Gilbert: čovek koji je razdvojio ćilibar od magneta
Istorija elektrotehnike
Deo 2 · London, 1600.
Kraljičin lekar koji je izgubio osamnaest godina
Krajem šesnaestog veka Engleska je živela od mora. Brodovi su išli u Novi svet, u Indiju, oko sveta — a jedini instrument koji je na otvorenom okeanu pokazivao pravac bila je magnetna igla. I ta igla je lagala. Nije pokazivala na severnu tačku neba, nego pored nje, i to za različit ugao na različitim mestima. U tekstu „Ćilibar i magnetit: dve tajne antike" videli smo da je to skretanje — magnetnu deklinaciju — Šen Kuo zabeležio još 1088. Pola milenijuma kasnije, niko nije znao zašto se to dešava.
Bilo je i gore. Godine 1581. londonski izrađivač kompasa Robert Norman objavio je knjižicu The Newe Attractive, u kojoj opisuje problem iz svoje radionice: kad namagnetiše iglu i postavi je na osovinu, ona više nije u ravnoteži — severni kraj se obara nadole. Norman je morao da odseca delić metala sa tog kraja da bi igla stajala vodoravno. Umesto da to prećuti kao smetnju u zanatu, napravio je poseban instrument sa horizontalnom osovinom, izmerio koliko se igla obara i u Londonu dobio oko 71°50′.
Ta pojava se zove magnetna inklinacija ili nagib (engl. dip). Nemački sveštenik Georg Hartman zapazio ju je još 1544. u pismu, ali pismo niko nije čitao vek i po, pa se otkriće s pravom pripisuje Normanu.
Dakle: igla skreće u stranu, igla se obara nadole, i niko ne zna zašto. A knjige su bile pune tvrdnji koje je svako prepisivao od svakoga — da beli luk poništava magnet, da dijamant može da preokrene iglu, da magnet leči glavobolju.
Vilijam Gilbert (William Gilbert, 1544–1603) rođen je u Kolčesteru, studirao u Kembridžu, doktorirao medicinu 1569. i postao vrlo uspešan londonski lekar — predsednik Kraljevskog lekarskog koledža 1600, a od 1601. lični lekar kraljice Elizabete I. Uporedo sa tom karijerom, oko osamnaest godina i priličan deo sopstvenog novca potrošio je na nešto što medicini nije služilo ničemu: sistematsko ispitivanje magneta.
Nije počeo ni iz čega. Skoro tri i po veka ranije, 1269, francuski inženjer Petar Peregrin (Petrus Peregrinus de Maricourt) napisao je Epistola de magnete — pismo koje je po metodu daleko ispred svog vremena. Peregrin je već utvrdio da magnet ima dve posebne tačke, koje je nazvao polovima, da se istoimeni polovi odbijaju a raznoimeni privlače, i da se prelomljeni magnet ne deli na dva pola nego na dva cela magneta. Gilbert ga otvoreno citira i priznaje. Ono što je Gilbert dodao je razmera — i jedan predmet.
Terela: Zemlja veličine pesnice
Gilbert je od komada magnetnog kamena dao da se izbrusi lopta. Nazvao ju je terrella — mala zemlja. To je centralni eksperiment cele knjige.
Aparatura: kamena kugla i sitna magnetna igla, kratka, postavljena na osovinicu tako da može slobodno da se okreće i u vodoravnoj i u uspravnoj ravni. Gilbert tu iglu prinosi površini terele, tačku po tačku, i beleži kako se postavlja.
Rezultat: igla se ponaša tačno onako kako se ponaša kompas na Zemlji. Iznad „ekvatora" terele stoji paralelno sa površinom. Kako je pomera ka „polu", igla se sve više obara — jedan kraj ka kamenu. Na samom polu stoji uspravno. Ako u kugli postoji greška u materijalu ili udubljenje, igla u blizini malo skreće u stranu.
Nagib. Skretanje. Sve ono što muči navigatore, na kamenu koji staje u dlan.
Gilbert, De Magnete, 1600.
Ovo je bio radikalan iskorak. Dotadašnje objašnjenje je bilo da iglu privlači nešto spolja — zvezda Severnjača, ili ogromna magnetna planina negde na severu, ili tačka na nebeskom svodu. Gilbert kaže: ne, izvor je pod nogama. Zemlja nije samo kamena grudva koja stoji u središtu sveta; ona ima svojstvo, i to svojstvo je magnetizam.
