Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЛАВА VII ФИЗИКА М. В. ЛОМОНОСОВА
§ 27. БИОГРАФИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О М. В. ЛОМОНОСОВЕ
Великий русский ученый М. В. Ломоносов занимает в истории физики XVIII в. особое место. Его взгляды на физические явления, научные устремления и направление деятельности в этой науке не совпадали с основным направлением развития физики в этот пери од. Эти особенности объясняются, во-первых, обстановкой, которая окружала его в России, а во-вторых, необычной для ученого био графией.
Естествознание в России начало развиваться позднее, чем на Западе. В XVII в. Россия была еще феодальной страной, что опре деляло состояние ее культуры. Важную роль в культурном разви тии играла церковь, в руках которой полностью находилось про свещение. Существовавшие тогда высшие учебные заведения (Ки евская и Московская академии) были духовными школами. Препо давание носило схоластический сред невековый характер. Ни о каком подлинном изучении естественных наук не могло быть и речи. Отрыв ки естественнонаучных знаний, кото рые сообщались учащимся, излага лись по Аристотелю. Никакие сис тематические научные исследования в России в области естествознания не проводились. Если на Западе в XVII в. существовали научные орга низации, общества, издавались на учные труды, то в России ничего подобного не было. Только при Пет ре I в развитии русской культуры наступил перелом. Петр посылал русских молодых людей за границу для обучения военному, а также морскому и инженерному делу. Он открыл в России светские школы, в том числе и технические. При Пет ре 1 в России начала издаваться на русском языке научная и научно-тех-
Михаил Васильевич Ломоносов
213
ническая литература. Наконец, после его смерти в 1725 г. начинает работать Петербургская Академия наук, созданная по проекту Петра. В Академии наук впервые в России начинают проводиться научные исследования, результаты которых публикуются в издани ях Академии. В России развивается наука и прежде всего естество знание.
Однако естествознание развивается в России иначе, чем на За паде, где оно было тесно связано с развитием буржуазии, которая с самого начала взяла науку под свое покровительство. Она ис пользовала ее в производстве, и как идеологическое оружие в борь бе против феодализма, в частности, против католической церкви. Россия же и в период реформ Петра I и непосредственно после них продолжала оставаться феодальной страной. Капиталистические отношения еще только зарождались.
Наука в России появилась как необходимое условие выполнения реформ, задуманных Петром. Преобразуя русское государство, укрепляя его военную мощь, пробиваясь к выходу в море, он впол не ясно понимал, что эти задачи нельзя решить, не ликвидировав экономической, культурной и технической отсталости России, не развивая технические знания и науки, не доведя их до западноевро пейского уровня. Ломоносов говорит о Петре I:
«...тогда усмотрел ясно, что ни полков, ни городов надежно укрепить, ни кораблей построить и безопасно пустить в море, не употребляя математики, ни оружия, ни огнедышащих махин, ни лекарств поврежденным в сражении воинам без физики приготовить, ни законов, ни судов правости, ни честности нравов без учения философии и красноречия ввести, и, словом, ни во время войны го сударству надлежащего защищения, ни во время мира украшения без вспоможе ния наук приобрести невозможно» 1).
Таким образом, задача развития науки для Петра I была госу дарственной. Для ее быстрого решения нельзя было дожидаться, пока в России вырастут свои научные кадры, и он вынужден был пойти по другому пути: пригласить ученых из-за границы, предос тавив им необходимые условия для научной работы, и использовать их достижения в целях развития производительных сил страны, для укрепления ее военной мощи и т. д. Предполагалось, что эти ученые с течением времени подготовят и национальные научные кадры. С таким расчетом была задумана и создана Петербургская Акаде мия наук. Она была целиком укомплектована иностранными учены ми. С особой тщательностью производился отбор ученых, работав ших в области физико-математических наук. Среди ее академиков были крупнейшие ученые того времени, такие, как Даниил Бернулли, Эйлер и др. При Академии был создан хорошо оснащенный фи зический кабинет для экспериментальных исследований. Петербург ская Академия наук скоро приобрела славу «знатнейшего» научно го учреждения мира, особенно в области физико-математических и вообще естественных наук.
_____________________
1) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч., Т. III. М. —Л., Изд-во АН СССР, 1952, с. 19.
214
Перед Академией наук стояла также задача распространения научных знаний среди русского общества. Здесь она встречала сильное противодействие со стороны церкви, боявшейся проникно вения идей, ведущих к «натурализму» и «безбожию». Государство также опасалось возможности распространения вредных политиче ских идей. Церковь препятствовала изданию книг, в которых изла галась «коперникианская ересь» или учение о множественности ми ров. Уже в 1757 г. Синод требовал запрещения книги Фонтенеля «Разговоры о множественности миров», переведенной на русский язык Кантемиром:
«...дабы никто отнюдь ничего писать и печатать как о множестве миров, так, и, обо всем другом, вере святой противном и с честными нравами несогласном, не отваживался, а находящуюся ныне во многих руках книгу о множестве миров, Фонтенеля,... указать везде, отобрать и послать в Синод».
Наука в России развивалась в обстановке глубоких противоре чий. С одной стороны, правительство понимало, что без нее невоз можно совершенствовать армию и морской флот, развивать произ водительные силы, а с другой стороны, меньше всего стремилось распространять научные знания среди населения, правильно пола гая, что оно ведет и к распространению материалистических и ате истических, а также и «вредных» политических идей. Противоречи вое отношение к науке и просвещению со стороны государства спо собствовало развитию уродливого явления, имевшего место в Пе тербургской Академии наук, да и вообще среди господствующих классов,— преклонения перед всем иностранным. Приглашая ино странных ученых, Петр I полагал, что одна из их главных задач — подготовка отечественных кадров ученых. Для этого при Академии были созданы университет и гимназия. Однако вместе с крупными учеными в Академию проникли и иностранные дельцы, которые осо бенно процветали во время царствования Анны Иоанновны. Цари ца окружила себя немцами во главе с Бироном. Они занимали вы сокие должности, в том числе и в области организации науки и про свещения.
Привилегированное положение немецкие чиновники от науки получили и в Академии наук. Правитель академической канцеля рии немец Шумахер стал фактическим хозяином всей Академии и заботился только о чинах и наживе. Он тормозил подготовку рус ских национальных научных кадров, создавал тяжелые условия для неугодных ему академиков. В результате его деятельности из России уехали крупнейшие ученые (Бернулли, а затем Эйлер, который вер нулся в Россию только в 1765 г.). Немецкие чиновники наживали капиталы и верно служили царскому правительству. Пытаясь иг рать руководящую роль в русской культуре, иностранцы распро страняют клевету на русский народ, заявляя, что «из русских ни ученых, ни художников не может быть». Верхушка правящего клас са вместе с правительством в послепетровское время поддерживает эту клевету. Среди господствующего класса в России развилось преклонение перед всем иностранным, что явилось одной из причин
215
реакционного отношения к просвещению. Таково было положе ние науки, когда в Академию наук пришел Ломоносов.
Как уже говорилось, путь Ломоносова в науку был необычен. Родился он в 1711 г. в одной из деревень, расположенных на Кур-острове близ Холмогор, в семидесяти километрах от Архангельска. На севере России в то время не было помещичьего землевладения. Крестьяне владели землей на правах общественного землепользо вания. Отец Михаила Васильевича Ломоносова был зажиточным крестьянином-помором, занимавшимся рыбным промыслом. На се вере России сравнительно широко была распространена грамот ность. Немало крестьян умели читать и писать, у некоторых из них были свои книги и не только духовные, но и светские. Михаил Васильевич довольно рано по тем временам научился читать и писать. К двенадцати годам он уже читал в приходской церкви не хуже старых начетчиков. Особенно сильное влияние на развитие молодо го Ломоносова оказали светские книги, попавшие ему в руки. Это «Грамматика Смотрицкого и «Арифметика» Магницкого. Они поз накомили Ломоносова с началами науки и разожгли жажду науч ных знаний, желание овладеть наукой, дающей возможность господ ствовать над природой. Однако осуществить эту мечту на родине Ломоносова было невозможно. В единственное Холмогорское ду ховное училище людей «подлого» происхождения не принимали. И вот в 1730 г. вопреки воле отца девятнадцатилетний юноша от правился в Москву учиться. В Москве Ломоносову удалось добить ся принятия в Московскую духовную академию. Чтобы попасть в эту академию, Ломоносову пришлось выдать себя за сына дворяни на, так как по указу Синода сюда крестьянских детей не принимали. Пять лет проучился Ломоносов в академии, терпя крайнюю нужду и лишения. Но чем дальше, тем яснее он понимал, что здесь нельзя получить самого главного — естественнонаучных знаний, так как обучение носило духовный, схоластический характер. В 1734 г. Ло моносов добился поездки в Киевскую духовную академию, но в здесь находит «пустые только словопрения аристотелевской фило софии», и неудовлетворенный возвратился в Москву. В следующем году происходит важнейшее событие в жизни Ломоносова, которое открыло путь к вершинам науки. По распоряжению сената двена дцать лучших студентов Московской академии были посланы для обучения в Академию наук. Среди них был Ломоносов. Он пробыл в Академии восемь месяцев, а затем был командирован за границу для дальнейшего образования. Ломоносов сначала обучался в Марбургском университете у Христиана Вольфа, а затем во Фрейбурге у немецкого химика Генкеля, специализируясь по металлургии и горному делу. В 1741 г. Ломоносов вернулся в Петербург в Акаде мию наук, где протекает вся его последующая деятельность. После некоторой проволочки со стороны правителя академической канце лярии Шумахера Ломоносов назначен адъюнктом Академии наук, а в 1745 г. произведен в профессора по кафедре химии, т. е. стал академиком.
Научная деятельность Ломоносова была чрезвычайно многооб-
216
разной. Будучи профессором химии, он уделял большое внимание исследованиям по физике, кроме того, занимался астрономией, ге ологией, географией и другими науками. Ломоносов интересовался и гуманитарными науками, вел исследования в области истории, занимался филологией, писал стихотворения и оды. Мозаичные картины Ломоносова отличаются большим художественным мастер ством. Общеизвестны его картины: портрет Петра и Полтавская битва.
Ломоносов одновременно был и выдающимся общественным деятелем. Много сил он отдал развитию науки в России, распрост ранению знаний среди русского народа. Здесь Ломоносов выступа ет перед нами как неутомимый и энергичный борец против царских чиновников и духовенства, против всех, кто препятствовал разви тию отечественной науки и распространению образования в России. Ломоносову фактически принадлежит заслуга в создании первого высшего учебного заведения в России — Московского университета.
В Академии наук Ломоносов вел борьбу против преклонения перед иностранцами, против правителя академической канцелярии Шумахера, препятствовавшего подготовке национальных кадров ученых, засорявшего Академию наук малоквалифицированными иностранными учеными.
Ломоносов оставил неизгладимый след в истории русской куль туры. Это понимали передовые русские люди, восхищаясь его дея тельностью, поднимая имя Ломоносова как патриотическое знамя русской самостоятельной культуры. Великий русский поэт А. С. Пушкин писал:
«Соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенной силой понятия, Ломоносов обнял все отрасли просвещения. Жажда науки была сильнейшей страстью сей души, исполненной страстей. Историк, ритор, механик, химик, ми нералог, художник и стихотворец,— он все испытал и все проник».
Восхищаясь многосторонней научной и просветительской дея тельностью Ломоносова, направленной на пользу отечества, Пуш кин назвал его «первым русским университетом». Восторженно отзывался о Ломоносове В. Г. Белинский:
«...на берегах Ледовитого моря, подобно северному сиянию, блеснул Ломо носов. Ослепительно и прекрасно было это явление! Оно доказало собой, что че ловек есть человек во всяком состоянии и во всяком климате, что гений умеет торжествовать над всеми препятствиями, какие не противопоставляет ему враж дебная судьба, что, наконец, русский способен к всякому великому и пре красному» 1).
И в наше время образ М. В. Ломоносова не тускнеет, наоборот, величие его дел становится еще более ярким. С. И. Вавилов отме чает:
«Наш язык, наша грамматика, поэзия, литература выросли из богатейшего творчества М. В. Ломоносова. Наша Академия наук получила свое бытие и
_____________________________________
1) Белинский В. Г. Избранные сочинения. М., ОГИЗ, 1947, с. 15.
217
смысл только через М. В. Ломоносова. Когда мы проходим по Моховой, мимо Московского университета, мы помним, что деятельность этого рассадника науки и просвещения в России есть развитие мысли М. В. Ломоносова» 1).
§ 28. МИРОВОЗЗРЕНИЕ М. В. ЛОМОНОСОВА
Мировоззрение Ломоносова складывалось постепенно, по мере того как он познает современную ему науку и философию. Еще юношей ознакомившись с элементами естествознания по «Арифме тике» Магницкого, Ломоносов начал стремится к овладению есте ственнонаучными знаниями.
Вероятно, уже во время учебы в Московской, а затем в Киев ской духовной академиях, у него сложилось отрицательное отноше ние к схоластике, не способной дать подлинные знания об окру жающей действительности. В Петербургской Академии наук и за границей перед ним открылся мир современной ему науки. Ломо носов быстро разбирается в идеях этого мира, он усваивает основ ные, характерные черты естествознания того времени и, прежде всего количественный и механический подход к изучению явлений природы. Однако для науки того времени характерны разногласия по вопросам строения материи, методам познания природы и т. д. В физике существовали два основных направления: картезианское и ньютонианское. Хотя последнее уже торжествовало победу, тем не менее, некоторые ученые еще придерживались идей Декарта.
Разобравшись в положении современной ему науки, как следует из собственных высказываний Ломоносова и его научной деятель ности, он решил выработать свою собственную систему основных принципов и на их основе построить объяснение природы, ее явле ний и закономерностей. В своих заметках он писал:
«Я хочу строить объяснение природы на известном, мной самим положен ном основании» 2).
Конечно, при этом он основывался на достижениях всей совре менной и предшествовавшей ему науки. Он не хотел полностью следовать ни Аристотелю, ни Декарту, ни Ньютону, ни какому-либо другому «славному» ученому и философу, но он использовал все лучшее, по его мнению, что содержалось в их учениях.
Основной вопрос философии Ломоносов решал материалистиче ски. Материя, по Ломоносову, — основа всего существующего в природе. Идеи — это отражение в нашем сознании окружающей действительности. Ломоносов писал, что идеи — это представления вещей в уме нашем 3). Верный своему времени, Ломоносов не просто признавал материю основой всего существующего, но и пытался дать для нее конкретную модель. Он полагал, как и все атомисты,
_______________________________________
1) Вавилов С. И. Собр. соч. Т. III. M., Иэд-во АН СССР, 1956. 2) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. I, 1950, с. 125. 3) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. V, 1952, с. 25.
