Дискуссия Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта

В. М. Пестриков, д. т. н., проф. СПбГАСЭ

Электромагнитные волны в природе были, вероятно, всегда, возможно еще до Великого взрыва. Однако об их реальном существовании нынешней цивилизации, стало известно только после экспериментов немецкого физика Генриха Герца ( 1888 г .). Ему удалось создать детектор электромагнитных волн, который позволял судить об их присутствии в окружающем пространстве. Однако первая конструкция детектора такого рода была не искусственная, а природная – биологическая, появилась она гораздо раньше, в самом конце XVIII века, и принадлежала итальянскому профессору медицины, специалисту в области гинекологии и акушерства Луиджи Гальвани (Luigi Aiosio Galvani).

Эксперименты Луиджи Гальвани

Об использовании биологического детектора для обнаружения электромагнитных волн Гальвани и не помышлял. Ведь в те времена об их существовании ничего не знали. Однако проведенные ученым опыты стали классическими, а их описание вошло во многие учебники физики и монографии по истории науки и техники. С позиций сегодняшнего дня результаты этих опытов видятся как ценнейшие зерна познания, которые дали богатые всходы, приведшие к возникновению радиотехники и созданию новых технологий.

Почему Гальвани занялся именно этой научной проблемой, доподлинно не известно. На сей счет сохранилось только его витиеватое высказывание: «Я сделаю нечто ценное, находясь уже в самом зените славы, если предельно кратко предам гласности историю моих открытий в таком порядке и расположении, в каком мне их доставили отчасти случай и счастливая судьба, отчасти трудолюбие и прилежание. Я сделаю это только для того, чтобы мне не приписывалось больше, чем счастливому случаю, и счастливому случаю больше, чем мне».

В молодости Луиджи занимался изучением богословия, позже его заинтересовали естественные науки и медицина, в особенности разделы, связанные с физиологией и анатомией. Диссертацию, посвященную природе и процессам формирования костей человека, он защитил в 25 лет – возраст, который и сегодня считается прекрасным для диссертанта. Молодого ученого принимают на должность преподавателя кафедры практической анатомии в Болонском университете, которую возглавлял его тесть, профессор Галеацци. После смерти профессора этот пост достается Гальвани.

По отзывам современников, он прекрасно читал лекции, пользовавшиеся неизменным успехом у студентов. А к тому времени, когда Луиджи занялся своими знаменитыми экспериментами, он уже был известен и как практикующий врач в области хирургии и акушерства.

Исследования, принесшие ему славу, итальянский ученый начал 6 ноября 1780 года, в возрасте 43 лет, а закончил, когда ему исполнилось 54 года. Результаты почти одиннадцатилетних кропотливых поисков привели его к открытию в тканях препарированной лягушки кратковременных импульсов электрического тока, способствовавших резкому сокращению ее мышц. Гальвани установил, что подергивания мышцы возникали в трех случаях. Первый: если при заземленном бедренном нерве лягушки вблизи случалась молния или к нему прикасались скальпелем и одновременно извлекали искру из электростатической машины. В другом случае сокращения становились более сильными и продолжительными, если нерва касались проводником, состоящим из двух разнородных металлов, например из меди и цинка. В третьем лапка лягушки, подвешенная с помощью медного крючка на железном заборе, сокращалась даже в ясную погоду.

Следует заметить, что Гальвани не первый, кто обратил внимание на подергивание мышцы препарированной лягушки. Как сказал в свое время создатель классической физики Исаак Ньютон, каждый ученый стоит на плечах своих научных предшественников и в его трудах незримо присутствуют следы их творчества.

