Так, переходя из рук в руки, продвигался факел науки, разгораясь ярче с каждым шагом. Все укладывалось в рамки основополагающей идеи Ньютона: мир состоит из материальных тел, взаимодействующих между собой при помощи сил, направленных вдоль линий, соединяющих эти тела. Математика уточняет: в случае тел сложной формы силы направлены вдоль прямых, соединяющих центры тяжести этих тел.

Экспериментальные исследования сил, возникающих между ними, обладающими электрическими зарядами или магнитными свойствами, привели к тому же. Эти силы тоже действуют по линиям, направленным между зарядами. Математика и в этом случае приводит к формулам, аналогичным закону тяготения.

Есть, конечно, и различие. Силы тяготения всегда являются силами притяжения. Электрические и магнитные силы могут привести как к притяжению, так и к отталкиванию.

Подтвердилась и особенность магнитных сил: магнитные полюсы невозможно изолировать. Они всегда присутствуют попарно.

Эти факты обнаружены при помощи опытов. В духе Ньютона они поддаются математическому описанию. Все силы действуют вдоль прямых, соединяющих источники силы.

Идиллию разрушил датский физик, профессор Копенгагенского университета Х. Эрстед. Среди других проблем его интересовал вопрос о связи между электрическими и магнитными силами. Существование такой связи предполагали самые первые исследователи электрических и магнитных взаимодействий.

Были и сомневающиеся. Кардан и Гильберт настойчиво искали доказательств того, что подобная связь отсутствует. Они не смогли найти этих доказательств. Напротив, Франклин сумел обнаружить, что железные предметы намагничиваются, если они расположены вблизи проводника, через который проходит электрический заряд от лейденской банки.

21 июня 1820 года Эрстед на четырех страницах описал простой опыт. Электрический ток, протекающий по прямому проводу, идущему вдоль меридиана, отклоняет магнитную стрелку, расположенную вблизи этого проводника, от ее обычного положения, от направления север-юг.

Так впервые была обнаружена новая сила, отличная от известных Ньютону, Кулону и всем остальным ученым того времени. Она действовала не вдоль линий, соединяющих взаимодействующие тела. Она поворачивала магнитную стрелку! Это была «поворачивающая сила».

Статья Эрстеда написана на языке научного общения того времени, на латыни. Но уже существовали и научные журналы на живых языках.

Переводы для них выполняли ученики. Открытие Эрстеда столь сильно отличалось от системы научных взглядов того времени, что переводчики, будучи не уверенными в том, что они правильно понимают Эрстеда, давая буквальный перевод, приводили и оригинальный латинский текст фраз автора, относящихся к «поворачивающей силе».

Удивление и интерес ученых, экспериментаторов и теоретиков быстро распространился и среди людей, далеких от науки. Все хотели увидеть действие таинственной силы, поворачивающей магнитную стрелку.

В том же году знакомый уже нам французский физик Араго обнаружил, что проводник, по которому проходит электрический ток, «облепливается железными опилками так, как если бы это был магнит». Он заключил, что электрический ток вызывает магнетизм в железе, не подвергавшемся предварительному намагничиванию.

В том же 1820 году в это детективное расследование включились французские ученые Ж. Б. Био и Ф. Савар. Био был физиком, а Савар — военным хирургом. Они начали измерения величины силы, с которой электрический ток действует на магнитную стрелку.

Они воспользовались разработанным Кулоном методом колебаний крутильного маятника. Основой их установки был вертикальный проводник и расположенная вблизи него магнитная стрелка. При включении электрического тока магнитная стрелка начинала колебаться. Они изменяли расстояние центра стрелки от проводника. Оказалось, что сила, действующая на стрелку, зависит от расстояния иначе, чем в законах Ньютона и Кулона. Величина силы уменьшалась обратно пропорционально величине расстояния, а не квадрату расстояния. Это казалось странным и непонятным ученым, привыкшим к тому, что сила взаимного притяжения двух тел и сила взаимодействия электрических зарядов во всех случаях была обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Необычная зависимость силы от расстояния заинтересовала знаменитого французского астронома, физика и математика П. С. Лапласа. Он был большим авторитетом в мире науки и его заинтересованность сама по себе говорила о важности проблемы. Обсуждая результат Био и Савара он показал, что странный вид зависимости силы от расстояния объясняется тем, что на магнитную стрелку действует длинный провод. Если мысленно разделить провод на короткие участки и вычислять зависимость силы, действующей на стрелку, от каждого участка, то в формулу войдет обратная пропорциональность квадрата расстояния этого участка от стрелки.