218
что материя состоит из мельчайших абсолютно твердых и недели мых частиц, которые он называл «нечувствительными физическими частицами». Материя, по Ломоносову, заполняет все пространство (к материи он относил и эфир, считая его также состоящим из мельчайших атомов). Материя и ее движение неуничтожимы и несотворимы — это положение он впервые сформулировал в письме к Эйлеру в 1748 г.:
«Но все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Гак, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого... Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движе ния: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому» 1).
Ломоносов отрицал существование силы как активного начала или как врожденного свойства материи, заключающегося в способ ности действовать на расстоянии. Неоднократно он высказывался против признания «притягательных сил» и подчеркивал, что всякое взаимодействие между телами должно, в конце концов, сводиться к толчку, удару или давлению. В этом вопросе он был согласен с кар тезианцами и их последователями, отрицавшими существование дальнодействующих сил. Воззрения Ломоносова на материю и дви жение— дальнейшее развитие картезианских и атомистических представлений. Ломоносов развивал ту идею Декарта и его после дователен, которую так высоко ценил у французского философа Маркс,— идею о том, что материя и движение являются «единст венной основой бытия и познания». Ломоносов, однако, еще не мог выйти за рамки механического воззрения на материю и движение, он считал, что материя состоит из неделимых, абсолютно твердых атомов, механическое движение которых является причиной всех явлений в природе, а всякое взаимодействие сводится, в конечном счете, к контактному.
Основой познании Ломоносов считал опыт, который одновремен но, по его мнению, является и критерием истинности познанного, критерием истинности теории. Он писал:
«Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только вооб ражением»2).
Признавая опыт единственным источником познания, Ломоно сов был, однако, одновременно противником грубого эмпиризма и формализма в познании. Возражая своему критику — «журналис ту», обвинявшему Ломоносова в том, что он в своих работах отры вается от непосредственного эксперимента, Ломоносов писал:
«В начале объявляется о замысле журналиста: оно — грозное, молния уже образуется в туче и готова сверкнуть. «Г-н Ломоносов, — так сказано, — хочет
1) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. II, 1951, с. 183—185. 2) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. 1, с 125.
219
дойти до чего-то большего, чем простые опыты». Как будто естествоиспытатель действительно не имеет права подняться над рутиной и техникой опытов, и не призван подчинить их рассуждению, чтобы отсюда перейти к открытиям. Разве, например, химик осужден на то, чтобы вечно держать в одной руке щипцы, а в другой тигель и ни на одно мгновение не отходить от углей и пепла?» 1)
Ломоносов считал, что познание должно идти дальше непосред ственных чувств; он подчеркивает, что «физика» кроме познания непосредственно ощущаемых нами тел «в уме воображает, что от чувств наших долготою времени, дальностию расстояния или дебелостию великих тел закрыто, или для безмерной тонкости оным не подвержено» 2). Больше того, признавая за наукой задачу иссле дования сущности явлений, согласно своим взглядам на строение материи, Ломоносов решающее значение для науки придавал изу чению свойств мельчайших частиц, составляющих окружающие тела, как раз недоступных нашим чувствам. Познание мельчайших частичек, указывал Ломоносов, «толь нужно есть испытателям на туры, как сами оные частицы к составлению тел необходимо пот ребны» 3).
Мельчайшие частички, составляющие тела, недоступны нашим чувствам, поэтому их свойства познаются разумом. Ломоносов пишет:
«...должно разумом достигать потаенного безмерною малостию виду, меры, движения и положения первоначальных частиц, смешанные тела составляющих»4).
Но, несмотря на то, что свойства частиц признаются разумом, основой познания их является по-прежнему опыт. Вот как об этом в образной форме говорит Ломоносов:
«Когда от любви беспокоящийся жених желает познать прямо склонность своей к себе невесты, тогда разговаривая с нею, примечает в лице перемены цвету, очей обращение и речей порядок, наблюдает ее дружества, обходительства и увеселения, выспрашивает рабынь, которые ей при возбуждении, при нарядах, при выездах и при домашних упражнениях служат, и так по всему тому точно уверяется о подлинном сердце ее состояния. Равным образом прекрасныя натуры рачительный любитель, желая испытать, толь глубоко сокровенное состояние первоначальных частиц, тела составляющих, должен высматривать все оных свойства и перемены, а особливо те, которые показывает ближайшая ее слу жительница и наперсница и в самые внутренние чертоги вход имеющая химия, И когда она разделенные и рассеянные частицы из растворов в твердые части соединяет и показывает разные в них фигуры, выспрашивать у осторожной и до гадливой геометрии, когда твердые тела на жидкие, жидкие на твердые пере меняет и разных родов материи разделяет и соединяет, советовать с точною и замысловатою механикою, и когда чрез слитие жидких материй разные цветы производит, выведывать чрез проницательную оптику. Таким образом, когда хи мия пребогатыя госпожи своея потаенные сокровища разбирает, любопытный и
________________________________________
1) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. III, с. 219—220.
2) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. I, с. 535.
3) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. II, с 352.
4) Там же, с 363.
220
неусыпный натуры рачитель, оные чрез геометрию вымеривать, через механику развешивать и через оптику высматривать станет, то весьма вероятно, что он желаемых тайностей достигнет» 1}.
Ломоносов не разграничивает резко индукцию и дедукцию, не предпочитает одну другой, а объединяет их в своем методе позна ния.
«Из наблюдений установлять теорию, — писал Ломоносов, — чрез теорию исправлять наблюдения — есть лутший всех способ к изысканию правды» 2).
В научном методе Ломоносова важную роль играет гипотеза, которая получает свое подтверждение по мере развития науки:
«Надо напомнить, что я при объяснении явлений буду поступать так, чтобы не только они легко объяснялись из основного положения, но и доказывали самое это положение» 3).
Таким образом, по Ломоносову, научный метод не есть метод, разработанный Декартом, согласно которому сначала устанавлива ются самые основные принципы, а затем из них выводятся след ствия. Это и не индуктивный метод, установленный Бэконом, когда исследователь должен постепенно переходить от частности ко все более и более общим положениям. По Ломоносову, научный метод должен включать и дедукцию, и индукцию, и синтез, и анализ как неотъемлемые части единого процесса познания.
В своих воззрениях на окружающую действительность Ломоно сов исходил из принципа материального единства природы и суще ствования связей между отдельными вещами и явлениями. Об этом свидетельствуют вся его научная деятельность и ряд высказываний. В основу задуманного сочинения, посвященного изложению своих общих философских и естественнонаучных взглядов, Ломоносов хотел положить именно указанный выше принцип. Он набросал план этого сочинения, включая и описание рисунка, который дол жен быть помещен на титульном листе. Этот рисунок имел девиз: «Все согласуется». В самом плане читаем: «Все связано единою силою и согласованием природы», «согласие всех причин есть са мый постоянный закон природы». В программе другого труда, «Микрологии», Ломоносов снова подчеркивает те же идеи; он пи шет: «...голос природы всюду себе подобный», и вновь повторяет: «Согласие всех причин есть самый постоянный закон природы»4).
В научных исследованиях Ломоносов также руководствовался этим принципом. Он стремился изучать отдельные явления приро ды в их связи. Ломоносов искал связь между различными физичес-
____________________________________
1) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. II, с. 353—354.
2) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. IV. с 163.
3) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. I, с. 131.
4) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. III, с 493.
221
кими явлениями, исследовал процессы, при которых происходит переход одних форм движения в другие. В этом отношении он отличался от большинства своих современников, придерживавшихся метафизической концепции невесомых. Он категорически возражал против признания невесомых материй, которые нарушают единство материального мира, разделяют его на отдельные клеточки, не свя занные друг с другом, представляют материальный мир в виде шка фа с многочисленными отделениями, разделенными перегородками.
§ 29. РАБОТЫ ЛОМОНОСОВА ПО ФИЗИКЕ
Исследования Ломоносова в области естественных наук можно рассматривать как построение единой естественнонаучной картины мира на основе выработанных им методологических принципов. В области физики, а также химии задача сводилась к объяснению физических и химических явлений на основе представлений об ато мистическом строении материи.
Первые работы Ломоносова по физике и химии посвящены во просам строения вещества, в них содержалось и его первоначальное представление об атомах и их свойствах. В работах «Элементы ма тематической химии», «Опыт теории о нечувствительных частицах тел и вообще о причинах частичных качеств» Ломоносов излагал самые общие представления о строении материи и о «принципах мироздания» — нечувствительных физических частицах, из кото рых, по его мнению, построено все окружающее. В дальнейшем на основе этих самых общих представлений Ломоносов надеялся объяснить физические и химические явления. При этом само пред ставление об атомах должно было совершенствоваться, уточняться и конкретизироваться. Одними из первых исследований в этом на правлении были исследования, посвященные теории теплоты и га зов (1744—1750). Теория теплоты изложена Ломоносовым в работе «Размышление о причинах теплоты и холода» 1). Где он выступает с критикой теории теплорода, получившей уже широкое распрост ранение. При этом он развивает идеи своих предшественников о кинетической теории теплоты. Согласно Ломоносову, теплота есть вращательное движение «нечувствительных частиц», составляющих тела. На вращательном движении Ломоносов остановился потому, что не признавал сил притяжения, действующих между частицами; он полагал, что в твердом теле частицы должны касаться друг дру га, а так как при нагревании твердые тела сохраняют свой внешний вид, то тепловые движения частиц могут быть только вращательны ми. Отсюда, по его мнению, также следует, что частицы тел должны иметь форму шероховатых шариков. Конечно, Ломоносов неправ в этом конкретном вопросе. Следует, однако, отметить, что идея о том, что тепловое движение является вращательным движением
_____________________________
1) Эта работа Ломоносова опубликована в 1750 г. Она является переработан ным вариантом соответствующей работы 1744 г.
222
частиц тела, встречается в первых работах по кинетической теории теплоты середины XIX в. Так, например, Джоуль в одной из своих работ, относящейся к 1844 г., высказывает точку зрения на теплоту как на вращательное движение молекул тела. Гипотезу о том, что теплота есть вращательное движение частиц тела, широко исполь зовал Ранкин, английский ученый середины XIX в., в частности, для молекулярного обоснования второго закона термодинамики.
Теория теплоты Ломоносова содержит ряд важных вопросов. Так, Ломоносов обосновывал необходимость существования абсо лютного нуля температур с точки зрения понятий кинетической теории теплоты, а не просто исходя из закона теплового расширения газов, как это делал Амонтон. Ломоносов правильно разграничивал понятий температуры и количества теплоты и давал им молекулярно-кинетическое толкование. Он полагал, что температура тела — «степень теплоты» — определяется скоростью движения частиц, тогда как количество теплоты зависит от общего «количества дви жения» этих частиц.
Кинетическая теория газов изложена Ломоносовым в основной работе «Опыт теории упругости воздуха» (1748). В этом сочинении Ломоносов разработал кинетическую модель идеального газа. Она в ряде основных черт совпадает с моделью, которая была затем принята в физике. Главное отличие модели Ломоносова от приня той впоследствии заключалось в механизме взаимодействия. Ломо носов не считал молекулы воздуха упругими шариками, как это было принято в кинетической теории газов в XIX в. Это объясня лось его взглядами на теплоту как на вращательное движение, а с другой стороны, тем, что Ломоносов считал молекулами газа «не чувствительные частички», которые, как он полагал, были «кирпи чами» мироздания, лишенными физического строения, абсолютно твердыми и неделимыми. Поэтому он не мог принимать их упруги ми, так как в этом случае ему пришлось бы объяснять их упругость, значит, рассматривать их как объекты, обладающие определенным строением, что противоречило признанию их «кирпичами мирозда ния». Ломоносов предположил, что частицы отталкиваются друг от друга так же, как отталкиваются два вращающихся волчка, когда они соприкасаются. Вращение же частичек газа обусловливается тем, что газ всегда нагрет до определенной температуры. Построив модель газа, Ломоносов объясняет с ее помощью ряд явлений. Так, например, он объяснил зависимость, существующую между объ емом и упругостью воздуха, т. е. закон Бойля—Мариотта. При этом Ломоносов отметил, что для сильно сжатого воздуха этот за кон не соблюдается, и правильно указал одну из причин этого — конечный размер молекул воздуха. Как известно, эта идея Ломоно сова была применена во второй половине XIX в. Ван-дер-Ваальсом при выводе уравнения состояния реальных газов.
Представления о молекулярном строении газов, которые разви вал Ломоносов, не являлись совсем новыми. До Ломоносова уже Даниил Бернулли, исходя из молекулярных представлений, объяс нил закон Бойля — Мариотта. Однако следует отметить, что никто
223
из предшественников Ломоносова не разработал так обстоятельно молекулярную модель газа и не связал ее с кинетической теорией теплоты, как он. Исследования Ломоносова по теории теплоты и га зов были напечатаны в академических записках «Novi Commentarii» в 1750 г. Реакция на них была в основном отрицательная; тео рию теплоты Ломоносова даже специально опровергал немецкий физик Арнольд, который защищал вещественную теорию теплоты. Теория теплоты Ломоносова обсуждалась и позже. Так, в солидном немецком физическом словаре Геллера «Geller's physikalische worterbuch», изданном в первой половине XIX в., встречается описание теории Ломоносова. При этом ей дается отрицательная оценка {правильной автор признает теорию теплорода).
Многие работы Ломоносова посвящены исследованию оптиче ских и электрических явлений. Проводя эти исследования, Ломоно сов помимо получения конкретных научных результатов стремился к дальнейшему выполнению своего общего плана — построению си стемы физических наук на основе выдвинутых им принципов. Из работ Ломоносова по оптике и электричеству известны: «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» (1753), «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее» (1756) и «Теория электричества, изложенная ма тематически» (1756). Первые две работы были в свое время опуб ликованы, последняя же осталась незаконченной и не была напеча тана. Ломоносовым написаны также работы, содержащие описание сконструированных им оптических и электрических приборов. Об исследованиях Ломоносова по оптике и электричеству можно су дить и по его многочисленным заметкам и записям. Для объяснения сущности оптических и электрических явлений, как и для объясне ния сущности тепловых явлений, Ломоносов не привлекал невесо мые материи. Кроме обычной материи, из которой состоят все весо мые тела, он принимал еще только эфир, движением частиц которо го он пытался объяснить свойства света и электричества.
Ломоносов был противником корпускулярной теории света и защищал волновую теорию. Он приводил ряд соображений, свиде тельствующих в пользу волновой теории. Ломоносов, например, указывает, что с точки зрения корпускулярной теории света непо нятно, как могут световые лучи одновременно пронизывать какое-либо прозрачное тело в разных направлениях, не мешая друг другу. Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так что тысячи пучков света будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будет мешать другому. По мнению Ломоносо ва, этот факт противоречит корпускулярной теории света, в волно вой же теории он объясняется сам собой, так как волны проходят в разных направлениях через одну и ту же точку пространства, не ме шая друг другу. Ломоносов высказывает интересные соображения:
«Тоже наглядно показывают волны вод: а именно, если при спокойном воз духе бросить в разные места водной поверхности камни, то каждый в отдельности вызывает собственные волны, которые направляются прямо от точки падения
224
во все стороны и, встречаясь друг с другом, не останавливаются и не возму щаются, но продолжаются до тех пор, пока приложенная сила не притупится по другим причинам» 1).