Еще за сто лет до экспериментов итальянского врача другой врач, только голландский, Ян Сваммердам, также наблюдал подергивание лапок лягушек в различных

ситуациях, в частности во время вырезания ножом мышцы лягушки вместе с нервом. Аналогичный эффект наблюдался и при пропускании через лапки лягушки электрического разряда от электростатической машины. Эти факты голландский врач привел в своей книге «Библия природы», но никак не объяснил их. После прочтения «Библии природы» швейцарский естествоиспытатель Альбрехт Галлер высказал мысль, что подергивание мышцы лягушки связано с особым свойством раздражительности живых существ. Кстати, подобными опытами на лягушках занимались и другие ученые. В 1752 году, за двадцать восемь лет до начала исследований Гальвани, в Берлине вышла книга И. Зульцера под названием «Теория приятных и неприятных ощущений», где описывались эффекты, подобные тем, что наблюдали до и после него ученые из разных стран. А спустя три года аналогичные результаты были опубликованы в работе итальянского ученого М. Кальдони.

В противоположность названным ученым Гальвани не ограничился констатацией увиденного, а всесторонне изучил явление и создал теорию для его объяснения, что в целом обогатило науку, – именно в этом, пожалуй, основная заслуга Гальвани. Результаты исследований он изложил в своей книге «Трактат о силах электричества при мышечном движении» («De Viribus Electricitatis In Motu Musculari Commentarius»), изданной в 1791 году в Италии [1]. К этому времени был уже известен конденсатор (лейденская банка, 1746 г .) и Бенджамин Франклин доказал электрическую природу молнии ( 1747 г .). Гальвани сопоставил свои результаты с предыдущими исследованиями и сделал вывод о существовании «животного» электричества. В предложенной им теории для описания поведения мышцы использовалась модель электрического конденсатора. Предполагалось, что внешняя поверхность и внутренняя часть лягушечьей мышцы представляют собой обкладки конденсатора. Зарядка такого конденсатора происходит за счет возбуждения спинного мозга, которое передается через нерв. В момент замыкания обкладок «живого» конденсатора металлическим крючком происходит разряд, и в цепи начинает протекать электрический ток, в результате чего и происходят подергивания мышцы. При этом разряд не зависит от того, замыкают цепь проводником из однородного металла или из двух различных металлов. Позже Гальвани отметил особенность замыкания цепи разнородными металлами. По его предположению, «животное» электричество, в отличие от обычного, «более эффективно действует через разнородные проводники». Нужно отметить, что ученый проводил свои эксперименты не только на лягушках, но и на других холоднокровных животных, а также на четвероногих и птицах. И в этих случаях он наблюдал те же явления, что в экспериментах с мышцами лягушек.

Теория Гальвани была благосклонно встречена многими учеными того времени. Однако его соотечественник, 36-летний профессор из Павийского университета Алессандро Вольта (Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta), тщательно повторив все опыты, приведенные в «Трактате», не согласился с выводами автора. Вольта утверждал, что явление, открытое Гальвани, чисто физическое, а не физиологическое, и животного электричества не существует. Причина сокращения лягушечьей лапки, по мнению Вольты, лежит

в природе разнородных металлов, замыкающих цепь. Это послужило началом длительного и плодотворного научного спора, разгоревшегося между двумя исследователями. (На стороне Л. Гальвани были известные ученые того времени, в частности немецкий естествоиспытатель Александр Гумбольт.) Результатом этой дискуссии явилось изобретение профессором из Павийского университета источника постоянного тока (вольтов столб).

Следует отметить, что в прямом понимании спора, как такового, не было. Да и точных сведений о том, что Гальвани и Вольта были лично знакомы и между ними происходила переписка, не имеется. Дискуссия протекала на страницах периодических изданий и в письмах, адресованных коллегам. Подобная форма дебатов – обычное явление в научных кругах, особенно перед началом бурного развития какого-нибудь нового научного направления. Поэтому изображение дискуссии между Гальвани и Вольта как своеобразного поединка, в котором есть побежденный и победитель, лишено всякого основания и не отвечает духу самой науки. О взаимном уважении обоих ученых (хотя их спор и продолжался на протяжении всей жизни Гальвани) свидетельствует, например, такой факт. В своем трактате болонский врач называет профессора из Павии не иначе как «знаменитейший Вольта» и подчеркивает, что в своих экспериментах пользовался электрометром его конструкции.

