История науки: непростое украшение

О военном инженере, которого мы знаем как физика, о дворянине, которого мы знаем как простолюдина, и о мемуарах, которые не были воспоминаниями, Indicator.Ru рассказывает в рубрике «История науки».

Под балконом первого этажа Эйфелевой башни в Париже выбиты 72 имени выдающихся французских ученых и инженеров. Среди них, на юго-восточной стене, есть имя этого человека. Его именем также назван кратер на обратной стороне Луны. Этим же именем в системе СИ названа единица величины электрического заряда, а уж о законе Кулона помнят со времен школьной парты даже те, кто забыл, в чем этот закон заключается. В общении между собой физики часто используют его имя в нарицательном смысле, вместо слов «электрическое поле» они говорят «кулоновское поле» или просто «кулон». Поэтому, когда они говорят о голом кулоне, в этом нет ничего неприличного, это значит всего лишь, что в обсуждаемых расчетах учитывается только электромагнитное взаимодействие и никакое другое.

Французский ученый и инженер Шарль Огюстен де Кулон по праву считается одним из основоположников электростатики, но вот что интересно: из семидесяти лет отмеренной ему жизни экспериментальным исследованиям электричества и магнетизма он отдал всего лишь четыре года. На его счету масса других прорывных работ, вошедших впоследствии в золотой фонд науки. Среди них закономерности внешнего трения, закон кручения упругих нитей, он изобрел крутильные весы, которые обладали высокой чувствительностью, небывалой для условий восемнадцатого века… Но большинство из нас помнит его только за его работы по электричеству.

Он появился на свет 14 июня 1736 года на юго-западе Франции, в городе Ангулеме, откуда спустя несколько лет вместе с родителями переехал в Париж. От отца, Анри Кулона, бывшего в ту пору правительственным чиновником, он унаследовал фамилию, от матери, Катрин Баже, ведущей свое происхождение от знатного рода де Сенак, приставку «де». Эта приставка у Шарля так и не прижилась, в своих научных работах он подписывался просто Кулоном, да и фамилия его, выбитая на стене Эйфелевой башни, тоже лишена дворянской приставки.

Достигнув школьного возраста, Шарль был направлен в Коллеж четырех наций (он же Коллеж Мазарини), один из наиболее престижных в Париже. Вскоре отец его разорился на неудачных спекуляциях и вынужден был уехать к себе на родину, в Монпелье, где влиятельные родственники могли бы ему помочь. Мать не захотела уезжать и осталась в Париже вместе с детьми.

Однако с матерью Шарль не ужился и вскоре уехал от нее к отцу, поскольку та мечтала о том, чтобы сын стал врачом, а он, всерьез увлекшись математикой, мечтал о карьере ученого. В Монпелье, благодаря родственникам отца, он был представлен Королевскому научному обществу города и в 1757 году прочел перед ними свою первую научную работу «Геометрический очерк среднепропорциональных кривых». Доклад Кулона был одобрен, и он был принят в члены Общества.

За три года участия в работе Общества он увлекся астрономией, хотя при этом не забывал и про математику. Из пяти мемуаров (аналоги сегодняшних научных статей, которые в то время традиционно зачитывали перед обществом коллег), написанных им за это время, два были по математике, а три — по астрономии.

Но надо было задумываться о профессии, которая, в отличие от научных исследований, могла приносить средства на жизнь. Посоветовавшись с отцом, Шарль поступил в Мезьерскую школу военных инженеров. К чистой науке эта школа имела опосредованное отношение, и единственная польза в этом смысле была услышанная им там замечательная серия лекций по экспериментальной физике.

Целых двенадцать лет профессия военного инженера мотала его по стране и колониям, оставляя совсем немного времени для занятий наукой. Стоит отметить также обязательность и упорство Кулона, которые давали ему не только не манкировать служебными обязанностями, но и блестяще их выполнять, что обеспечивало нашему герою быстрое продвижение по службе. По-настоящему он стал заниматься наукой только после того, как, серьезно подорвав свое здоровье, вернулся во Францию. Там он завершил начатые на Мартинике исследования по статике зданий (часть из которых можно отнести к так нелюбимому студентами сопромату) и оформил их в очередной мемуар, который представил в Парижскую академию наук. Мемуар одобрили и сочли его достойным для публикации в Собрании работ иностранных ученых.

Настоящая научная жизнь началась для Кулона в 1774 году, когда его перевели в портовый город Шербур. Работа по ремонту фортификационных сооружений оставляла ему достаточно свободного времени для научных исследований, и Шарль занялся разработкой оптимального метода изготовления магнитных стрелок для точных измерений магнитного поля Земли: это была тема, заданная на объявленном Парижской академией наук конкурсе.

На конкурсе его мемуар занял первое место, но, пожалуй, наиболее интересным и важным для самой судьбы Кулона был дополнительный раздел, где анализировались механические свойства нитей, на которых подвешивались стрелки. Кулон привел там результаты своих экспериментов, в ходе которых нашел зависимость момента силы деформации кручения от угла закручивания нити и таких ее параметров, как длина и диаметр.

К этой теме он еще вернется года через три, а пока Кулон продолжил совмещать обязанности военного инженера и проведение научных исследований. Через некоторое время его заинтересовали механизмы неразгаданного в ту пору трения. В 1781 году он был избран в академию по классу механики и переехал в Париж. Именно в это время он провел цикл опытов, в которых изучил важнейшие особенности трения. Результатом этих опытов стала разработанная им практически полная механическая картина трения.

А затем он возвратился к проблемам кручения тонких, на этот раз металлических нитей и в результате изобрел крутильные весы. Эти весы можно было использовать для измерения малых сил различного происхождения, причем они обеспечивали чувствительность, немыслимую по тем временам.

Раздумывая, какое применение можно найти этому точнейшему в мире прибору, крутильным весам, Кулон пришел к мысли об исследовании с их помощью электричества и магнетизма. Он начал эксперименты и последовательно описал результаты своих исследований в семи мемуарах. Первые два мемуара, написанные в 1785 году, посвящены тому, что впоследствии и назовут законом Кулона. Измеряя силы притяжения и отталкивания заряженных шариков, Кулон в результате смог заявить:

«Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».

Важной здесь является обратная квадратичная зависимость от расстояния. А об этом, о «законе обратных квадратов», говорили уже давно, поскольку гравитационные силы, как было известно со времен Ньютона, подчиняются именно этому закону. Больше того, этот закон для заряженных шариков был экспериментально открыт до Кулона: в 1760 году его открыл Даниил Бернулли, а примерно в 1774 году — Генри Кавендиш. Однако по разным причинам ни один из них не удосужился свое открытие опубликовать.

Думается, в том, что закон носит имя Кулона, есть историческая логика. Никто из его предшественников не смог так подробно и точно провести этот эксперимент, особенно если учесть, что крутильных весов у них не было. Больше того, в остальных пяти мемуарах Кулон фактически заложил основы электро- и магнитостатики. Его экспериментальные результаты имели как фундаментальное, так и прикладное значение. Эксперименты с крутильными весами имели важнейшее значение еще и потому, что дали в руки ученых метод определения единицы электрического заряда через силу и расстояние, которые уже использовались в механике.

Через год после написания последнего электромагнитного мемуара Кулон подал прошение об отставке, и его дальнейшая жизнь проходила без новых научных результатов. Работы с электричеством завершили его научную деятельность, хотя позже он и возвращался к трению.

Последние годы своей жизни Шарль Кулон провел в Париже, окруженный уважением и славой. Из жизни он ушел 23 августа 1806 года.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.