Если бы Ломоносов остановился на данном вопросе подробнее и рассмотрел случай встречи волн, приходящих в одну точку в раз личных фазах, то весьма возможно, что он пришел бы к принципу интерференции волн, который был открыт английским физиком Юнгом позднее, на рубеже XVIII — XIX вв.
Ломоносов сформулировал и другое интересное возражение про тив корпускулярной теории света. Возьмите песчинку, говорит он, и положите ее на солнце. В эту песчинку, по теории Ньютона, поте кут световые частицы. Как бы долго ни продержать на солнце эту песчинку, но если затем ее унести в темное помещение, она нисколь ко не будет светиться. Спрашивается: куда же деваются все свето вые частицы, которые попали в песчинку? Ведь они не отражались от нее, так как черные тела поглощают все световые лучи, падающие на них.
«Черные материи, — пишет Ломоносов, — приходящих к себе лучей ни на зад не отвращают, ни сквозь себя не пропускают» и добавляет: «Скажите мне, любители и защитители мнения о текущем движении материи, свет производящия, куда она в сем случае скрывается?»2)
Это возражение против корпускулярной теории света являлось весьма существенным. Особый же интерес его заключается в том, что Ломоносов здесь касается явления поглощения света. Оказыва ется, его интересовал вопрос поглощения света и, более того, вопрос связи между поглощательной и излучательной способностями тел. Прежде всего Ломоносов подчеркивал, что от раскаленного тела распространяется не только свет, но и тепловые лучи. Он установил, что тела имеют разную поглощательную и отражательную способ ность для света и тепловых лучей. Он, например, писал, что лучи Солнца, будучи отражены от Луны и собраны в фокусе зажигатель ного стекла, хотя «светят весьма живо и ясно, но теплоты чувстви тельной не производят»3), и объяснял это тем обстоятельством, что от поверхности Луны хорошо отражаются световые лучи и плохо — тепловые. Ломоносов также указывал на опыт, проделанный им самим. Он писал:
«Зажигательное сильное зеркало, покрытое черным лаком, производит в зажи гательной точке свет превеликий, жару — ни мало, ясно показывая, что коловратпое движение эфира в черной материи утомилось, зыблющееся беспрепятст венно осталось» 4).
По гипотезе Ломоносова, световые лучи являются волнами в эфире, а тепловые — распространением вращательного движения
________________________________________________
1) Ломоносов М В. Полн. собр. соч. Т. III, с. 321.
2) Там же, с 321.
3) Там же, с 326.
4) Там же, с. 338.
225
его частиц, следовательно, он утверждает, что световые лучи хоро шо отражаются от упомянутого зеркала, а тепловые — поглоща ются им.
В истории физики считается, что понятие теплового излучения или лучистой теплоты было введено шведским ученым Шееле в 1771 г. Упомянутое выше исследование Ломоносова дает нам право зачислить Ломоносова в число предшественников Шееле и других более поздних ученых, исследовавших свойства теплового излучения.
Следует отметить еще одно интересное обстоятельство. Ломоно сов не считал световые волны волнами сгущения и разрежения эфирной среды, подобно звуковым волнам. В случае звука, по мне нию Ломоносова, подобные волны могут иметь место, так как час тицы воздуха находятся на «чувствительных» расстояниях друг от друга, между тем как частички эфира соприкасаются между собой. В качестве подтверждения этой гипотезы Ломоносов приводит факт несравненно большей скорости распространения света по сравне нию со скоростью звука. Как видно из его рассуждений, он мыслил световые волны поперечными. Он писал:
«Пусть будет движение в частицах эфира таким порядком, что когда ряды их ab и ef тряхнутся от а и е к b и f, в то самое время ряды cd и hi тряхнутся в противную сторону из d и i к с и h. Через сие должно воспоследовать сраже нию частиц и движению в стороны s и q ближних частиц эфира и так повсюду свет разливается и со всех сторон видим быть может» 1) (рис. 43).
В области исследования электрических явлений главная заслуга Ломоносова заключается в разработке теории атмосферного элект ричества на основании экспериментальных исследований с атмо сферным электричеством. Эти исследования он сначала проводил совместно с Рихманом, после того как в Петербурге стали известны работы Франклина. Летом 1753 г. произошла трагическая смерть
Рихмана от шаровой молнии во вре мя опытов с атмосферным электри чеством. Ломоносов продолжал на чатые исследования, эксперименти руя с «громовой машиной», которая представляла собой установленный на крыше дома или дереве желез ный шест, от которого в комнату проводилась проволока. В результа те этих опытов, а также предшест вующих исследований атмосферных явлений Ломоносов разработал тео рию образования атмосферного элек тричества, согласно которой в ат мосфере имеют место восходящие и нисходящие потоки воздуха. В ре-
Рис 43
_______________________________
1) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. III, с. 123—125.
226
зультате происходит трение между «горючими шариками» (т. е. испарениями) в восходящих потоках и парами воды в нисходящих. Эти «горючие шарики» и пары воды, электризуясь трением, созда ют в атмосфере (вследствие громадного их числа) огромные элек трические заряды. Если отвлечься от механизма электризации и от представления о носителях электрических зарядов, то теория Ло моносова, несомненно, отражает действительность.
Ломоносов не разработал подробно теории электрических явле ний вообще. Однако, на основании отдельных его высказываний, а также незаконченной работы «Теория электричества, изложенная математически» можно составить представление о его взглядах на природу электрических явлений. Прежде всего, Ломоносов не счи тал нужным привлекать представления об особой электрической жидкости и дальнодействующих силах для объяснения электриче ских явлений. Их сущность он видел в движении того же самого эфира, движением которого он объяснял оптические явления. По мнению Ломоносова, электрические явления объясняются враща тельным движением частиц эфира. Такого рода движение весьма легко возбуждается трением, и оно способно передаваться внутри «чувствительных тел» частичками эфира, заключенными в порах этих тел. Если же такое движение передается эфиру, окружающему обычные тела, то в соответствии с взглядами Ломоносова, имев шими место в оптике, должны происходить явления, связанные с выделением тепла и излучением света (например, может проскаки вать искра; наблюдаться свечение в «шаре, из которого вытянут воздух», и т. д.). Ломоносов замечает:
«Сим орудием электрическая сила действует и ясно представлена, истолко вана и доказана быть может без помощи непонятно вбегающих и выбегающих без всякой причины противным движением чудотворных материй» 1).
Эти мысли о существе электрических явлений очень интересны. В них можно видеть предвосхищение идеи, на основе которой Макс велл построил теорию электромагнитного поля. Последний также считал, что электрические явления — результат движений, происхо дящих в эфире. Для этих движений Максвелл построил механиче скую модель, которая, хотя и не была столь примитивной, но, как и модель Ломоносова, основывалась на чисто механических представ лениях о строении эфира и движениях, происходящих в нем. Поэто му можно считать, что Ломоносов стоял у истоков направления в учении об электричестве, которое во второй половине XIX в. приве ло Максвелла к созданию теории электромагнитного поля.
Нельзя также не отметить, что, по Ломоносову, и свет, и элект ричество происходят в результате движения одного и того же эфи ра, так что их природа одинакова. В этом отношении Ломоносова также можно считать предшественником Максвелла, разработав шего электромагнитную теорию света.
___________________________________
1) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. III, с. 330.
227
Особенно ценным является то обстоятельство, что идея о еди ной природе электрических и оптических явлений у Ломоносова не являлась простым «измышлением». Можно утверждать, что он при шел к ней в результате ряда проделанных им самим опытов. В за метках Ломоносова есть немало записей его наблюдений или ука заний на предполагаемые опыты, имеющие целью исследовать связь между электрическими и оптическими явлениями. Так, на пример, Ломоносов собирался «отведать в фокусе зажигательного стекла или зеркала электрической силы»; «испробовать, будут ли цвета радуги ярче в горячей воде или холодной или наоборот. То же в воде наэлектризованной и простой». Цель очень интересного опыта, который Ломоносов собирался проделать, — выяснение свя зи между электричеством и светом; он заключался в проверке, «бу дет ли луч света иначе преломляться в наэлектризованном стекле и воде?» Подобный эксперимент, как известно, проделал в 1875 г. Керр, который установил явление двойного лучепреломления в электрическом поле.
Характерная черта Ломоносова — стремление установить связь не только между электрическими и оптическими явлениями, но и ис следовать связи между физическими явлениями различной приро ды, а также между физическими и химическими явлениями. Опти ческие и электрические опыты, по мнению Ломоносова, следовало проводить для выяснения свойств не только света и электричества, но и свойств самих тел, их молекулярного строения, химического состава и т. д. И наоборот, химические исследования были призва ны помочь выяснению природы света и электричества. Вообще, экспериментальные исследования по Ломоносову, следует ставить так, чтобы изучение одних явлений было связано с изучением других.
В планах опытных исследований Ломоносова встречается мно жество предполагаемых экспериментов подобного рода. Например: «будет ли наэлектризованное олово плавиться при меньшей степе ни огня?»; «изучать преломление солнечных лучей в растворах сравнительно с таковым в воде»; «приносит ли что-нибудь элект рическая сила к растворению солей?»; «каков будет цвет электри ческих искр и пламень, вызванный в растворах солей и в соляных жидкостях?»; «наблюдать, способствует ли электрическая сила кристаллизации или мешает» и т. д. Подобные опыты не были ха рактерны и общеприняты для времени, когда жил Ломоносов. Они приобретают значение в физике XIX в, когда перед ней встали но вые задачи исследования связей между различными физическими явлениями.
Занимаясь построением физической картины мира, Ломоносов не мог, конечно, не задуматься над рядом общих проблем и вопро сов физики, таких, как понятие силы, массы, законов сохранения, природы гравитации и т. п. Об этом можно судить по некоторым законченным работам, а также заметкам, письмам и т. д. Прежде всего Ломоносова очень интересовал вопрос о законах сохранения физических величин. Он полагал, как мы видели выше, что в при-
228
роде действуют законы сохранения ряда физических величин, в частности закон сохранения материи и закон сохранения дви жения, и в понимании этих законов он стремился внести новые идеи.
В общей форме закон сохранения материи был высказан в наи более последовательной и явной форме древними учеными и фило софами, придерживающимися атомистической гипотезы, как сохра нение общего числа атомов при всех изменениях, происходящих в природе. Естествоиспытатели XVII и XVIII вв., следовавшие ато мистической гипотезе, восприняли и представление о законе сохра нения материи. Введенное Ньютоном понятие массы как количества материи и установление факта пропорциональности ее весу позво лили придать общему представлению о сохранении материи кон кретную форму естественнонаучного закона — закона сохранения массы или веса при всех процессах, происходящих с материальны ми телами, и в первую очередь, при химических процессах. Однако установлению этого конкретного естественнонаучного закона меша ла вера в существование всевозможных невещественных материй (материи огня, теплорода и т. п.), а также представление о горючем начале —«флогистоне», которое широко использовали химики в XVIII в. Согласно теории флогистона, тела, способные гореть, пред ставляли собой соединение флогистона с окислом. При горении флогистон выделяется, оставляя окисел. Для того чтобы сделать шаг к установлению закона сохранения вещества или массы при химических реакциях, нужно было знать, весомы или невесомы эти гипотетические материи. По этому вопросу существовали раз личные мнения, экспериментальные результаты толковали по-раз ному.
Из экспериментов было известно, что при сгорании какого-либо количества вещества образующиеся окислы имеют больший вес, нежели исходный продукт. Еще в 1673 г. Бойль опубликовал ре зультаты своих опытов с обжигом свинца. Он нагревал запаянную реторту со свинцом, взвешенным до нагревания. Взвешивая затем обожженный свинец, он обнаружил увеличение веса. Из этого опы та Бойль сделал заключение, что во время нагревания через стенки сосуда внутрь проникала «материя огня», которая, соединяясь со свинцом, превращала его в окалину и увеличивала вес. В дальней шем, когда химики стали придерживаться теории флогистона, ре зультаты опыта Бойля нужно было объяснить тем, что при нагре вании из свинца удаляется флогистон, который имеет отрицатель ный вес.
В своей работе «Размышление о причине теплоты и холода» Ло моносов не согласился с бойлевским объяснением увеличения веса прокаливаемого металла. Он высказал мысль, что такое увеличение веса можно объяснить, например, соединением металла с окружаю щим воздухом, заключенным в реторте. Он писал, что все опыты Бойля «над увеличением веса при действии огня сводятся к тому, что весом обладают либо пасти пламени, сжигающего тело, либо части воздуха, во время обжигания проходящего над прокалива-
229
емым телом» 1). В 1756 г. Ломоносов повторил опыт Бойля. Но он взвешивал уже запаянную реторту, в которой находился этот ме талл после обжига. При этом он нашел, что общий вес реторты с металлом при прокаливании не изменяется. В отчете о своей дея тельности за этот год он писал:
«...между разными химическими опытами, которых журнал на 13 листах, де ланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару; оными опытами нашлось, что слав ного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере» 2).
Этот опыт показывал, что общий вес веществ до химической ре акции и после не изменяется; тем самым, по существу, устанавли вался закон сохранения веса при химических реакциях, являющий ся первым конкретным выражением общего закона сохранения ма терии.
В 1774 г. Лавуазье опубликовал работу, в которой описал опыты, аналогичные опытам Ломоносова. Он, как и Ломоносов, установил, что общий вес реторты с металлом до нагревания и после не изме нялся. Кроме того, он установил, что величина, на которую увели чился вес металла с окалиной, и величина, на которую уменьшился вес воздуха в реторте, равны. Результаты этих опытов Лавуазье считал доказательством ложности теории флогистона; в 1789 г. он сформулировал и опубликовал закон сохранения вещества при хи мических реакциях, рассматривая его как выражение принципа сохранения материи. Ломоносов не опубликовал результаты сво их опытов с обжигом металла, поэтому его причастность к установ лению закона сохранения вещества была установлена только в на шем столетии. Возникает вопрос, почему Ломоносов не обнародо вал свои экспериментальные наблюдения. Вряд ли это можно объяснить боязнью выступить против авторитета Бойля. Ломоносов не был склонен умалчивать свои достижения в области наук, рас сматривал их не только как свой личный успех, но и как успех мо лодой русской науки. Ответ, как нам представляется, нужно искать во взглядах Ломоносова на строение материи и на понятие массы и веса тела. Ломоносов был противником принципа дальнодействия и верил в существование «тяготительной материи», которая обус ловливает вес тела или силу тяготения тела к другим телам. В та ком случае сила тяготения, как казалось Ломоносову, должна за висеть не только от количества материи самого тела (понимая под количеством материи количество материала), заключенного в авто-мах этого тела, но и от их расположения. Именно вес тела должен определяться поверхностью частиц, образующих тело, на которые материя тяжести действует. В письме к Эйлеру еще в 1748 г. он писал:
______________________________
1) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. 11, с. 47. 2) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. X. 1957. с. 392.