Гальвани вплоть до своей кончины твердо придерживался мнения, что в основе открытого им явления лежит «животное» электричество. В 1794 году он проводит опыт (соединяет нерв и мышцу лягушки без применения металлов), как бы ставя последнюю точку в серии своих экспериментов. При каждом замыкании цепи происходило вздрагивание лягушки. Ученый счел свои научные воззрения доказанными и в дальнейшем не экспериментировал. Однако научный спор с Алессандро Вольта на этом не закончился и продолжался на протяжении всей дальнейшей жизни Гальвани.

Последние годы жизни Луиджи Гальвани были очень тяжелыми. Умерла его жена Лючия, которая принимала активное участие в экспериментах . Рассказывают, что она первая обратила внимание на сокращение лягушечьей лапки в момент появления искр из электрической машины. В посвященном ученому сонете даже есть такие строки: «Не тебе, а ей в препарированной лягушке удалось открыть новый жар жизни».

На жизнь Гальвани оказала влияние и обострившаяся политическая обстановка внутри государства. Это было связано прежде всего с вступлением в Северную Италию французской армии и вытеснением австрийских воинских частей. При поддержке Наполеона в стране начали образовываться разные республики, в том числе Цизальпинская (в 1797 г .). В ее состав вошла и Болонья, до того принадлежавшая к владениям Ватикана. Из-за отказа присягнуть на верность новой власти Луиджи Гальвани был отстранен от работы в университете и лишен звания профессора. Спустя некоторое время правительство Цизальпинской республики восстановило его в должности и без присяги, но было уже поздно, ученый находился в глубокой депрессии. Нужда, одиночество и смерть близких – жены, брата и двух молодых племянников – лишили его жизненных сил, и он не смог вернуться в университет. Биограф Гальвани, Вентуроли, писал: «Он терпеливо ждал смерти, стараясь найти утешение в философии и религии». На следующий год после выхода приказа о восстановлении его в должности профессора, 4 декабря 1798 года выдающийся ученый XVIII века умер. Луиджи Гальвани скончался в Болонье в возрасте 61 года, спустя семь лет после опубликования своего знаменитого трактата. Материального воплощения результатов научной дискуссии с Алессандро Вольта он не увидел – до изобретения источника постоянного тока оставалось еще два года.

Слава к ученому пришла, к сожалению, после его смерти. В его честь в 1804 году были выбиты серебряная и медная медали, а 1814-м в Болонском университете поставлен памятник с надписью: «Аполозию Гальвани, врачу-хирургу, доктору анатомии и акушерства, обогатившему физику названным его именем знаменитым открытием, с необычайным усердием создавшему замечательное учение, товарищи и друзья всесветно славного мужа».

Только в XIX столетии результаты, полученные Гальвани, были осмыслены. В 1837 году его соотечественник физик Маттеуччи, а в 1848 году немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон на основе биоэлектрических потенциалов, или биотоков, объяснили открытое им явление.

Исследования, отраженные в книге Луиджи Гальвани, предопределили важнейшие изобретения в радиотехнике и сыграли в ее развитии заметную роль. Среди результатов отметим два, которые в значительной степени способствовали зарождению радиотехники: биологический детектор, позволяющий фиксировать наличие электромагнитных волн в пространстве, и источник постоянного тока, или вольтов столб.

Биологический детектор Гальвани оказался очень чувствительным устройством. Он позволял фиксировать электромагнитные волны, образующиеся от него, как на расстоянии нескольких метров (разряд лейденской банки), так и нескольких километров (разряд молнии). Антенной в этом своеобразном детекторном приемнике являлся человек, препарирующий лягушку на мраморном столе, или провод длиной около 100 м , подвешенный на изоляторах. Для того чтобы наведенный ток протекал через тело лягушки, к ее лапкам прикрепляли длинный провод, который располагали на полу или опускали на дно колодца. Этот провод, прикрепленный к лапке, по современным понятиям не что иное, как заземление. Сокращения мышцы тем сильнее, отмечал Гальвани, чем длиннее антенный провод или больше искра, получаемая от лейденской банки. Однако биологический детектор имел небольшой срок службы, так как мышца со временем высыхала, происходил процесс старения, это постепенно приводило к уменьшению, а затем и полному прекращению ее сокращений под влиянием электромагнитных волн.