A onda je uradio i ono što niko nije: proverio je priče. Uzeo je beli luk, natrljao njime magnet i kompas — i ništa se nije desilo. Zapisao je da su te tvrdnje neistinite i da ih ljudi ponavljaju zato što ih prepisuju, a ne zato što su ih isprobali. Ta rečenica je, po duhu, početak eksperimentalne nauke. De Magnete je 1600. godine štampan u Londonu kao prva veća knjiga zasnovana skoro isključivo na sopstvenim ogledima autora, a ne na autoritetu antičkih pisaca.
Versorijum: prvi merni instrument u elektrotehnici
Usput, Gilbert je rešio i onaj drugi problem — ćilibar.
Napravio je napravu koju je nazvao versorium (od latinskog vertere, okretati): tanka metalna strelica, dužine nekoliko centimetara, oslonjena u težištu na vrh igle, tako da se okreće uz gotovo nikakvo trenje. Ništa namagnetisano, ništa naelektrisano — samo vrlo pokretljiv pokazivač.
Kad se protrljanom materijalu prinese versorijum, strelica se okrene ka njemu. Ako se ne okrene, materijal nije naelektrisan. Prvi put u istoriji, pitanje „da li ovo privlači?" prestaje da zavisi od toga da li imate pri ruci dovoljno laganu slamku i dovoljno mirnu prostoriju. Instrument je osetljiviji od slamke, ponovljiv je, i daje odgovor da/ne na jednoobrazan način.
To je, u punom smislu reči, prvi elektrostatički instrument — predak elektroskopa. I odmah je dao rezultat: ćilibar nije jedini. Gilbert je istrljao desetine materijala i našao da se privlačenje javlja i kod gagata, stakla, sumpora, pečatnog voska, smole, kamene soli, dijamanta, safira, kristala. Naspram njih, cela jedna grupa materijala nije reagovala ni posle najjačeg trljanja — svi metali, kao i mermer i neki drugi kamen.
Za prvu grupu mu je trebalo ime. Uzeo je grčku reč za ćilibar, ἤλεκτρον, i skovao latinski pridev: electricus — „ćilibarski", to jest, koji se ponaša kao ćilibar. Prvi put se pojavljuje upravo u De Magnete. Engleska imenica electricity nastaje četrdesetak godina kasnije, kod Tomasa Brauna 1646. Iz iste te reči dolazi i naziv struke o kojoj pišemo — elektrotehnike.
ZAPAMTI OVO
Gilbert je prvi jasno razdvojio dve pojave koje su dotad smatrane jednom, i naveo razlike:
- Elektrika traži trljanje; magnet radi sam od sebe.
- Elektrika privlači svaku laganu stvar; magnet privlači gvožđe i sebi slično.
- Elektrika samo privlači; magnet i privlači i odbija, jer ima polove.
- Elektriku poništavaju vlaga i plamen, i prekida je prepreka između tela; magnetno dejstvo prolazi kroz papir, drvo i vodu i ne mari za vlažan dan.
- Magnet iglu usmerava — okreće je u određeni pravac. Elektrika ne usmerava ništa, samo vuče ka sebi.
Efluvijum: pogrešna teorija koja je bila razumna
Gilbertovo objašnjenje elektrike bilo je ovakvo: pojedina tela nastala su zgušnjavanjem vlage i u sebi nose neku vrstu vlažnog soka. Trljanje ih zagreje i iz njih izbije nevidljivo isparenje — efluvijum (effluvium, ono što isteklo). To isparenje se pruži do okolnih sitnica, obavije ih i, dok se vraća u telo iz kog je poteklo, povuče ih sa sobom.
Danas znamo da ništa slično ne isteče — reč je o prenosu elektrona pri trljanju i o polarizaciji, kako je opisano u prvom tekstu. Ali stani na trenutak i pogledaj koliko dobro efluvijum objašnjava ono što je Gilbert stvarno video:
- Dejstvo nestaje posle nekog vremena — isparenje se raziđe.
- Dejstvo ne postoji bez trljanja — treba toplota da bi isparenje izašlo.
- Vlažan vazduh ga ubija — isparenje se u vlazi rasprši.
- Plamen ga uništava — sagori isparenje.
- List papira između tela ga prekida — materijalna prepreka zaustavlja materijalnu struju.
Pet nezavisnih činjenica, i jedno objašnjenje koje pokriva svih pet. To nije naivnost, to je dobra hipoteza za raspoložive podatke. Bila je pogrešna, ali će se ideja da nešto ističe iz naelektrisanog tela zadržati vekovima i prerasti u teoriju električnih fluida, o kojoj ćemo tek pisati.
Zanimljivo je da je magnetizam objasnio potpuno suprotno. Pošto magnetno dejstvo prolazi kroz sve prepreke, ne slabi vremenom i ne mari za vlagu, zaključio je da ono nije materijalno. Za njega je magnetizam bio nematerijalna „forma", svojstvo Zemljine prirode — pisao je čak o duši Zemlje, u smislu bliskom onome što smo videli kod Talesa. Njegov razlog nije bio mistika, nego posmatranje: dve pojave se ponašaju bitno drugačije, dakle moraju imati bitno drugačiju prirodu.