230
«При попытках привести к достоверности начала химии и все, что широко распространено в области углубленной физики, мне преграждает путь общепри нятое мнение, считающееся у большинства аксиомой, что плотность свя занной материи тел пропорциональна их весу. Что это спра ведливо для тел однородных, я признаю без колебаний... Я изъявляю полное согласие, когда читаю у выдающегося мужа Исаака Ньютона: воздух удво енной плотности в удвоенном пространстве делает ся четверным, в утроенном — шестерным; то же самое предполагаю для снега или порошков, уплотненных сжатием или приведением в жидкое состояние (Матема тические начала натуральной философии, опред. I). Но не могу согласиться с высказываемым в конце общим заключением, что «масса познается по весу каж дого тела» 1).
Значительно позже в работе «Об отношении количества мате рии и веса» Ломоносов вновь высказывается в том же духе. В этой работе он опирается на гипотезу существования «тяготительной ма терии», из чего, по его мнению, следует, что «удельный вес тел из меняется пропорционально поверхностям, противопоставляемым тяготительной жидкости непроницаемыми для нее корпускулами» 2). Вследствие этого, утверждает он, «количество материи не будет пропорционально тяжести»3). Наконец, о взглядах Ломоносова на этот вопрос имеется свидетельство Румовского (ученика Эйлера), который в письме к своему учителю писал, что Ломоносов доказы вает, будто «тяжесть тел не пропорциональна количеству вещест ва» и что он находит в рассуждениях Ньютона и других физиков погрешность, называемую «circulus», «когда они хотят доказать, что тяжесть тел пропорциональна количеству вещества»4).
Принимая во внимание приведенные высказывания, можно сде лать вывод, что, по мнению Ломоносова, закон сохранения веса не мог служить выражением сформулированного им общего закона сохранения материи. Более того, согласно Ломоносову, должна существовать известная трудность в объяснении факта сохранения общего веса при химических реакциях. Весьма возможно, что имен но такого рода сомнения помешали ему опубликовать установлен ный закон сохранения веса при химических реакциях.
Общий закон сохранения, о котором писал Ломоносов, включает и закон сохранения движения. К этому времени уже были установ лены закон сохранения количества движения и закон сохранения живых сил и еще продолжался спор, который из этих законов явля ется выражением сохранения и неуничтожимости движения в при роде. Ломоносов не мог пройти мимо этого спора. Он указывал, что вопрос о мере движения является нерешенным:
«Самые первые начала механики, а тем самым и физики, еще спорны, и... наиболее выдающиеся ученые нашего века не могут прийти к соглашению о них.
________________________________________________
!) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. II, с 173—175.
2) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. III, с. 367.
3) Tам же.
4) Пекарский П. П. История Императорской Академии наук в Петербур ге, Т. II, СПб., 1873, с. 600
231
Самый явный пример этого — мера сил движения, которую одни принимают в простом, другие — в двойном отношении скорости»1).
Как решал этот вопрос сам Ломоносов, можно только догады ваться. Румовский в письме к Эйлеру писал:
«Г. Ломоносов хочет издать рассуждения, которыми намеревается ниспро вергнуть все, что до сих пор успели открыть, потому что он доказывает... что количество движения не пропорционально массе, помноженной на квадрат скорости» 2).
В другом письме он же сообщает, что Ломоносов для решения вопроса о мере движения демонстрировал какой-то опыт, «произ веденный при помощи малого колеса, помещенного в канал, через который текла вода»3). На основе этих высказываний может пока заться, что Ломоносов в вопросе о мере движения следовал карте зианцам, полагая, что в природе сохраняется количество движения. Однако это поспешный вывод. Мнение Ломоносова на этот счет, по-видимому, было более глубоким и оригинальным. Можно предпо лагать, что он считал необходимым при определении меры движе ния макроскопического тела учитывать не только массу и скорость этого тела, но и скорость и массу эфира, приводимого в движение телом, поскольку оно окружено и пронизано им. В работе «Об отно шении количества материи и веса» он пишет:
«Действительно, допустив плотный эфир, окружающий все тела и наимень шие частицы тел, никоим образом нельзя решить и точно определить, сколько сопротивления надо приписать собственной материи движущегося тела и сколь ко сопротивляющемуся эфиру» 4).
Взгляды и рассуждения Ломоносова чрезвычайно интересны, так как он предвосхищает идеи, получившие развитие лишь на ру беже XIX—XX вв. в связи с развитием электронной теории. (Име ется в виду первоначальное толкование понятия электромагнитной массы как величины, определяемой собственной массой тела и массой эфира, приводимого в движение. Именно так и понимали сначала зависимость инертной массы заряженного тела от его ско рости.)
Ломоносову принадлежат многие конкретные исследования по различным вопросам физической науки; известны его работы по конструированию разных оптических инструментов. Работая над усовершенствованием зеркального телескопа Ньютона, он разрабо тал свою оригинальную конструкцию этого прибора. Он изобрел также оригинальную зрительную трубу для наблюдения при пло хом освещении, названную им «ночезрительной трубой». Она имела
___________________________________
1) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. III, с 354.
2) Пекарский П. П. История Императорской Академии наук в Петербур ге. Т. II, СПб., 1873, с. 600.
3) Там же. с. 601.
4) Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. Т. III, с. 353.
232
объектив большого размера, давала хорошее увеличение, ее выход ной зрачок не превышал зрачка человеческого глаза в темноте. С. И. Вавилов, рассмотрев проект «ночезрительной трубы», пока зал, что идея Ломоносова была правильной и основывалась на свойстве человеческого глаза, разрешающая способность которого уменьшается при слабом освещении. Ломоносов конструировал и другие оптические приборы: фотометры, рефрактометры, микроско пы и т. д. Он разработал конструкцию ряда приборов для электри ческих, тепловых и других измерений. Ломоносов создал многие метеорологические, навигационные, гравиметрические приборы и т. д.1)
§ 30. ОБЩАЯ ОЦЕНКА ЛОМОНОСОВА КАК ФИЗИКА
Как было показано, физические воззрения, стремления в обла сти физики, методологические взгляды Ломоносова отличались от взглядов подавляющего большинства современных ему ученых. В отличие от ньютонианцев Ломоносов в своих физических иссле дованиях широко использовал гипотезы. Он был противником концепции невесомых, которой придерживались многие физики его времени. Он не признавал дальнодействующих сил, которые все в большей степени применяли для объяснения физических явлений.
Ломоносов выработал методологию, свои принципы, на основе которых старался построить все здание физической науки. В сво ем методе он сочетал теорию и эксперимент, индукцию и дедукцию, а также широко использовал научную гипотезу. Он искал общее в различных физических процессах, исходя из идеи единства физи ческого мира. Эйлер так писал о Ломоносове:
«В наше время такие умы весьма редки, ибо большинство остается при од них опытах и нисколько не хотят о них рассуждать, другие же пускаются в та кие нелепые рассуждения, которые противны всем основам здравого естество знания» 2).
Своеобразие Ломоносова как ученого определялось, как уже подчеркивалось выше, особенностями русской действительности то го времени, а также тем, что его научное мировоззрение складыва лось иначе, чем у других ученых его времени. Ломоносов пришел в науку уже зрелым человеком, поэтому мог оценить ее состояние с более независимых позиций, нежели его современники. Он осозна вал стоящую перед ним, первым русским академиком, задачу — изменить положение науки в России. Эйлер, Даниил Бернулли и др., правда, уже вели научные исследования в Петербургской Академии наук на высоком уровне, однако они лишь продолжали развивать науку в тех направлениях, в которых она развивалась в
____________________
1) С Ломоносовым как создателем приборов можно познакомиться в книге: Литинецкий И. Б. М. В. Ломоносов — основоположник отечественного при боростроения. М.— Л., Гостехиздат, 1952.
2) Билярский П. С. Материалы для биографии Ломоносова. СПб., 1865. с. 248.
233
это время на Западе. Работая над теми же проблемами, следуя тем же традициям, что и их коллеги на Западе, иностранные академи ки были оторваны от русского народа, его интересов, их не могла волновать борьба передовых русских людей за развитие своей культуры и экономики. Ломоносов же всю жизнь боролся с «непри ятелями наук российских», восставал против иностранного засилья в Академии наук, против царских бюрократов и чиновников, тор мозивших развитие науки и образования в России, против церкви, которая мешала распространению естественнонаучных знаний сре ди русского народа, и т. д. Для успешного развития науки и просве щения в России необходимо было, однако, не только решить орга низационные вопросы, не только защитить науку от ее врагов. Успех ее развития зависел также и от теоретического фундамента, от тра диций, на основе которых она должна развиваться в дальнейшем. Ломоносов и ставил перед собой задачу заложить такой теоретиче ский фундамент, такие традиции. Вместе с тем Ломоносов пере смотрел все современные ему науки, в частности физику, подвел итог всему, что было сделано в ней до него, и одновременно наме тил дальнейший путь развития. Его взгляд на состояние физики того времени был несравненно шире, чем у его современников. Он опередил свое время и в своих работах предвосхитил последующее развитие физики.
Современники Ломоносова не понимали и не могли оценить его основные физические идеи, правильность намеченного направления в науке (не были оценены его работы по кинетической теории теп лоты и газов, им были чужды идеи Ломоносова в области оптики, теории электричества и т. д.). Им также были чужды основные принципы, следуя которым Ломоносов развивал свои физические исследования. Только взгляды Эйлера были близки Ломоносову.
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
ПЕРИОД ПОДГОТОВКИ И УСТАНОВЛЕНИЯ
ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ
ЭНЕРГИИ (ПЕРВАЯ ПОЛОВИНА XIX B.)
ГЛАВА VIII ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРИОДА
§ 31. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОРИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
Первая половина XIX в. характеризуется дальнейшим все более убыстряющимся ростом капитализма в Европе и Америке. К Гол ландии и Англии, уже развитым капиталистическим странам Евро пы, присоединилась Франция, в которой после буржуазной рево люции победил капитализм. В других европейских странах продол жался рост капиталистических элементов, более быстрый, чем прежде. Французская революция, а затем наполеоновские войны способствовали разложению феодализма и развитию капитализма в тех странах.
В начале XIX в. в передовых странах Европы капитализм всту пил в фазу зрелости. Произошел переход от мануфактуры к круп ной машинной индустрии. Все более сильно проявлялись противо речия, свойственные буржуазному обществу. Маркс и Энгельс в 1848 г. писали:
«Вот уже несколько десятилетий история промышленности и торговли пред ставляет собой лишь историю возмущения современных производительных сил против современных производственных отношений...» 1)
Это возмущение производительных сил против производственных отношений уже в 1825 г. вылилось в промышленный кризис в Англии. Кризисы становятся необходимым спутником капитализма. Основной момент политической борьбы в передовых капиталисти ческих странах — борьба пролетариата против буржуазии. Уже в 30—40-е годы «Англия дала миру первое широкое, действительно массовое, политически оформленное» пролетарски-революционное
____________________________
1) Маркс К.» Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е. Т. 4, с 429.
235
движение...»1) — чартистское движение. В июньские дни 1848 г. пролетариат Франции вступил в жестокую борьбу с буржуазией. Эти дни, по словам Маркса, были «первой великой битвой между обоими классами, на которые распадается современное общество. Это была борьба за сохранение или уничтожение буржуазного строя»2). Наконец, пролетарское движение в 40-х годах получило свою научную теорию. В 1848 г. в свет вышел «Манифест коммуни стической партии» К. Маркса и Ф. Энгельса.
§ 32. ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ТЕХНИКИ ПЕРВОЙ ПОЛОВИНЫ XIX В.
В первой половине XIX в. быстро развивается крупная машин ная индустрия. Ее энергетическая основа — паровая машина, изобретенная еще в предыдущем столетии. Паровая машина стано вится также универсальным двигателем. Она применяется не толь ко на промышленных предприятиях, но и на транспорте, приобре тая все большее значение в технике. В 1807 г. в Америке Фультоном был построен первый практически пригодный пассажирский пароход (рис. 44). К 30-м годам уже налаживаются регулярные речные, морские и океанские пароходные сообщения. Паровую ма шину устанавливают на военных кораблях, ее используют в качест ве двигателя и на сухопутном транспорте. Первая железная дорога [с локомотивом Стефенсона (рис. 45)] была открыта в 1825 г. в Анг лии, а затем и в других странах. В течение короткого времени сеть железных дорог покрыла территорию Европы и Северной Америки. В технике развивается новая отрасль — теплотехника, которая на чинает оказывать влияние на развитие физики.
Еще быстрее, чем в XVIII в., развиваются различные отрасли промышленности: металлургическая, горнодобывающая, химиче ская, металлообрабатывающая и т. д. Усовершенствование техники (внедрение новых технологических методов, улучшение организа ции производства) является характерным для машинной индуст рии.
Важный момент для развития физики в первой половине ХIХ в. — применение электричества в технике. Именно в это время зарождается электротехника. Прежде всего, электричество исполь зуют для связи. Вскоре после открытия Эрстедом в 1819 г. действия электрического тока на магнитную стрелку возникает идея по строить электромагнитный телеграф. В 1832 г. в Петербурге уже де монстрировался первый, практически действующий телеграф русско го изобретателя П. Л. Шиллинга. Быстро появляются другие конст рукции телеграфа. Американский изобретатель Морзе создает наиболее совершенную конструкцию электромагнитного телеграфа. В 1844 г. в Соединенных Штатах Америки была построена первая телеграфная линия, а в конце 40-х годов в Америке их было уже
______________________________
1) Ленин В. И. Полн. собр. соч. Изд. 5-е. Т. 38, с. 305. 2) Маркс К., Энгельс Ф., Соч. Изд. 2-е. Т. 7, с. 29.
236
Рис 44. Пароход, построенный Фультоном
Рис. 45. Один из первых паровозов Стефенсона
несколько десятков. Телеграфные линии начинают появляться и в Европе.
Были предприняты первые попытки использования электричест ва в качестве двигательной силы. Возникает новая область электро техники— гальванопластика, изобретателем которой был русский академик Б. С. Якоби. Говоря о технике первой половины XIX в., следует упомянуть о фотографии. Первый практически примени мый метод получения фотографических снимков (так называемый метод дагерротипий) был разработан французом Дагером в 1839 г. Позитивное изображение получалось на стеклянной пластинке, по крытой светочувствительной пленкой. Метод Дагера, несмотря на его несовершенство, быстро получил распространение. В 50-х годах его заменяет обычный метод фотографирования. Изобретение фо тографии и ее развитие оказали несомненное влияние на развитие оптики, а в дальнейшем и на другие разделы физики, особенно пос ле того, как фотографию стали широко применять в эксперимен тальных исследованиях.