Результат дискуссии

В момент вступления в спор о природе явления, открытого Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта был уже достаточно известным физиком не только в Италии, но и в Европе. Его знали как автора нескольких изобретений, в частности водородной лампы, эвдиометра (прибора для газового анализа), электроскопа с конденсатором и электрометра (модифицированного электроскопа). Вольта родился в состоятельной семье. Он рано лишился отца, а в 12 лет был отдан в иезуитский колледж для подготовки к карьере священника. В юности он зачитывался 35-томной энциклопедией философа и писателя Дени Дидро. Большое влияние на него оказал дядя Александр, обративший внимание на склонность юноши к физике. Дядя воспротивился карьере священника и в дальнейшем способствовал получению племянником всестороннего образования. В возрасте 18 лет Алессандро Вольта вел научную переписку с известным аббатом Нолле, а в 24 года написал диссертацию «De vi attractiva ignis electrici ас phaenomenis inde pendentibus» ( 1769 г .), предметом которой стали его опыты, проведенные с лейденской банкой.

Ко времени выхода трактата Гальвани, Вольта успел поработать ректором университета в Павии (в период 1785/1786 учебного года) и стать членом Лондонского Королевского общества. Еще раньше, в 1782 году, он прошел стажировку в Парижской академии наук и через некоторое время был избран ее членом.

Вольта, в противоположность Гальвани, был по натуре дипломатом. Благодаря этим качествам ему удавалось быть в почете как при австрийцах, так и при французах и извлекать для себя определенную выгоду. Так, он лояльно относился к войскам Наполеона, оккупировавшим Северную Италию, в частности Павию, расположенную недалеко от Милана. Провозглашая братство свободолюбивых франков и латинян, французы шли в Италию как освободители. Они вытеснили австрийцев и сами, в конце концов отбросив освободительные лозунги, создали на захваченных территориях свой оккупационный режим. При французах Вольта, как знатока французского языка, ввели в состав муниципалитета Милана и назначили персональным асессором для службы на стыке французских и итальянских интересов. Это позволило ему сохранить научные должности и продолжать дискуссию с Гальвани, подкрепляя свою правоту исследованиями, которые впоследствии принесли ему славу.

Постепенно в споре с болонским профессором Вольта перешел от биологических аспектов проблемы к чисто физическим. С помощью электрометра собственной конструкции он показал, что два различных металла при контакте электризуются, то есть наблюдается явление контактной разности потенциалов. При замыкании концов такой пары течения тока в цепи не происходит, поскольку токи в спаях имеют противоположные направления. Вольта решил, что отсутствие тока связано с тем, что в экспериментах с разнородными металлами не было жидкого проводника, роль которого в исследованиях Гальвани выполняла мышца лягушки. Положив между концами двух разнородных металлов жидкий проводник – смоченный специальной жидкостью кусочек сукна, – он смог получить источник непрерывного движения электричества, хотя и очень маломощный.

О проведенных опытах Вольта сообщил 1 августа 1796 года в письме к своему знакомому. Затем он занялся поиском способа, который бы позволил построить более мощный источник постоянного тока. Решение заключалось в последовательном соединении нескольких простых пар разнородных металлов, соприкасающихся с жидкостью. В результате получалась электрическая батарея. Опыт происходил так: ученый поставил в ряд 60 чаш с жидкостью и в каждую погрузил цинковую и серебряную пластинки, соединенные определенным образом. В первой чаше, оставив свободной цинковую пластину (минус батареи), соединил серебряную пластину с цинковой пластиной второй чаши, а серебряную пластину второй чаши с цинковой пластиной третьей чаши – и так далее. Оставшаяся свободной серебряная пластина последней чаши представляла собой плюс батареи. Напряжение полученной электрической батареи оказалось пропорциональным числу соединенных элементов, что и подтвердило правильность выбранного способа увеличения мощности простых элементов постоянного тока. Вольта понимал, что полученная электрическая батарея пригодна только для лабораторных целей, но никак не для технических.

