В 1743 году в Петербурге наблюдали особенно большое и яркое полярное сияние, и тогда М. В. Ломоносов написал торжественное стихотворение:
Но где ж, натура, твой закон?
С полночных стран встает заря!
Не солнце ль ставит там свой трон?
Не льдисты ль мечут огнь моря?
Что зыблет ясный ночью луч?
Что тонкий пламень в твердь разит?
Как молния без грозных туч
Стремится от земли в зенит?
В этом стихотворении Ломоносов впервые выразил мысль, что полярные сияния — сродни молнии. Они, следовательно, электрические явления, — в электрической природе молнии Ломоносов нисколько не сомневался.
На мысли об электрической сущности полярных сияний Ломоносова наводил общеизвестный в те времена опыт «с трясением барометра».
Ртутные барометры делали тогда из стеклянных трубок, запаянных с одного конца. Такую трубку наполняли ртутью и затем переворачивали открытым концом в чашку с ртутью. Часть ртути выливалась в чашку, а часть, удерживаемая атмосферным давлением, оставалась в трубке. При этом в верхнем запаянном конце трубки над ртутью создавалась полость, содержащая сильно разреженный воздух и пары ртути.
Когда такой барометр сильно встряхивали, то в полости над ртутью возникало зеленоватое свечение. Некоторые ученые думали, что свечение барометра родственно свечению фосфора, но опыты не подтвердили этого предположения.
У Ломоносова имелась электрическая машина наподобие той, что была у Герике, но только вместо серного шара в ней вращался пустотелый стеклянный шар, из которого был выкачан воздух.
Когда шар вращали, одновременно натирая его ладонями, то внутри шара появлялось довольно яркое свечение, которое «в темноте изрядную палату освещать могло». Это свечение несомненно вызывалось электризацией шара. Когда на поверхности шара накапливались и искрили электрические заряды, — внутри его струился зеленоватый свет, такой же, как и в ртутном барометре.
И Ломоносов пришел к гениальному выводу: «Свет в трубках без воздуха электрический!».
Свечение разреженного воздуха в приборах было чрезвычайно похоже на игру полярных сияний, возникающих в самых верхних, разреженных слоях земной атмосферы. Высоту полярных сияний Ломоносов определил почти безошибочно — в 400 километров, а на такой высоте воздух действительно сильно разрежен. Поэтому причину полярных сияний Ломоносов видел в электрических разрядах, образующихся вследствие трения водяных паров и частичек воздуха в восходящих потоках атмосферы.
Ломоносов был прав, считая, что природа полярных сияний электрическая. Однако причина свечения — другая. Теперь известно, что Солнце выбрасывает в пространство потоки заряженных частиц. Они-то и вызывают свечение газов в верхних слоях атмосферы.
Героическая смерть Рихмана
Об электрической природе молнии некоторые ученые догадывались еще до Ломоносова. В 1698 году некто Уолл, раздобыв большой кусок янтаря, стал натирать его и получил искру в дюйм длиной.
При этом «раздался такой звук, точно в печке лопнул кусок угля».
То было подобие молнии и грома, воспроизведенных в маленьком, комнатном масштабе. Сходство имелось несомненное, но сходство — не доказательство. Чтобы убедиться в действительном родстве между электрической искрой и молнией надлежало «поймать» настоящую молнию и установить ее электрическую природу.
Это осуществили летом 1752 года М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман.
Рихман взял железный прут длиной в 180 сантиметров, продел его сквозь бутылку с отверстием в донышке и укрепил на крыше своего дома. Ученый привязал к пруту железную проволоку и, тщательно изолировав ее от стен дома, провел в комнату. С конца проволоки свешивалась линейка с льняной или шелковой нитью, служившей для измерения величины электрических зарядов. Когда в проволоке появлялись электрические заряды, нить отходила от линейки и «гонялась за пальцем».
Свой прибор ученые назвали «громовой машиной». Она служила для многочисленных наблюдений силы и характера электрических разрядов в атмосфере. Такую же «громовую машину» установили и в доме Ломоносова (рис. 17).
Рис. 17. Электрическая стрела Ломоносова.
Оба ученых самоотверженно работали, не считаясь с опасностью для жизни.
26 июля 1753 года, во время заседания в Академии наук, Рихман заметил, что приближается гроза, и поспешил домой. Он хотел в этот день показать гравировальному мастеру Соколову электрические явления и действие «громовой машины», чтобы Соколов смог выгравировать рисунки для печати.
Рихман и Соколов прошли в комнату, где находился прибор. Рихман поглядел в окно и сказал, что гроза еще далеко и опасности нет никакой. Он стоял возле самого прибора и смотрел на электрометр.
В этот миг Соколов увидел, что от «громовой машины» отделился бледно-синеватый огненный клубок, величиною с кулак, и коснулся лба Рихмана. Академик, не издав ни единого звука, упал навзничь. «В самый тот момент последовал такой удар, будто бы из малой пушки выпалено было», — рассказывал потом Соколов. Сам он отделался лишь испугом, легкими ушибами да изорванным кафтаном.
Слуга Рихмана тотчас побежал к Ломоносову сообщить, что «господина профессора громом зашибло». Ломоносов поспешил на квартиру Рихмана, но вернуть жизнь другу не удалось…
Ломоносов писал о происшедшем: «Мы старались движение крови в нем возобновить, за тем, что он был еще тепл; однако голова его повреждена и больше нет надежды. И так он плачевным опытом уверил, что електрическую громовую силу отвратить можно, однако на шест с железом, который должен стоять на пустом месте, в которое бы гром бил сколько хочешь. Между тем, умер господин Рихман прекрасной смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет».
Движение мельчайших частичек
Трагическая гибель друга не остановила М. В. Ломоносова. Он продолжал опыты.
Ломоносов не был путником, блуждающим в лесу фактов, он не искал ощупью тропинку к научной истине, а шел напрямик к ней, как бы прорубая широкую просеку. Он всегда шел к цели своим путем, не преклоняясь перед иностранными авторитетами.
В апреле 1756 года Ломоносов начал писать большую работу: «Теория електричества, разработанная математическим способом», но успел закончить только две первые главы.
Ломоносов неопровержимо установил электрическую природу молнии, а также доказал, что в атмосфере, независимо от наличия грозовых туч, всегда имеются электрические заряды. Ломоносову принадлежит открытие электрической сущности полярных сияний.
Ломоносов высказал смелое предположение, что обычный свет костра, свечи или солнца — также электрического происхождения. Эта гениальная догадка М. В. Ломоносова подтвердилась только много лет спустя.
Прекрасно понимая, что одному человеку не под силу разрешить задачу о природе электрических явлений, Ломоносов стремился привлечь к ее решению ученых всего мира. По его настоянию Петербургская Академия наук объявила конкурс на лучшую научную работу о сущности электричества. В 1753 году было объявлено:
«Санкт-Петербургская Академия наук всем натуры испытателям при обещании обыкновенного награждения ста червонных на 1755 год к первому числу июня месяца для решения предлагает, чтобы сыскать подлинную електрической силы причину и составить точную ее теорию».
Задача, которую Ломоносов намеревался разрешить в два года, потребовала почти полутораста лет и труда нескольких сот ученых. Среди них первое, почетное место бесспорно принадлежало самому Ломоносову. Он наметил правильный путь решения задачи, он первый указал на родство тепловых и электрических явлений. В основе тех и других лежит общая причина — движение мельчайших частичек, из которых состоят все вещества. «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит, — писал Ломоносов, — кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев в лесу при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек движущегося вещества, движение скрывается от взора».