Prva veličina koja se može izmeriti
Sa Gilbertom u ovu priču ulazi prvi broj. Inklinacija je ugao — a uglove je čovečanstvo umelo da meri još u Miletu. Zato je nagib igle prva pojava iz našeg područja koju je moguće zapisati brojem, uporediti sa drugim mestom i proveriti.
Gilbert je na tereli video da nagib zavisi od toga koliko je igla daleko od ekvatora kugle. Nije izveo formulu — nije imao ni pojmove ni matematiku za to. Ali veza koju je posmatrao ima tačan oblik, ako se Zemljin magnetizam opiše najprostijim mogućim modelom:
- I — magnetna inklinacija, ugao između igle i vodoravne ravni [stepen, °]
- λ — magnetna geografska širina, ugao od magnetnog ekvatora [stepen, °]
Primer, korak po korak, za Beograd (geografska širina približno 44,8°):
- tan 44,8° = 0,994 — tangens širine
- tan I = 2 · 0,994 = 1,988 — uvrstimo u obrazac
- I = arctan 1,988 ≈ 63,3° — tražena inklinacija
Stvarno izmerena vrednost kod nas je za nekoliko stepeni manja od ove. Razlika nije greška računa — ona je poruka: Zemlja nije savršena kugla ravnomerno namagnetisana kao Gilbertova terela. Njeno polje je nepravilno, menja se iz godine u godinu, a magnetni polovi se stalno pomeraju. Model daje red veličine i tačan trend, ne tačan broj.
Namerno ovde ne izvodim odakle dolazi ona dvojka. Za izvođenje je potreban pojam polja i njegovo razlaganje na komponente, a polje kao ideja ulazi u fiziku tek sa Faradejem, dva i po veka kasnije. Vratićemo se na ovaj obrazac kad za njega budemo imali alat.
Šta je ovo promenilo
Tri stvari, i sve tri su temeljne za elektrotehniku.
Prva: elektricitet i magnetizam su razdvojeni. Dve hiljade godina su se vukli kao jedna „skrivena moć"; posle 1600. to su dve različite oblasti sa različitim zakonima. Ironija je što će se, kroz ovaj serijal, one ponovo spojiti — ali tek kad se svaka posebno razume do kraja, i tada na način koji Gilbert nije mogao ni da nasluti.
Druga: pojava je dobila ime i instrument. Reč electricus i versorijum su početak — nazvati nešto i izmeriti nešto su dva preduslova za svaku nauku.
Treća: metod. Ne verujem jer piše kod Aristotela, verujem jer sam probao. Galilej je čitao De Magnete i pohvalno govorio o njoj; Kepler se na Gilberta oslanjao tražeći silu koja drži planete. Knjiga je izašla iste godine kad je u Rimu spaljen Đordano Bruno — vredi imati na umu u kakvom je vremenu napisana.
Ostalo je i podosta pogrešnog. Uzrok Zemljinog magnetizma Gilbert je pogrešio — nije reč o trajno namagnetisanom kamenu u dubini, nego o strujama u tečnom spoljašnjem jezgru, što je saznanje dvadesetog veka. Deklinaciju je pripisivao rasporedu kopna i mora. Tvrdio je i da elektrika nikad ne odbija, što je opovrgnuto već 1629, kad je italijanski isusovac Nikolo Kabeo primetio da sitni komadići, pošto dodirnu naelektrisano telo, odskaču od njega.
Ali najveće ograničenje nije bila nijedna pogrešna tvrdnja. Bilo je praktično. Gilbert je sve što je znao o elektrici dobio trljanjem komadića ćilibara rukom ili krpom. Efekat je bio slab, kratkotrajan i nemerljiv u količini — versorijum kaže „ima" ili „nema", ne kaže koliko. Sa toliko malo elektriciteta ne mogu se otkriti zakoni, jer se ne vidi ništa osim privlačenja prašine.
Sledeći korak nije bio teorijski, nego mašinski. Trebalo je napraviti spravu koja trlja umesto čoveka — neprekidno, snažno, koliko god dugo treba. Prvi koji je to napravio bio je gradonačelnik Magdeburga, čovek poznatiji po tome što je dve konjske zaprege naterao da uzalud vuku bakarne polulopte iz kojih je isisao vazduh. Zvao se Oto fon Gerike, i njegova kugla od sumpora dala je prve varnice, prvo pucketanje i prvu svetlost koju je čovek napravio elektricitetom.
Primjedbe
Objavi komentar