Поиски более компактной конструкции электрической батареи закончились успешно. Полученное устройство состояло из чередующихся цинковых и медных кружков, положенных друг на друга и разделенных картонными прокладками, смоченными в серной кислоте. В результате была создана конструкция, напоминающая по форме вертикальный цилиндр или столб, что и нашло отражение в названии прибора

Интересно, что вначале ученый дал название своему устройству – «искусственный электрический орган», так как при прикосновении к его полюсам человек получал удар, подобный удару от электрического органа электрического угря, который, к слову, дает разряд до 650 В. Несколько позже Вольта, извещая о своем изобретении президента Лондонского Королевского общества Джозефа Бэнкса, в письме от 20 марта 1800 года называет свое устройство «электродвижущий аппарат». Письмо с описанием вольтова столба в том же году было опубликовано в журнале «Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol. 90» под названием «On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds» («Электричество, получаемое в результате простого контакта разных веществ»).

Информация о вольтовом столбе становится достоянием широкой общественности и вызывает восхищение. Известный французский физик Доминик Араго так отозвался об «электродвижущем аппарате»: «Это самый замечательный прибор, когда-либо изобретенный людьми, не исключая телескопа и паровой машины». Французы назвали прибор «гальванический столб», или «вольтов столб». Заметим, что, хотя Гальвани и не удалось изобрести источник постоянного тока, он установил два важных факта, благодаря которым появилась возможность создать такую конструкцию: комбинация из двух металлов и лягушечьего препарата дает электрическое действие, а его сила зависит от рода взятых металлов. По существу, это и позволило Алессандро Вольта в дальнейшем изобрести прибор, названный «гальваническая батарея». Данное понятие, кстати, существует в физике и по сей день. На радиоэлектронных схемах общепринято буквенное обозначение гальванического элемента – G, а гальванической батареи – GB.

В Парижской академии наук Алессандро Вольта дважды делал доклад о своем изобретении – в 1800 и 1801 году. На лекции, прочитанной в ноябре 1801 года, присутствовал Наполеон Бонапарт, высоко оценивший изобретение. Вскоре на Вольта буквально посыпались награды. По предложению Наполеона его награждают Золотой медалью Национального института Франции и присуждают премию первого консула. Нужно заметить, что Наполеон благоволил ученому, считая его своим талисманом. Тогда же была учреждена премия в 60 тыс. франков за открытия в области электричества и магнетизма, сравнимые по важности с тем, что сделали в данной области Франклин и Вольта.

В научно-популярной литературе существует мнение, будто с 1802 года Вольта прекратил научную деятельность и лишь пожинал лавры. Это утверждение лишено оснований. Нужно иметь в виду, что к тому времени ученому исполнилось уже 57 лет и он был мировой знаменитостью. Любая статья, вышедшая из-под его пера, становилась научным событием. В те годы публикуются известные работы Вольта: о граде ( 1806 г .), об идентичности электричества гальванического и живого ( 1814 г .), о градообразовании и периодичности гроз ( 1817 г .), а также издается пятитомник его трудов ( 1817 г .). Как отмечают современники, ученым никогда не повелевали честолюбие, жадность к деньгам и дух соперничества. В 1804 году Вольта хотел уйти с должности профессора, но узнавший об этом Наполеон сказал: «Я не могу согласиться с отставкой Вольта. Если профессорские обязанности его утомляют, их нужно облегчить. Пусть он читает, если угодно, хотя бы одну лекцию в год. Но Павийский университет был бы поражен в самое сердце в тот день, когда я позволил бы столь знаменитому имени исчезнуть из списка его членов. Впрочем, хороший генерал должен умереть на поле чести». 24 августа 1805 года по указанию Наполеона папа Пий VII назначает Вольта пенсию от епископства Адрии, а через два дня итальянский профессор становится кавалером французского ордена Почетного легиона.