§ 33. РАЗВИТИЕ КАПИТАЛИЗМА И ФИЗИКА
Быстрое развитие капитализма способствовало прогрессу есте ствознания и особенно физико-математических наук. Крупная ма шинная индустрия все более нуждалась в услугах естественных наук, ставших подлинной «духовной потенцией» производства. Нау ка целиком ставится на службу капитала. Философы и социологи того времени ясно понимали это. Так, например, виднейший пред ставитель утопического социализма Сен-Симон в «Катехизисе про мышленников» писал:
«…ученые оказывают чрезвычайно важные услуги промышленному классу; но они получают от него еще более важные услуги; они получают от него су ществование; не кто иной, как промышленный класс, удовлетворяет все их примитивные потребности, равно как их разнородные физические наклонности; он же доставляет им инструменты, необходимые им для выполнения своих работ» 1).
О положении науки в буржуазном обществе впервые ясно и чет ко сказано в «Манифесте» Маркса и Энгельса:
«Буржуазия лишила священного ореола все роды деятельности, которые да тех пор считались почетными и на которые смотрели с благоговейным трепетом. Врача, юриста, священника, поэта, человека науки (курсив мой. — Б. С.) она пре вратила в своих платных наемных работников»2).
Буржуазия, понимая значение естествознания для промышлен ности, транспорта, связи, военной техники и т. д., материально и организационно способствует ее развитию. Создавались различно го рода научные и научно-технические общества, комиссии и т. д.,
________________________________
1) Родоначальники позитивизма. Вып. 2. Сен-Симон, Ог. Конт. Спб., 1910. с. 162.
2) Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е. Т. 4, с. 427.
238
субсидируемые правительствами и капиталистами; быстро увеличи валась сеть технических учебных заведений, готовящих инженеров и техников. Возник новый слой интеллигенции — научно-техниче ская интеллигенция, игравшая все большую роль в производствен ной практике. В Англии наряду с Королевским обществом (старей шим научным учреждением) в 1799 г. возник Королевский инсти тут, имевший своей целью «распространение познания и облегчение широкого введения полезных механических изобретений и усовер шенствований и обучение посредством курсов философских лекций и экспериментов приложению науки к общим целям жизни» 1). Пер вый директор этого института английский химик и физик Дэви организовал единственную в своем роде химико-физическую лабора торию. В этой лаборатории впоследствии работал Фарадей. Здесь он сделал свои знаменитые открытия в области электричества и магнетизма, а также электрохимии. В 1831 г. в Англии организуется «Британская ассоциация содействия прогрессу науки», имевшая в своем составе несколько тысяч членов. Ассоциация финансировала научно-исследовательские работы по различным отраслям естест вознания.
Особенно ярко значение буржуазного строя для развития науки в рассматриваемый период можно видеть на примере Франции ре волюционного и послереволюционного времени. Оценивая значение Французской революции, Ленин писал:
«...она сделала так много, что весь XIX век, тот век, который дал цивили зацию и культуру всему человечеству, прошел под знаком французской ре волюции» 2).
Французская революция, давшая могучий толчок производи тельным силам страны, уже тем самым необычайно способствовала развитию науки, особенно естествознания. Однако дело не только в этом. Освободив Францию от оков феодализма, Французская ре волюция освободила от них и науку, расчистив новый путь для ее развития. Уже в период революции правительство Франции взялось за реорганизацию научных и учебных учреждений страны и, прежде всего Французской Академии. До этого времени Французская Ака демия наук была на службе короля, который назначал академиков, исключал неугодных, распоряжался финансами и т. д. Народ Франции относился к Академии наук враждебно. Эта враждебность еще больше усилилась в связи с тем, что некоторые академики стали на сторону контрреволюции, а некоторые эмигрировали за границу. В 1792 г. Академия наук была закрыта, а вместо нее и ряда других академий (живописи и скульптуры, архитектуры и др.) в 1795 г. был открыт Национальный институт наук и искусств, пе реименованный в 1806 г. в Институт Франции. Ведущее место в Институте занимали физико-математические науки. Положение об Институте и его деятельности свидетельствует, что он был несрав-
________________________________
1) Бернал Дж. Наука в истории общества. М., ИЛ, 1956. с. 300. 2) Ленин В. И. Полн. собр. соч. Изд. 5-е. Т. 38. с. 367.
239
ненно демократичнее и ближе к практической жизни, нежели ста рая академия.
Коренная реорганизация была проведена и в области образова ния. На первый план были выдвинуты учебные заведения, давав шие среднее или высшее техническое образование. Они были отде лены от церкви, и основное место в них было отведено естественным дисциплинам. В 1795 г. открылась знаменитая Политехническая школа, заслужившая всемирную славу. Она была хорошо оборудо вана и укомплектована лучшими педагогическими кадрами. Среди ее первых профессоров были известные ученые Франции, в том числе Лагранж, Монж, Бертолле и др. Школа готовила инженеров и ученых, из нее вышли крупнейшие французские математики, фи зики и представители других естественных наук XIX в., такие, как Араго, Гей-Люссак, Коши, Пуассон, Френель и др. Все эти меро приятия французского правительства периода революции, а затем и послереволюционной Франции, направленные на развитие естест венных наук, на укрепление связи их с практикой, способствовали блестящему расцвету естествознания во Франции в первой полови не XIX в. Не случайно, конечно, что в этот период в области естест венных наук Франция вышла на первое место в мире. Один из французских историков первой половины XIX в. писал:
«Невозможно исчислить все благодетельные последствия системы, которая стремится поддержать науки и технические искусства (arts), в постоянной бли зости между собой и подчинить их обычно взаимному воздействию прогресса и пользы» 1).
Развитие естественных наук в Германии, России и других стра нах, где еще не произошла буржуазная революция, тормозилось феодальным строем. Несмотря на то, что в Германии в первой поло вине XIX в. жили и работали такие выдающиеся ученые, как Гаусс, Риман, Якоби, Гумбольдт и др., успехи естествознания, включая и физику, в этот период не могут идти в сравнение с успехами этих наук во Франции. То же следует сказать и о крепостнической Рос сии первой половины XIX в. Хотя и в этот период русский народ выдвинул из своей среды крупнейших ученых, среди которых до статочно назвать Лобачевского, Остроградского, Петрова и др., тем не менее Россия в развитии физико-математических и других наук продолжала отставать от Англии и особенно от Франции.
§ 34. ФИЛОСОФСКИЕ ИДЕИ, ОКАЗАВШИЕ ВЛИЯНИЕ НА РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРВОЙ ПОЛОВИНЕ XIX В.
Существенное влияние на развитие физики и естествознания вообще оказали философские идеи французских просветителей и французских материалистов XVIII в. Боевой антирелигиозный дух,
___________________________
1) Старосельская-Никитина О. А. Очерки по истории науки и тех ники периода Французском буржуазной революции 1789—1794 гг. М.— Л., Изд-во АН СССР, 1946, с. 173.
240
а затем и атеизм французских философов того времени был воспри нят естествоиспытателями, в том числе и физиками, или в форме деизма, или даже в форме прямого философского материализма во Франции.
Выдающиеся естествоиспытатели Франции конца XVIII — пер вой половины XIX в. были ярко выраженными материалистами в понимании природы. Несомненно, что знаменитое заявление, сде ланное Наполеону Лапласом, о том, что он в своей небесной меха нике не нуждался в гипотезе о боге, является характерным для французского ученого его времени. Положительное влияние мате риалистической французской философии на естествоиспытателей сказалось также и в том, что большинство из них верили в неогра ниченные возможности человеческого познания. В этом отношении влияние материалистической французской философии оказалось более сильным, нежели влияние субъективного идеализма Беркли и Юма, а также агностицизма Канта и, наконец, зарождавшегося позитивизма. Прогрессивной была и теория познания французских материалистов. Они правильно рассматривали вопрос о соотноше нии мышления и бытия. Так, например, Ламетри считал, что духов ные переживания человека обусловлены материальными процесса ми в его организме. Дидро писал:
«...мы — инструменты, одаренные чувствительностью и памятью. Наши чувст ва — клавиши, по которым ударяет окружающая нас природа и которые часто ударяют сами себя...» 1)
Французские материалисты считали мир познаваемым, но сам процесс познания представлялся им сложным, ибо природа не от крывает свои тайны сразу. Она, как писал Дидро:
«...подобна женщине, которая любит наряжаться и которая, показывая из-под своих нарядов то одну часть тела, то другую, подает своим настойчивым поклонникам некоторую надежду узнать ее когда-нибудь всю» 2).
Прогрессивные идеи французских материалистов были воспри няты передовыми естествоиспытателями первой половины XIX в., главным образом французскими. И хотя эти идеи постепенно моди фицируются и наряду с ними во Франции развиваются новые фило софские системы, имевшие реакционный характер, тем не менее, идеи французских материалистов в первой половине XIX в. продол жали положительно влиять на развитие физики.
В XVIII в. в России появляется философия, близкая по своему духу французскому материализму. Ее ярким представителем был М. В. Ломоносов. Это направление в развитии русской философии было продолжено А. Н. Радищевым, философские взгляды которого отличались боевым материалистическим характером и верой в неог раниченную силу человеческого разума. Прогрессивные идеи рус-
____________________________
1) Дидро Д. Собр. соч, Т. I. M. — Л., «Academia», 1935, с. 375.
2) Там же, с. 307. (Интересно отметить, что Дидро, сравнивая природу с кокетливой женщиной, пользуется тем же образом, что и Ломоносов; см. выше, С 220.)
241
ской материалистической философии XVIII в., высказанные Ломо носовым и Радищевым, воспринятые и развитые рядом русских уче ных и мыслителей первой половины XIX в., сыграли положительную роль в развитии русского естествознания, в частности физики, в XIX в., несмотря на неблагоприятные для науки условия в России.
Для философии французских материалистов, а также для рус ской материалистической философии XVIII — начала XIX в. харак терен материалистический взгляд на природу, и материализм их был в основном метафизическим. Однако и во Франции и в России представителям прогрессивной философии принадлежали и диалек тические идеи. Французские материалисты в своих сочинениях ут верждали единство материального мира и наличие связи между силами природы и ее явлениями. Признавая несотворимость и неуничтожимость движения в природе, Дидро полагал, что развитие науки приведет к тому, что будут открыты связи между всеми явле ниями природы и образуется «замкнутый круг явлений, в котором нельзя будет распознать, где находится первое явление и где — последнее»1).
Что касается русской философии, то Ломоносов в своих работах выступал против метафизической концепции невесомых. Он строил физику, опираясь на идею единства всех физических явлений, руко водствуясь идеей существования связей между явлениями природы, идеей вечности и неуничтожимости движения в природе.
В XVIII в., несмотря на господство метафизического взгляда на природу, были высказаны идеи «о развитии» в астрономии, геологии и биологии2). Говоря о прогрессивной материалистической филосо фии, сыгравшей положительную роль в развитии физики первой по ловины XIX в., следует упомянуть английского философа и ученого второй половины XVIII в. Пристли. Философия Пристли оказала по ложительное влияние на мировоззрение Фарадея.
На развитие естествознания, и физики в частности, имела влия ние немецкая классическая философия, в рамках которой, как из вестно, получила развитие диалектика. Однако это влияние было противоречивым.
Выдающимся представителем немецкой философии был Кант. В 70-е годы XVIII в. он изложил в ряде сочинений свою философ скую систему 3). Остановимся только на тех сторонах этого учения, которые в той или иной степени повлияли на развитие физики. В ос нове философии Канта лежала идея противопоставления мира ве щей и мира явлений. Кант отрицал возможность познания сущности вещей, возможность познания «вещей в себе». Он полагал, что разум, познавая мир явлений, облекает полученный материал в
______________________________
1) Дидро Д. Собр. соч. Т. I. M.—Л., «Academia», 1935, с 335.
2) Идею о «развитии» в астрономии высказал И. Кант в середине XVIII в. Идея о развитии земной коры принадлежит Ломоносову. Наконец, мысль об из менчивости органических форм развивает в XVIII в. Бюффон, а затем и Гёте.
3) Мы не касаемся здесь ранней работы Канта «Всеобщая история и теория неба», сыгравшей важную роль в развитии диалектического взгляда на природу, о чем сказано выше.
242
определенную логическую чувственную форму. Эта идея впослед ствии неоднократно была использована для идеалистического тол кования результатов физических исследований в духе агностицизма, в частности при интерпретации квантовой механики. Кант считал понятия пространства и времени чисто субъективными. Они, по его мнению, являются результатом особого свойства человеческого ра зума облекать мир явлений в определенные логические формы. Пространство и время, по Канту, не что иное, как априорные формы чувственного восприятия, предшествующие всякому опытному познанию, т. е. восприятию действительных предметов. Учение Канта о пространстве и времени сыграло негативную роль в развитии науки. Согласно этому учению, представления о пространстве и вре мени неизменны. Кант и его последователи не допускали возмож ности каких-либо иных, принципиально новых взглядов на простран ство и время. Поэтому когда была создана геометрия Лобачевского, а затем Римана, то идеи Канта препятствовали их признанию, в частности развитию математики неэвклидовых пространств.
Причинность, по Канту, так же как пространство и время, не является объективной категорией, а выражает лишь свойство на шего разума организовывать впечатления, устанавливать связь между данными чувств и понятиями рассудка как возможность «специального соединения восприятий в сознании». Учение Канта о причинности также сыграло отрицательную роль в развитии науки.
Канту принадлежит учение о так называемых антиномиях. Анти номия — это взаимоисключающие положения, которые, тем не менее, одинаково доказуемы и неопровержимы разумом. Таких антиномий, по Канту, четыре:
1) мир имеет начало (границу) во времени и про странстве и одновременно мир во времени и пространстве беско нечен;
2) все в мире состоит из простого (неделимого) и одновре менно нет ничего простого, а все сложно;
3) в мире существуют свободные причины и одновременно нет никакой свободы, а все есть природа (т. е. необходимость);
4) в ряду мировых причин есть некое необходимое существо и одновременно в этом ряду нет ничего необходимого, а все случайно. В каждой из этих антиномий и поло жение, и противоположение одинаково доказуемы и неопровержи мы разумом. Таким образом, несмотря на то, что они взаимно ис ключают друг друга, они одновременно должны быть признаны истинными. В учении об антиномиях Кант вскрывал объективную противоречивость реального мира, что было шагом вперед в разви тии диалектического воззрения на природу. Однако сам Кант при шел лишь к выводу о противоречивости понятий конечного и беско нечного, делимости и неделимости материи, свободы и необходимос ти (четвертая антиномия является ложной). Сама же природа, по Канту, не может заключать в себе противоречий. В существовании антиномий Кант видел подтверждение своей философии. По его мнению, «вещам в себе» нельзя приписать никаких противоречий, поэтому противоречия относятся не к самим вещам, а лишь к свой ствам нашего мышления и доказывают невозможность разума по-
243
знать действительные свойства вещей, а также подтверждают субъ ективный смысл понятий пространства, времени и причинности. Идеи Канта об антиномиях не оказали положительного влияния на развитие физики. В последнее время, интерпретируя квантовую ме ханику, на подобные идеи опирались некоторые физики и филосо фы. Исходя уже из противоречивости свойств микрообъектов, они, подобно Канту, пришли к отрицанию объективного существования микрообъектов.
