В дополнение к волне, которую его молекулы иначе индуцировали бы в молекулах А2, есть эффект, который он проводит от А1; и этот дополнительный импульс, распространяющийся к другому концу В2, добавляется к импульсу, который его нагретые молекулы иначе дали бы молекулам А3; и так далее по всей серии. Волны, складываясь вместе, становятся более бурными, а ток через провод, соединяющий конечности серии, — более интенсивным.
Эта интерпретация фактов термоэлектричества, вероятно, будет встречена возражением, что существуют, в некоторых случаях, термоэлектрические токи, развивающиеся между массами металла одного и того же вида, и даже между разными частями одной и той же массы. Можно настаивать, что если непохожесть между скоростями вибрации молекул в контакте является причиной этих электрических возмущений, то тепло не должно производить никаких электрических возмущений, когда молекулы одного и того же вида; поскольку тепло не меняет периодические времена молекулярных вибраций. Это возражение, которое кажется на первый взгляд серьезным, вводит нас в подтверждение. Ибо там, где массы молекул гомогенны во всех других отношениях, разница температур не генерирует никакого термоэлектрического тока. Соединение горячей с холодной ртутью не вызывает никакого электрического возбуждения. Во всех случаях, где термоэлектричество генерируется между металлами одного и того же вида, есть доказательство гетерогенности в их молекулярных структурах — либо один был кован, а другой нет, либо один отожжен, а другой не отожжен. И где ток между разными частями одной и той же массы, есть различия в кристаллических состояниях частей или различия между способами, которыми части остыли после литья. То есть, есть доказательство, что молекулы в двух массах или в разных частях одной и той же массы находятся в непохожих отношениях к своим соседям — находятся в непохожих состояниях напряжения. Теперь, как бы верно ни было то, что молекулы одного и того же вида вибрируют с одной и той же скоростью, какова бы ни была их температура, это очевидно верно только до тех пор, пока их движения не модифицированы сдерживающими силами. Если молекулы одного и того же вида в одной массе организованы в то состояние, которое составляет кристаллизацию, в то время как в другой массе они не связаны таким образом; или если в одной их молекулярные отношения были модифицированы ковкой, а в другой нет; различия в ограничениях, под которыми они соответственно вибрируют, повлияют на их скорости вибрации. И если их скорости вибрации сделаны неравными, то предполагаемая причина электрического возмущения приходит в существование.
Подводя итог, можно ли не сказать, что только таким действием могут быть объяснены явления электричества; и что такое действие неизбежно должно возникнуть при данных условиях? С одной стороны, электричество, будучи видом движения, подразумевает трансформацию некоторого предсуществующего движения — подразумевает также трансформацию такую, что генерируются два новых вида движения одновременно, равные и противоположные в своих направлениях — подразумевает далее, что они различаются тем, что они плюс и минус, и поэтому способны нейтрализовать друг друга. С другой стороны, в вышеуказанных случаях молекулярное движение является единственным источником движения, который может быть назначен; и это молекулярное движение кажется рассчитанным, при данных обстоятельствах, производить эффекты, подобные тем, что наблюдаются. Молекулы, вибрирующие с разными скоростями, не могут быть приведены в сопоставление, не влияя на движения друг друга. Они должны влиять на движения друг друга, периодически добавляя к или вычитая из движений друг друга; и любой избыток движения, который получают молекулы одного порядка, должен сопровождаться эквивалентным дефектом движения у молекул другого порядка. Когда такие молекулы являются единицами совокупностей, помещенных в контакт, они должны передавать эти возмущения своим соседям. И так, от поверхности контакта должны быть волны избыточного и дефектного молекулярного движения, равные по своим величинам и противоположные по своим направлениям — волны, которые должны точно компенсировать друг друга, когда приведены в отношение.
Я здесь имел дело только с электрическими явлениями самого простого вида. В дальнейшем я, возможно, попытаюсь показать, как эта гипотеза предоставляет интерпретации других форм электричества.
ПОСТСКРИПТУМ (1873). —During the nine years which have elapsed since the foregoing essay was published, I have found myself no nearer to such allied interpretations of other forms of Electricity. Though, from time to time, I have recurred to the subject, in the hope of fulfilling the {177} expectation raised by the closing sentence, yet no clue has encouraged me to pursue the speculation. Only now, when republication of the essay in a permanent form once more brings the question before me, does there occur a thought which appears worth setting down.
Соединение двух разных идей, ранее не поставленных рядом, породило эту мысль. В первом номере «Основ биологии», выпущенном в январе 1863 года и имеющем дело, среди прочих «Данных биологии», с органической материей и эффектами сил на нее, я рискнул поспекулировать о молекулярных действиях, связанных с органическими изменениями, и, среди прочих, тех, посредством которых свет позволяет растениям брать углерод из угольной кислоты (§ 13). Указывая на то, что способность тепла разлагать сложные молекулы обычно пропорциональна разнице между атомными весами их компонентов, и предполагая, что компоненты, имеющие широко непохожие атомные веса, имеют широко непохожие движения и поэтому подвержены влиянию широко непохожих волн; вывод, сделанный был, что в той пропорции, в которой ритмы его компонентов различаются, сложная молекула будет нестабильной в присутствии сильных эфирных волн, действующих на один компонент больше, чем на другой или другие: их движения таким образом становятся настолько несоответствующими, что они больше не могут держаться вместе. Было аргументировано далее, что довольно стабильная сложная молекула может, если подвергнута сильным эфирным волнам, особенно возмущающим один из ее компонентов, быть разложена, когда в присутствии некоторой непохожей молекулы, имеющей компоненты, чьи времена колебания различаются меньше от времен этого возмущенного компонента. И параллель была проведена между дезоксидацией металлов углеродом, когда подвергнуты более длинным волнам в печи, и декарбонизацией угольной кислоты водородом и т. д., когда подвергнуты более коротким волнам в листьях растения. Эти идеи я вспоминаю главным образом с целью ясного представления концепции сложной молекулы как содержащей разнообразно движущиеся компоненты — компоненты, имеющие независимые и непохожие колебания, в дополнение к колебанию всей молекулы, сформированной ими. Легитимность этой концепции может, я полагаю, быть принята. Прекрасные эксперименты, которыми проф. Тиндаль доказал, что свет разлагает пары некоторых соединений, иллюстрирует эту способность, которую элементы сложной молекулы имеют, по отдельности принимать эфирные волны, соответствующие их собственным; и таким образом иметь свои индивидуальные движения настолько увеличенными, чтобы вызвать разрушение сложной молекулы. Это, по крайней мере, интерпретация, которую проф. Тиндаль накладывает на факты; и я полагаю, что он накладывает родственную интерпретацию на факты, которые он раскрыл относительно чудесной силы, которой обладают пары со сложными молекулами поглощать тепло, — интерпретацию, а именно, что тепловые волны в таких парах принимаются в увеличении движений внутри каждой молекулы, а не в увеличении движений молекул как целых.