Только в 1819 году Вольта уходит в отставку и возвращается в свой родной город Комо. В том же году его избирают почетным членом Петербургской академии наук. В своем поместье в Комо ученый часто принимает знакомых и друзей. Знавшие Вольта люди характеризуют его как любезного и приветливого человека, простого и сдержанного в обращении. По отзывам современников, Алессандро Вольта был высокого роста, имел правильное античное лицо со спокойным взором, говорил ясно, просто, легко, иногда красноречиво, но всегда скромно и изящно. Обладая мощным и острым умом, высказывая верные и широкие взгляды, Вольта отличался особенной искренностью и обязательностью. Несмотря на свое высокое общественное положение, он всегда был далек от политической жизни.

В январе 1827 года Вольта заболевает и вскоре, 5 марта, умирает в возрасте 82 лет. (С Вольта была снята посмертная маска.) Похоронили великого ученого на местном кладбище Кампанго Вольта (в Комо) в мавзолее, построенном его женой и детьми.

Алессандро Вольта, как и Луиджи Гальвани, до конца своих дней твердо придерживался созданных им научных теорий, невзирая на то, что некоторые из них были неверными. Так, он считал, что в основе действия изобретенного им источника тока лежит контактная разность потенциалов. Однако по прошествии длительного времени было установлено, что причиной возникновения электродвижущей силы в гальваническом элементе является химическое взаимодействие металлов с проводящей жидкостью, электролитом. Полная теория гальванического элемента была создана только в конце XIX века. Исследования XX века показали, что явление контактной разности потенциалов существенно влияет на рабочие характеристики различных радиоэлектронных приборов и его необходимо учитывать при их разработке. Контактная разность потенциалов оказывает заметное влияние на вид вольтамперных характеристик электровакуумных ламп. На контактной разности потенциалов основана работа элементов полупроводниковой электроники: p-n-переходов и контактов «металл-полупроводник». С контактной разностью потенциалов связаны вентильная фото-ЭДС, термоэлектричество и другие электронные явления.

В России первая гальваническая батарея была сделана осенью 1801 года, она состояла из 150 серебряных и цинковых кружков. Через год, осенью 1802 года изготовлена батарея из 4200 медных и цинковых кружков, которая давала напряжение в 1500 В. Благодаря гальваническому элементу появились такие изобретения, как дуга В. Петрова, электродвигатель В. Якоби, телеграф П. Шиллинга, телефон А. Белла и радиосвязь А. Попова. В. Петров впервые применил горизонтальное расположение батарей, разместив их в ящике. Это было сделано, чтобы не допустить вытекания электролита из нижних пластин под тяжестью столба.

В предисловии к своему знаменитому трактату Луиджи Гальвани написал, что целью избранной формы изложения результатов проведенных научных исследований явилось стремление «дать некий факел тем, которые пожелают пойти по тому же пути исследования, или, по крайней мере, удовлетворить благородное желание ученых, которые обычно находят удовлетворение в познании начала и сути вещей, заключающих в себе нечто новое». Как знать, не попади этот трактат в поле научных интересов Вольта, сделал бы он свое изобретение? Или так и остался бы известным ученым, но не великим? Благодаря свету факела, зажженного Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта создал неизвестный прежде источник постоянного тока и совершил открытие, которое обессмертило его имя в истории науки и позволило ему занять достойное место в когорте великих ученых второго тысячелетия нашей эры.

Литература

1. Л. Гальвани и А. Вольта. Избранные работы о живом электричестве. (ОГИЗ. М.-Л. 1937. 430 с. )
2. Лежнева. О. А. Гальвани и Вольта. Трагизм и благородство поединка. В книге Роль дискуссии и история естествознания. М. 1977. С. 65–66.
3. Радовский М. И. Гальвани и Вольта. М.-Л. ГЭИ. 1941.92 с.
4. Околотин В. С. Вольта. М. : Молодая гвардия. 1986. 320 с.

Статья помещена в музей 29.03.2006 года