В 1786 г. выходит в свет сочинение Канта «Метафизические ос новы естествознания», в котором были изложены его взгляды на материю, силу, законы механики и т. д. Кант выступил против ато мизма, полагая, что материя делима до бесконечности. Сущностью материи, считал Кант, являются силы отталкивания и силы притя жения, действующие на расстоянии, и сама материя — единство этих сил. Мысль о том, что материи присущи и силы притяжения, и силы отталкивания, была интересной. В более конкретной форме ее высказывал, как уже говорилось, югославский ученый Бошкович в середине XVIII в. Развивает эту мысль в своих работах Пристли. Однако отказ Канта и его последователей от атомистической гипо тезы строения вещества отрицательно сказался на развитии науки.
Непосредственное влияние на развитие физики первой полови ны XIX в. оказала философия Шеллинга, который в отличие от Кан та был представителем объективного идеализма. Он рассматривал природу как проявление некой иррациональной духовной силы — мирового духа. Все тела, все качества природы он считал ощущени ем этого мирового духа, переходящего от бессознательного состоя ния к самосознанию. Несмотря на крайний идеализм, философия Шеллинга содержала и положительные элементы. Шеллинг приме нял в своей философской системе диалектику. Он считал, что приро де и ее вещам свойственны противоречия, поэтому полагал, что необходимое условие исследования природы — отыскание в ней этих противоречий. В природе во всех ее явлениях действуют раздвоен ные, противоположные силы, которые, объединяясь в каждом теле, сообщают ему определенного рода «полярности». Рассматривая различные формы движения как «чистые силы», Шеллинг пришел к выводу, что между этими силами существует универсальная связь. В начальный период деятельности Шеллинг много занимался воп росами естествознания. В ряде своих натурфилософских сочинений он распространил диалектику на вопросы физики, химии и других естественных наук. Так, например, он проводил идею о единстве электрических, магнитных и химических явлений. В одном из сочи нений он, например, писал:
«Следовательно, теперь можно в качестве доказанного положения зафикси ровать, что все эти явления (речь идет об электрических, химических и магнитных явлениях — Б. С.) вызывает одна и та же причина и что только благодаря различным условиям... она способна также и на различные действия... Отныне бу дут обращать больше внимания и ставить действительные опыты для обнаруже ния следов магнитного момента в химическом процессе.... Отныне также детальнее остановятся на сопровождающих химические процессы, например разложение воды, и на многими химиками замеченных электрических явлениях и даже, мо-
244
жег быть, смогут различить, в конце концов, переходы одной и той же силы сначала в плоскостную, а, наконец, и в проникающую силу» 1). (Плоскостная сила, по Шеллингу, — электрическая сила, проникающая сила — сила тяго тения.— Б. С.)
Эти представления о единстве сил природы, об их связи были прогрессивными, и философия Шеллинга сыграла в развитии физи ки известную положительную роль, ориентируя физиков на установ ление связей между различными физическими процессами. Так, из вестно, что Эрстед под влиянием философии Шеллинга искал связь между электричеством и магнетизмом. В результате он открыл дей ствие электрического тока на магнитную стрелку.
Однако влияние философии Шеллинга на естествознание вооб ще было противоречивым. В отличие от естествоиспытателей, признавших основой познания опыт, Шеллинг в своей натурфилософии по существу игнорировал экспериментальный метод исследования. Наряду с блестящими идеями о единстве сил природы, в частности о единстве электрических и магнитных явлений, в его натурфилосо фии содержались фантастические и бездоказательные положения и она носила чисто умозрительный характер. Шеллинг был также противником атомистики, занимался фантастической теорией жи вотного магнетизма и т. д. Постепенно отрицательные стороны ми ровоззрения Шеллинга принимают доминирующий характер. Одно временно он стал отходить от вопросов естествознания. Ф. Розенбергер справедливо замечает:
«...Физики начали относиться к сочинениям Шеллинга с возрастающим не доверием, и по мере того, как он сам стал отходить от природы, исследователи последней стали отворачиваться от его философии» 2).
Философия Шеллинга приобретает чисто спекулятивный, и даже мистический характер, и Шеллинг, по выражению Энгельса, пре вратился в «философа во Христе»3).
Вершиной немецкой классической философии была философия Гегеля, создавшего наиболее последовательную систему диалекти ческого идеализма. Разработанный Гегелем диалектический метод явился исторически одним из теоретических источников диалектиче ского материализма Маркса и Энгельса. Однако диалектика Гегеля была неразрывно связана с его философской системой объективного идеализма и в связи с этим не могла быть воспринята естествоис пытателями XIX в. Нужен был гений Маркса и Энгельса, чтобы увидеть в философии Гегеля ее рациональное зерно — диалектику. Естествоиспытатели отнеслись отрицательно к этой системе, а вмес те с этим и к диалектике вообще. В этом смысле философия Гегеля сыграла даже отрицательную роль в развитии физики. Это обстоя тельство усугублялось еще тем, что Гегель в своих работах уделяет внимание методологическим вопросам естествознания. Им написано
________________________________
1) Максимов А. А. Немецкая классическая натурфилософия и «философия природы» Гегеля. — В кн.: Гегель. Соч., т. II. М. — Л., Соцэкгиз, 1934, с. XLIV.
2) Розенбергер Ф. История физики. Ч. III, вып. 1. М.—Л., 1929, с. 62.
3) Маркс К. и Энгельс Ф. Соч. Изд. 1-е. Т. 2, с. 167.
245
натурфилософское сочинение «Философия природы». Натурфилосо фия Гегеля имела спекулятивный характер. В ней природа рассмат ривалась как воплощение абсолютной идеи. Гегель выступал против атомистики, возрождал и защищал уже давно опровергнутую нау кой теорию четырех элементов (земли, воды, воздуха и огня), счи тал основой явлений природы «внутренние цели», «разум» и т. д.
Взгляды Гегеля на конкретные вопросы естествознания были далеки от представлений естествоиспытателей того времени. По форме они часто были выражены весьма туманным эзоповым язы ком. Вот, например, его определения: «всеобщая самость материи есть свет», или «электричество есть чистая цель формы, освобож дающаяся от нее», и т. д. Такого рода формулировки расценивались большинством естествоиспытателем того времени как нелепая та рабарщина и игра в слова и еще сильнее отталкивали их от учения Гегеля, от наиболее ценного в ней — диалектики.
Таким образом, если в начале XIX в. диалектические идеи, содержащиеся в сочинениях Шеллинга, и были в какой-то степени восприняты некоторыми учеными, то в дальнейшем философия Ге геля встала между физикой и диалектикой, следовательно, она не только не способствовала развитию диалектического подхода к явлениям природы а, наоборот, тормозила его. Отвернувшись от Гегеля, естествоиспытатели, как писал Энгельс:
«...вместе с гегельянством выбросили за борт и диалектику — как раз в тот момент, когда диалектический характер процессов природы стал непреодолимо навязываться мысли и когда, следовательно, только диалектика могла помочь естествознанию выбраться из теоретических трудностей. В результате этого снова оказались беспомощными жертвами старой метафизики» 1).
§ 35. ХАРАКТЕРНЫЕ ЧЕРТЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ В ПЕРВОЙ ПОЛОВИНЕ XIX В.
В условиях развитого капитализма физическая наука развивает ся более быстрыми темпами. Производство непрерывно ставит перед ней все новые и новые проблемы, доставляя одновременно и новый экспериментальный материал.
Капиталистические производственные отношения и капиталисти ческий базис способствуют прогрессу физической науки научных ис следований, все теснее связывают физику с производством, тем самым, ускоряя ее дальнейшее развитие. Быстро развиваются в первой половине XIX в. все разделы физики, особенно оптика, а так же учение об электричестве и магнетизме. В этот период складываются основы волновой оптики, теории дифракции, интерференции и поляризации. В учении об электричестве и магнетизме возникает новый, быстро развивающийся раздел — учение об электромагне тизме.
Дело не только в количественном росте достижений физической науки. Наряду с убыстряющимся ходом развития физики меняется характер этой науки. Производство, в частности теплоэнергетика.
_________________________________
1) Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е. Т. 20, с. 368.
246
(в связи с усовершенствованием парового двигателя), электротех ника и т. д., приводят к исследованию не просто отдельных форм движения, а к изучению их взаимных превращений и переходов. Физики изучают не только отдельные физические явления, но и связь между ними, превращение одних форм движения в другие, превращение тепла в механическое движение, и наоборот, связь между электричеством и магнетизмом, между химическими и элек трическими процессами и т. д.
Развитие физики направляется и философскими идеями, о кото рых говорилось выше. В результате постепенно отмирает взгляд на физические явления, основанный на представлении о невесомых. Сначала исключают световую материю, затем — магнитную жид кость. Электрические и магнитные явления оказываются связанны ми между собой. Выясняется, что теплота есть движение; для ее производства необходимы затраты механической или электрической, или, наконец, химической энергии. Все эти открытия, весь ход раз вития физических наук по пути изучения связей между различными физическими явлениями, взаимных превращений различных форм энергии завершается в конце рассматриваемого периода установле нием закона сохранения и превращения энергии. Теперь окончатель но рушится метафизическая концепция невесомых. Силы и их носи тели — невесомые — эти «неизменные «виды» физики, по выраже нию Энгельса, превратились в различным образом дифференциро ванные и переходящие по определенным законам друг в друга фор мы движения материи»1).
Физика, как и естествознание в целом, начинает требовать те перь диалектического подхода к изучаемым явлениям. Однако хотя элементы диалектического взгляда на природу и проникают в созна ние физиков и некоторые из них даже сознательно руководствуются ими, тем не менее, большинство из них в основном остаются на позициях метафизического и механистического материализма. Вмес те с этим уже начиная с середины XIX в. в физической науке зарож дается противоречие между объективным содержанием этой науки и метафизическими и механистическими взглядами физиков. Это противоречие во второй половине XIX в. усугубляется и, в конце концов, выливается в кризис, охвативший физику на рубеже XIX и XX столетий.
_________________________
1) Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е. Т. 20, с 353.
ГЛАВА IX
РАЗВИТИЕ ОПТИКИ В XIX В. (ДО ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕОРИИ СВЕТА)
§ 36. УСТАНОВЛЕНИЕ ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ СВЕТА
В XVIII в. корпускулярной теории света придерживалось подав ляющее большинство ученых, и только единицы высказывались в пользу волновой теории. (Среди них были Эйлер и Ломоносов.) Конкретные достижения в области оптических исследований в XVIII в. весьма скудны. Заслуживает внимания только развитие фотометрии. Сначала француз Бугер, а затем немецкий ученый Ламберт ввели ряд новых фотометрических понятий и установили простейшие соотношения между ними. Следует, правда, отметить еще одно интересное исследование по оптике в конце XVIII в., при ведшее, по существу, к изобретению дифракционной решетки. В 1875 г. американец Гопкинсон, рассматривая светящийся фонарь сквозь носовой платок, увидел систему темных полос, которые не изменяли своего положения при параллельном перемещении плат ка. Он сообщил о своем наблюдении американскому астроному Риттенхаузу. Последний повторил опыт Гопкинсона, усовершенст вовал метод наблюдения данного явления и, в конце концов, сделал простейшую дифракционную решетку. Дифракционная решетка Риттенхауза состояла из волосков, натянутых на рамку прямо угольной формы из медной проволоки (до 190 волосков на дюйм). Риттенхауз наблюдал и изучал спектры, получаемые с помощью этой решетки, и установил их отличие от спектра, даваемого обыч ной призмой. Однако, будучи сторонником корпускулярной теории света, он не смог понять и правильно объяснить наблюдаемые явле ния. Он ограничился публикацией своих опытов в 1798 г. Работа Риттенхауза осталась незамеченной и была забыта 1).
В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интер ференции, дифракции и поляризации. Забытые, казалось, идеи вол новой оптики возрождаются и вступают в борьбу с традиционными идеями корпускулярной теории света. В оптике происходит рево люция, закончившаяся победой волновой теории света. Борьбу за волновую теорию света начинает английский ученый Юнг.
_________________________________
1) Более подробно об исследованиях Риттенхауза см. в статье: Багбая И. Д. К истории дифракционной решетки. — УФН, т. 108, вып. 2, 1972, с. 335.
248
Врач по профессии, Томас Юнг (1773—1829) был разносторонне развитым человеком. Он занимался исследованиями в области математи ки, физики, механики, ботаники и т. д., обладал обширными знаниями в области литературы, был прекрас ным музыкантом. Юнг занимался также исследованиями по истории (ему принадлежит серьезная заслу га в изучении и расшифровке египет ских иероглифов). Его взгляды на физические явления отличались от взглядов большинства современни ков. Во многих вопросах он отходил от господствующих взглядов, осно ванных на представлениях о невесо мых. Юнг был противником теории теплорода и считал, что теплота — движение частичек тела. Свет он рассматривал как колеблющееся движение частиц эфира. Юнг писал:
Томас Юнг
«Если теплота не есть субстанция, то она должна быть качеством; и это качество может быть только движением... Мнение Ньютона, что теплота состоит в мелких колебаниях частичек тел, может передаваться и через вакуум колеба ниями упругого эфира, находится в согласии с явлениями света» 1).
Юнг высказывал также идею о связи электрических и оптиче ских явлений:
«Быстрая передача электрического удара показывает, что электрическая сре да обладает столь большой упругостью, какую необходимо допустить для рас пространения света. Следует ли полагать, что электрический удар представляет ся тем же самым, что и световой, если подобная жидкость существует, — это, ве роятно, удастся выяснить в будущем» 2).
Впервые в защиту волновой теории света Юнг выступил в 1799 г. Он критиковал корпускулярную теорию света и указывал на явле ния, которые нельзя объяснить с ее позиций. В частности, он отме чал трудности, имеющие место в этой теории, состоящие в объясне нии одновременно явлений преломления и отражения на границе двух сред (почему одна световая частица отражается, а другая — проходит через границу раздела двух сред?). Или, говоря словами Ньютона, почему одна световая частица испытывает «приступы лег кого отражения», а другая такая же частица — «приступы легкого преломления».
______________________________
1) Joung Т. A. Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechani cal Arts, a new edition. Vol. 1. London and Edinbourg, 1845, p 502.
2) Whittaker Е. A. History of the Theories of Aether and Electricity. The Classical Theories, p. 100.