Вспомним, что в математическую формулу закона тяготения и закона Кулона входит квадрат расстояния только потому, что они записаны для точечных масс и зарядов. Они сохраняют свой простой вид только для тел сферической формы и только, если расстояния измеряются между центрами этих сфер. Для тел иной формы формулы усложняются. По-видимому Лаплас был первым, обратившим внимание на это обстоятельство.

Так началось широкое наступление на тайну, связывающую электричество с магнетизмом.

Целый ряд важнейших результатов в этой области получил многосторонний французский ученый, прежде всего физик и математик, А. М. Ампер. 18 сентября 1820 года он сообщил Парижской академии наук об открытом им взаимодействии двух проводников, по которым проходят электрические токи. Согласные токи, то есть токи, текущие в двух проводниках в одинаковом направлении, взаимно притягиваются. Встречные токи вызывают взаимное отталкивание проводников.

Сохранилось предание о том, что после доклада Ампера один из присутствующих заметил: но что же нового в том, что вы нам рассказали? Мы знаем, что два проводника с током влияют на магнитную стрелку, ясно, что они должны действовать и друг на друга!

Ампер не знал, что возразить. Тогда вмешался Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Каждый из них влияет на магнитную стрелку, но они не действуют друг на друга».

Реакция Лапласа была иной. После доклада Ампера, сопровождавшего демонстрацией, Лаплас спросил ассистента, показывавшего опыт: «А не вы ли, молодой человек, подталкивали провод?»

Оригинальность хода мыслей Ампера привела его к великому открытию. Мы уже упоминали об опыте Араго, обнаружившего притяжение железных опилок к проводнику, сквозь который проходит электрический ток. Все объяснили это тем, что электрический ток превращает проводник в магнит. Притяжение «согласных токов» видимым образом противоречит этому мнению.

Гений Ампера подсказал ему противоположное решение: не проводник становится магнитом, а магнит представляет собой совокупность круговых токов. Если это справедливо, то множество круговых токов, заполняющих прямой магнит, взаимодействуют между собой так, что все токи становятся параллельными, а их плоскости — перпендикулярными оси магнита. Ампер имел в виду кольцевые токи, протекающие по окружности малого размера, не уточняя их физическую природу.

Но он представил себе и макроскопическую модель этой совокупности. И реализовал такую модель. Он намотал спираль из металлической проволоки. Длина спирали была много больше, чем диаметр ее витков.

Ампер предполагал, что при прохождении электрического тока по виткам спирали она приобретет свойства магнита. Опыт блестяще подтвердил его рассуждения.

Затем он убедился в том, что одиночный виток проволоки ведет себя, как железная пластинка, намагниченная поперек ее плоскости.

Ампер стремился к краткости. Поэтому он создал много терминов, способных заменить многократное повторение длинных описаний. Таковы электростатика — взаимодействие неподвижных зарядов, электродинамика — взаимодействие движущихся зарядов или токов, соленоид — спираль из проволоки, магнитостатика — взаимодействие неподвижных магнитов, электромагнитное взаимодействие — взаимодействие токов и магнитов, и другие термины, применяемые и в наши дни.

Написав формулу взаимодействия элементарных токов, Ампер вывел из нее закон Био и Савара, а также закон Кулона для статического взаимодействия двух магнитов, рассматриваемых как две системы токов. Таким путем он смог объяснить «поворачивающую силу» Эрстеда, сведя ее к взаимодействию элементарных витков — магнитиков, направленному вдоль соединяющей их прямой.

Так Амперу удалось возродить механическую концепцию, поколебленную опытом Эрстеда. Но, как мы скоро увидим, трещина была скрыта только на поверхности, но продолжала существовать. Она вскрылась вновь спустя несколько десятилетий.