249
В статье, опубликованной в 1801 г., Юнг излагает открытый им принцип интерференции света. Сначала он обращает внимание на легко наблюдаемое явление интерференции водяных волн, а затем делает заключение, что это явление должно иметь место и для све товых волн. Юнг пишет;
«Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн дви жется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью и по падает в узкий канал, выходящий из озера. Представим себе также, что под действием другой причины образовался такой же ряд воли, который, как и пер вый, доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн не разрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступают в канал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполняют эти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю общим законом интерференции света» 1).
Принцип интерференции Юнг использует для объяснения цвет ных полос, наблюдаемых при интерференции света в тонких пла стинках, рассматривая их появление как результат сложения волн, отраженных от двух их поверхностей. При этом он полагает, что белый свет содержит волны всевозможной длины. Единственное затруднение, которое встречает Юнг, заключается в объяснении, почему в центре колец Ньютона при наблюдении их в отраженном свете наблюдается темное пятно. Это заставляет Юнга предполо жить, что при отражении света от оптически более плотной среды теряется полволны. Не имея возможности обосновать это предполо жение, Юнг, однако, приводит соображения в его пользу.
Юнг поставил общеизвестный опыт, с помощью которого демон стрировал явление интерференции света от двух источников. В экра не прокалывают два маленьких отверстия на близком расстоянии друг от друга и освещают его солнечным светом, проходящим через отверстие в окне. За экраном помещают второй экран, на который падают два световых конуса, образовавшиеся за первым экраном. В том месте, где эти конусы перекрываются, на втором экране вид ны полосы интерференции. Если закрыть одно отверстие, то полосы пропадают, а на экране видны только дифракционные кольца. Из меряя расстояние между кольцами, Юнг определил длины волн для красного, фиолетового и некоторых других цветов.
Юнг рассмотрел некоторые случаи дифракции света. Появле ние дифракционных полос он объясняет интерференцией двух волн: прошедшей прямо и отраженной от края препятствия.
Исследования Юнга либо не принимали во внимание, либо под вергали критике. В 1803 г. в журнале «Edinbourg Review» появи лась статья некого Бругема, содержащая грубые и резкие нападки на работы Юнга. Таким образом, несмотря на то, что работы Юнга
_____________________________________
1) Whittaker E. A History оf the Theories of Aether and Electricity. — The Classical Theories, p. 101—102.
250
содержали новые очень важные результаты, свидетельствующие в пользу волновой теории света, они не поколебали господствующую тогда корпускулярную теорию.
Вскоре было сделано новое открытие, которое, казалось, пол ностью укладывалось в рамки корпускулярной теории света и ко торое сразу было трудно объяснить с волновой точки зрения. Это открытие поляризации света.
В 1808 г. Французская академия предложила в качестве темы для исследования «дать математическую теорию двойного прелом ления и подтвердить ее экспериментально». Премия была присуж дена французскому инженеру Малюсу (1775—1812), который от крыл явление поляризации света при отражении. Как рассказывает Араго (современник Малюса) 1), однажды, работая над предложен ной академией темой, Малюс рассматривал через кристалл исланд ского шпата отражение заходящего солнца от стекла одного из окон Люксембургского дворца. При этом он заметил, что через кристалл иногда видно одно изображение солнца, а иногда два. Обнаружив это явление, он исследовал с помощью двоякопреломляющего кри сталла свет разных источников, отраженный от поверхности воды или стекла. При этом и было открыто явление поляризации света при отражении. Малюс был сторонником корпускулярной теории света, и свое открытие пытался объяснить с точки зрения этой тео рии. При этом он прямо следовал Ньютону, который еще в своей «Оптике» писал, что свет имеет «стороны».
Малюс полагал, что частицы света асимметричны и имеют как бы «полюсы». В обычном, естественном свете эти частицы ориенти рованы хаотично, в поляризованном же свете они принимают опре деленное положение. Основываясь на представлении о существова нии у световых частиц «сторон» — «полюсов», Малюс и назвал та кой свет поляризованным. Он писал:
«Я называю этим именем (поляризованным) световой луч, который при оди наковом угле падения на прозрачное тело обладает свойством или быть отраженным, или же уклониться от отражения, обратившись к телу другой его сто роной; эти стороны или полюсы светового луча расположены всегда под прямым углом друг к другу» 2).
Открытие Малюса не способствовало признанию волновой тео рии света, которая на основании представлений об упругом эфире считала само собой разумеющимся, что световые волны являются продольными В этом случае, конечно, никакого разумного объяс нения явлению поляризации света волновая теория дать не могла. Это фактически признал Юнг, отказавшись первоначально дать сколько-нибудь удовлетворительное объяснение открытию Малюса. Однако Юнг отметил, что в ходе развития теории иногда при-
_____________________________
1) Араго Ф. биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. Т. II, СПб., 1860.
2) Розенбергер Ф. История физики. Ч. III, вып. I. M. — Л., 1929, с 149.
251
Огюстен Френель.
ходится идти вперед, оставляя от дельные вопросы нерешенными, в расчете, что они будут разъяснены дальнейшими исследованиями. Так обстоит, по его мнению, дело и с объяснением явления поляри зации света волновой теорией.
Араго открыл в 1811 г. явление хроматической поляризации. Анг личанин Брюстер установил су ществование двуосных кристал лов. Французский ученый Био об наружил явление круговой поля ризации и т. д. Можно было счи тать, что все эти открытия более или менее удовлетворительно ук ладываются в рамки корпускуляр ной теории. Однако объяснения указанных явлений с позиций этой теории становились все более и более искусственными. Приходи лось применять все новые и новые
гипотезы и модели световых частиц, гипотезы о силах, действующих между ними и частицами веществ, и т. д. Создавшееся положение напоминало историю с теорией Птолемея в средние века, когда дли объяснения видимого движения небесных тел приходилось дополни тельно вводить гипотезы о новых эпициклах, эксцентриках и т. д. В 1815 г. на арену борьбы с корпускулярной теорией выступил французский ученый Огюстен Френель (1788—1827). Френель ро дился в семье архитектора. В 1804 г. он поступил в Политехниче скую школу в Париже. В 1809 г. он был направлен на работу в про винцию в качестве инженера по прокладке и ремонту дорог.
Эта работа не пришлась по душе Френелю. В свободное время он занимается научными исследованиями. Постепенно его заинтере совали вопросы оптики. Однако у Френеля не было ни книг, ни при боров для научных исследований по оптике, он не был в курсе по следних достижений в этой области физических наук. В письме 1814 г. он писал, что слышал об открытии поляризации света, но что это за явление, он еще не знает.
В период возвращения Наполеона с острова Эльбы Френель потерял свою должность и находился под надзором полиции; после изгнания Наполеона его не сразу восстанавливают в прежней должности. В это время Френель познакомился с Араго, который сообщил ему все новости в области оптических исследований. За нявшись исследованиями, Френель вскоре сделал ряд новых откры тий и самостоятельно пришел к убеждению, что справедлива вол новая теория света. Первые его открытия касались явлений интер ференции и дифракции света. Френель исследовал кольца Ньютона, дифракцию от проволоки и т. д. Как и Юнг, он сначала считал, что
252
появление дифракционных полос — результат интерференции про шедшего и отраженного от краев препятствия света. Однако Фре нель с самого начала усовершенствовал метод измерений. В качест ве источника света он использовал изображение солнца или свечи, даваемое короткофокусной линзой (маленьким стеклянным шари ком или каплей меда). Для наблюдения дифракции и интерферен ции Френель сконструировал простейший окулярный микрометр, дававший возможность измерять расстояние между интерференци онными или дифракционными полосами с точностью до десятых миллиметра. В микрометре Френеля можно наблюдать через лупу положение полос, образованных в ее фокальной плоскости. Расстоя ние между полосами измеряется по положению нити, помещенной в этой плоскости и передвигающейся при вращении микрометриче ского винта.
Исследовав кольца Ньютона и некоторые случаи дифракции, Френель также изучает интерференцию лучей света, отраженных от двух зеркал, расположенных под углом, близким к 180° (зеркал Френеля). Этот опыт исключал возможность объяснения интерфе ренции влиянием краев экранов или отверстий. Френель писал:
«...чтобы устранить всякие представления о действии краев тела экрана или маленьких отверстий на образование и исчезновение внутренних каемок, я по пробовал получить подобного рода полосы при помощи перекрещивания двух лучей, отраженных двумя зеркалами» 1).
Как отмечалось выше, первоначально Френель, как и Юнг, пола гал, что дифракционные полосы образуются в результате интерфе ренции прямо проходящих волн от источника света и волн, отражен ных от краев препятствий. Однако затем он отказался от такого объяснения, отмечая, что характер краев препятствий заметно не влияет на положение дифракционных полос:
«..нить и обушок бритвы дают совершенно одинаковые каемки. Свет совер шенно одинаковым образом расширяется, проходя как через маленькие отверстия в тонком слое китайской туши, которой покрыто стекло, так и через промежутки между двумя металлическими цилиндрами значительного диаметра» 2).
Поэтому Френель решил в основу теории дифракции положить принцип Гюйгенса, дополнив его принципом интерференции. Для объяснения явлений интерференции и дифракции Френель развил теорию, основанную на представлении о световых волнах, обра зующихся в эфире. Основные ее положения таковы. Молекулы све тящихся тел находятся в колебательном движении. В результате этого они возбуждают в окружающем эфире сферические волны, ко-
________________________________
1) Френель О. Избранные труды по оптике. М., Гостехиздат, 1955, с. 111.
2) Там же, с. 118. Позже было показано, что объяснение Юнгом явлений дифракции интерференцией проходящих и отраженных от краев препятствий лу чей света можно использовать для расчета дифракционной картины. Такой ме тод приводит к тем же результатам, что и метод, основанный на принципе Гюй генса — Френеля, и даже в некоторых случаях более удобен (См.: Малюжинец Г. Д. Развитие представлений о явлениях дифракции.— УФН, 1959, с. 69, с 321).
253
торые можно представить как последовательность простых моно хроматических воли — цугов волн.
Колебания отдельных молекул не согласованы между собой, поэтому нельзя наблюдать интерференцию от двух различных источ ников света, т. е., говоря современным языком, иметь два различных светящихся источника, когерентных между собой. Интерференцию можно наблюдать для лучей, исходящих из одного и того же источ ника.
Процесс распространения световых волн происходит согласно принципу, установленному Гюйгенсом, при этом следует учитывать интерференцию, играющую важнейшую роль в законах распростра нения света, в том числе и в явлениях дифракции. В связи с этим принцип Гюйгенса нужно, как указывает Френель, формулировать следующим образом:
«...колебания световой волны в каждой из ее точек могут рассматриваться как сумма элементарных движений, которые были бы посланы в тот же момент всеми действующими изолированно частями этой волны, рассматриваемой в ка ком-либо из своих предыдущих положений» 1).
Этот принцип, получивший название принципа Гюйгенса — Фре неля, дает возможность рассчитывать картину дифракции для раз личных случаев. Для конкретного расчета картин дифракции Фре нель разработал два метода. Первый из них, простейший (метод зон Френеля), позволяет определить в простейших случаях положение дифракционных полос (максимумов или минимумов). Второй ме тод заключается в аналитическом суммировании действий всех участков волнового фронта, с его помощью можно рассчитать не только положение дифракционных полос, но и распределение ин тенсивности света. Аналитический расчет в этом случае сводится к вычислению интегралов, получивших название интегралов Френеля.
Рассматривая принцип Гюйгенса, дополненный принципом ин терференции, не просто как метод расчета, а как принцип, отражаю щий механизм распространения волн, Френель столкнулся с затруд нением, которое заключалось в исключении так называемой обрат ной волны. Перед ним встал вопрос: почему элементарная сферическая волна, излучаемая точками поверхности волнового фронта, образует только бегущую вперед волну. Френель объяснил это тем, что, хотя «расширяющая сила стремится толкать молекулы во всех направлениях», тем не менее «их начальные скорости, на правленные вперед, уничтожают те скорости, которые расширение стремится придать им в обратном направлении...». Таким образом по Френелю, хотя возмущение от каждой точки волнового фронта и стремится распространяться во все стороны, но впереди возмущения еще нет и, если можно так сказать, дорога свободна; сзади же воз мущение уже пришло и действие от данной точки волнового фронта сводится к тому, чтобы его скомпенсировать. Здесь происходит неч то аналогичное тому, что имеет место при упругом ударе одного
_________________________________
1) Френель О. Избранные труды по оптике, с. 185.
254
шара о ряд шаров, когда отскакивает только передний шар, а ос тальные остаются в покое.
В связи с вопросом об обратной волне встал и более общий воп рос о зависимости интенсивности суммируемых в данной точке эле ментарных волн от угла между направлением на эту точку и нормалью к волновому фронту. Предполагалось, что интенсивность эта должна убывать с возрастанием угла, становясь равной нулю, когда этот угол равен 90° и больше (т. е. как раз для обратной вол ны). Френель отмечал, что эту зависимость найти трудно, но, к счастью, при решении конкретных задач ее не нужно знать, так как при суммировании действия элементарных волн получается, что нужно учитывать роль лишь тех лучей, направление которых сов падает или очень мало отличается от направления нормали к по верхности волнового фронта.
В 1818 г. Френель объединил все полученные результаты и изло жил их в работе, представленной на конкурс, объявленный Фран цузской Академией наук в 1817 г. Работу Френеля рассматривала специальная комиссия в составе Био, Араго, Лапласа, Гей-Люссака и Пуассона. Трое из них твердо придерживались корпускулярной теории и не могли испытывать симпатию к работе Френеля. Тем не менее, изложенные результаты настолько хорошо соответст вовали эксперименту, что просто отвергнуть данную работу было невозможно. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывес ти следствие, противоречащее как будто бы здравому смыслу. Это следствие заключается в том, что в центре тени от круглого экрана должно наблюдаться светлое пятно. Эта «несообразность» была подтверждена на опыте, что произвело благоприятное впечатление на членов комиссии. В конце концов, была признана правиль ность результатов теории Френеля и ему присудили премию. Од нако теория Френеля еще не стала общепринятой и большинство физиков продолжало придерживаться старых взглядов, а если и от давали ей должное, то только как чисто расчетной теории, ценность которой ограничивается разработанным математическим аппара том, а не теории, которая выражает действительную природу света.
Отрицательное отношение к волновой теории света нельзя объ яснить только влиянием старых традиций. Несмотря на большие успехи в объяснении явлений интерференции и дифракции, эта тео рия, во-первых, была далека от совершенства и не отличалась стро гостью. Так. Основа теории дифракции — принцип Гюйгенса — Фре неля, не был достаточно обоснован и его применение вызвало кри тические замечания. Например, Пуассон считал рассуждения Фре неля об отсутствии обратной волны, а также о зависимости интен сивности вторичных волн от направления неудовлетворительными. Во-вторых, и это главное, волновая теория света не объясняла яв ления поляризации и двойного лучепреломления. В связи с этим пе ред Френелем встал вопрос о том, как же можно построить теорию этих явлений, исходя из волновых представлений о природе света? Выход был один: высказать гипотезу о поперечности световых волн. Эта идея была для того времени очень смелой. Она возникла, веро-
255
ятно, одновременно и независимо друг от друга у Юнга и Френеля. Возникновение идеи о поперечности световых волн связано с от крытием, сделанным Араго совместно с Френелем в 1816 г. Иссле дуя интерференцию поляризованных лучей, они обнаружили, что лучи, поляризованные в одной и той же плоскости, интерферируют обычным образом, тогда как лучи, поляризованные во взаимно пер пендикулярных плоскостях, не дают картины интерференции. Этот результат никак нельзя было объяснить, исходя из представления о световых волнах как продольных волнах; он наталкивал на мысль о том, что эти волны должны быть поперечными. Юнг, высказав эту гипотезу, дальше ее не развивает. Френель же применил ее для по строения теории поляризации и двойного лучепреломления. Соглас но этой теории свет, испускаемый светящимся телом, не является поляризованным. Хотя каждая молекула тела излучает в каждый момент плоскополяризованный свет, но вследствие хаотичности дви жения каждой молекулы они колеблются в разных направлениях, причем направление колебаний каждой молекулы непрерывно из меняется в результате беспорядочных толчков, которые испытыва ет молекула нагретого тела. В результате волны, испускаемые мо лекулами светящегося тела, складываясь, дают одну волну, которая колеблется непрерывно и хаотично, меняя направление колебаний. Это и есть естественный свет. Поляризация света в кристалле за ключается в разложении колебаний естественного света по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Френель пишет:
«С этой точки зрения сам акт поляризации состоит не в создании этих по перечных движений, а в разложении их по двум перпендикулярным неизменным направлениям и в отделении составляющих друг от друга, поскольку в каждой из них колебательные движения будут происходить все время в одной плос кости» 1).
Основываясь на изложенных представлениях, Френель легко объяснил ряд явлений и закономерностей, свойственных поляризо ванным лучам: закон Малюса, интерференцию этих лучей, круго вую и эллиптическую поляризации и т. д. Затем Френель разработал теорию прохождения света через двоякопреломляющий кристалл, рассматривая распространение упругих поперечных колебаний в анизотропной среде, и пришел к важным результатам. Он полу чил, что в анизотропной среде могут распространяться волны, имеющие лишь совершенно определенное взаимно перпендикуляр ное направление колебаний; все остальные должны при входе в дан ную среду разделяться на две, так что они будут колебаться во взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом если считать, что источник света находится внутри среды, то поверхность волнового фронта одной волной представляет собой сферу, а другой — эллип соид, как это следует по теории Гюйгенса.
Работы по поляризации и двойному лучепреломлению Френеля, представленные в Академию наук в начале 20-х годов, были встре-
__________________________
1) Френель О. Избранные труды по оптике, с. 314.
256
чены настороженно, как и предыдущие работы по интерференции и дифракции. Даже Араго, который уже встал на точку зрения волно вой теории света, не решился защитить идею о поперечности свето вых волн. Уэввелль писал:
«Араго, вероятно, сразу принял бы мысль о поперечных вибрациях, когда она была высказана его товарищем Френелем, если бы ему первому не прихо дилось выдерживать нападения, которые делались на волнообразную теорию во время частых споров, происходивших в заседаниях Института, где Лаплас и дру гие руководящие члены так сильно противились волнообразной теории, что даже не могли спокойно выслушивать доводов в ее пользу» 1).
Тем не менее, результаты работ Френеля нельзя было не при знать. Однако по-прежнему теоретические взгляды Френеля на природу света встречали возражения. Об идее поперечности свето вых волн очень осторожно высказалась также комиссия академии (в нее входили Арго, Ампер и Фурье), которая рассматривала рабо ту Френеля «Мемуар о двояком преломлении», хотя, по крайней мере, двое из ее членов были уже сторонниками волновой теории света. В отзыве этой комиссии говорилось:
«...о теоретических идеях Френеля об особенном роде волновых движений, из которых, по его мнению, состоит свет, невозможно еще в настоящее время провести решительное суждение» 2).
Главным препятствием для торжества волновой теории света те перь была необходимость признания поперечности световых волн. Эфир представляли как упругую, очень тонкую жидкую среду, а в жидкой среде существуют только продольные волны; вопрос о воз можности поперечных волн в упругой сплошной среде начинают рассматривать только в 20-х годах. Его изучение в определенной степени было связано с задачей построения механики светового эфира. Таким образом, и эти новые работы Френеля не привели к всеобщему изменению взглядов на природу света. Еще вплоть до начала 30-х годов вопрос о том, какая теория света справедлива, оставался открытым, и были физики, которые продолжали придер живаться старой теории. Так, например, английский физик Брюстер уже в 1833 г. писал:
«…я еще не решился преклонить колени перед новым алтарем (речь идет о волновой теории света. — Б. С.) и должен сознаться, что национальная слабость все еще побуждает меня чтить и поддерживать разрушающийся храм, ко торый некогда был ареной деятельности Ньютона» 3).
Заключительным аккордом в этой борьбе можно считать резуль таты измерения скорости света в воде. Согласно корпускулярной теории, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в оптически менее плотной, а по волновой тео рии — наоборот. В 1849 г. Физо предложил метод измерения скоро-
___________________________________
1) Уэввелль В. Историй индуктивных наук. Т. II. СПб., 1867. с. 604.
2) Там же, с. 606.
3) Розенбергер Ф. История физики. Ч. III, вып. 1. М.—Л., 1929, с 183.
257
сти света с помощью вращающегося колеса, а несколько позже по добный способ, в котором использовалось вращающееся зеркало, разработал Фуко. Метод Фуко позволял измерить скорость света в воде, что и было сделано в 1850 г. Фуко показал, что скорость све та в воде меньше, чем в воздухе, что подтверждало волновую тео рию света. Этот результат можно расценивать как experimentum crucis в вопросе о природе света. Правда, к этому времени привер женцев корпускулярной теории света практически не осталось.
§ 37. ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ ОПТИКИ
Рассматривая дальнейшее развитие оптики, следует отметить, прежде всего, успехи в исследовании интерференции и дифракции. Это было в значительной мере связано с задачей совершенствова ния оптических инструментов (зрительных труб, микроскопов, те лескопов и т. д.), а также с развитием спектроскопии.
Отметим, прежде всего, исследования Фраунгофера, приведшие к изобретению дифракционной решетки и явившиеся началом спектральных исследований. Йозеф Фраунгофер (1787—1826), ра ботая в оптической мастерской над усовершенствованием ахроматиче ских объектов, столкнулся с пробле мой измерения дисперсии света в стеклах. Для решения данной проб лемы нужно было прежде всего, уста новить меру для измерения спек тральных участков, так как такие понятия, как красный, желтый и т. д. участки спектра, носят слишком субъективный характер. Решая эту задачу, Фраунгофер сконструировал простейший спектрометр, состоящий из теодолита со столиком, на кото ром была установлена призма из ис следуемого стекла. Вращая теодо лит, Фраунгофер мог измерять углы падения и преломления и по ним оп ределять коэффициент преломления различных стекол для разных участ ков спектра. Первоначально он ис пользовал следующий метод для фиксирования границ отдельных участков спектров. Он разделил весь видимый спектр на несколько участ ков разных цветов, начиная от крас ного и кончая фиолетовым. Чтобы преодолеть трудности в установле нии границ этих участков, Фраунгофер поступил следующим образом.
Рис. 46
258
Перед призмой А попеременно помещали несколько ламп (рис. 46). Свет от каждой из них, проходя через призму, разлагался в спектр и через щель падал на исследуемую призму H, так что на нее по падал только небольшой участок спектра уЕ. Лампы перед приз мой А располагали так, что от каждой из них на призму H попа дал новый участок спектра с таким расчетом, чтобы весь спектр был перекрыт. Так Фраунгофер делил весь спектр на отдельные участки. Естественно, что этот способ далеко не совершенен, и Фраунгофер изобретает новый способ фиксирования спектральных участков. Толчком послужило открытие темных линий в спектре Солнца, получивших название фраунгоферовых линий. Эти линии всегда занимали одно и то же положение в спектре и оказались очень удобными для указанной цели. Фраунгофер решил зафикси ровать положение темных полос, определив их длину волны. Для этого он решил воспользоваться явлением дифракции. Причем в от личие от Френеля он использовал дифракцию в параллельных лу чах, сначала изучая дифракцию от щели. Он направлял параллель ный пучок лучей на зрительную трубу, перед объективом которой помещал диафрагму с узкой щелью, и рассматривал дифракцион ную картину в окуляр. Рассматривая затем дифракцию в параллель ных лучах от многих щелей, Фраунгофер изобрел дифракционную решетку. Она состояла из двух параллельных винтов, на которые наматывалась тонкая проволока. В дальнейшем Фраунгофер брал стеклянную пластинку, на которой нарезал алмазом тонкие штри хи. Использование дифракционных решеток, которые давали про стую дифракционную картину, легко поддававшуюся расчету, по зволило Фраунгоферу определить длины волн главных темных ли ний в спектре Солнца. В дальнейшем техника изготовления дифрак ционных решеток усовершенствовалась, и они стали важнейшими оптическими инструментами. В середине прошлого столетия Ангст рем с помощью дифракционных решеток составил весьма точный атлас темных фраунгоферовых полос в солнечном спектре. Вместе с усовершенствованием дифференциальных решеток и все более широким их применением развивалась и их теория. Первую подроб ную теорию разработал Шверд в 1835 г. В 1882 г. немецкий физик Кирхгоф (1824—1887) дал более строгую теорию дифракции. В ее основе лежал принцип, который можно рассматривать как обобще ние принципа Гюйгенса — Френеля. Однако он имел характер чи сто математического принципа, с помощью которого можно решать задачи на дифракцию. Теория дифракции Кирхгофа — также при ближенная теория. Более точную теорию дифракции построил Зоммерфельд (она основывалась на электромагнитной теории света).
Продолжались дальнейшие исследования интерференции света, совершенствовалась техника ее наблюдения и применения в изме рительной практике. Уже Френель помимо зеркал Френеля разра ботал способ бипризмы. В 1837 г. свою схему наблюдения интер ференции света предложил английский физик Ллойд (зеркало Ллойда); позднее француз Билье применил метод двух полулинз
259
(билинза Билье). В 1831 г. Брюстер использовал для наблюдения интерференции света явление интерференции в пластинках и по строил интерферометр, состоящий из двух плоскопараллельных пластинок, расположенных под маленьким углом друг к другу. Эту схему с некоторыми изменениями использовал в 50-х годах Жамен в своем интерферометре. Во второй половине XIX в. появи лись другие интерферометры, из которых наиболее известны интер ферометр Майкельсона, пластинка Луммера-Герке, эшелон Фабри-Перо.
Уже Френель и Араго высказали мысль о возможности практиче ского применения интерферометров, а именно для измерения пока зателей преломления; они установили, в частности, зависимость показателя преломления воздуха от наличия в нем водяных паров. В их схеме интерференционные лучи, исходящие от одного и того же источника света, проходили две трубы, наполненные воздухом, и попадали в окулярную трубку, где наблюдались интерференцион ные полосы. При замене в одной из труб сухого воздуха влажным наблюдалось смещение этих полос.
Интерферометры применяли и для других целей. С их помощью, например, измеряли с большой точностью линейные размеры пред метов; интерференционные приборы использовали для контроля поверхностей и т. п.
Развитие инструментальной оптики, совершенствование опти ческих приборов потребовало более подробного изучения оптиче ских систем и, в частности, исследования разрешающей силы опти ческих приборов.
В заключение следует сказать о новых важных идеях первой половины XIX в., которые привели в дальнейшем к разработке спектрального анализа. В связи с изучением спектров накапливал ся все новый и новый экспериментальный материал; было установ лено постоянство спектров некоторых раскаленных газов и даже было высказано предположение о возможности спектрального ана лиза. Так, например, Тальбот в 1834 г. отмечал, что с его помощью можно различать малые количества веществ с большой точностью. Однако действительное развитие спектрального анализа относится уже ко второй половине XIX в. Наконец, в первой половине XIX в. были сделаны первые открытия в области люминесценции и хими ческого действия света, а также проведены первые исследования с инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами.
§ 38. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ СВЕТОВОГО ЭФИРА
Как уже отмечалось, в самом начале волновая теория света была связана с представлением об эфире как о некой тонкой жид кости, в которой существуют продольные волны, подобно тому, как в воздухе имеют место звуковые волны. Затем было установлено, что в отличие от звуковых волн световые волны являются попереч ными. Возникла проблема построения теории эфира, которая могла
260
бы объяснить существование поперечных волн в этой среде. Эта проблема с развитием волновой оптики становится все актуальней и все более и более трудной. Усилия многих исследователей, рабо тавших над ее решением, оказались тщетными. Однако сами иссле дования в этом направлении способствовали развитию механики сплошных сред, которая начала развиваться в 20-х годах XIX в. Многие исследования, имевшие существенное значение для разви тия этой области наук, проводили с целью построения теории све тового эфира и объяснения на ее основе установленных оптических закономерностей.
Первый набросок теории светового эфира дал сам Френель. Вынашивая идею о поперечности световых волн, он понимал, что она противоречит обычным взглядам на свойства упругих сред. Он писал:
«Что касается гипотезы о природе световых колебаний, то ее, с первого взгляда, гораздо труднее принять, так как не легко понять, каким образом в жид кости могут бесконечно распространяться поперечные колебания. Тем не менее, если факты, которые делают столь вероятной волновую систему и доставляют столько возражений против системы эмиссии, заставляют нас признать этот ха рактер световых колебаний, то более надежно основываться здесь на опыте, нежели на слишком, к сожалению, несовершенных понятиях, которые нам до сих пор дали вычисления геометров относительно колебаний упругих жидкостей» 1).
Несовершенство представлений «геометров» заключается, по Френелю, в предположении, что в эфире возможны только упругие силы, возникающие при сжатии или растяжении, тогда как эфиру нужно приписать способность сопротивляться изменению формы. Френель считал, что эфир состоит из частиц, между которыми дей ствуют силы притяжения и отталкивания, и что в таком эфире си ла упругости должна возникать не только при сжатии и растяже нии, но и в результате сдвига одних слоев эфира относительно дру гих, а в таком случае в нем должны распространяться не только продольные, но и поперечные волны. Но так как продольных волн в эфире не существует, то сопротивление эфира сжатию несравнен но больше, нежели сопротивление небольшим смещениям его слоев вдоль их плоскостей. С помощью этой гипотезы, по мнению Фре неля, и можно понять, почему частицы эфира обладают заметными колебаниями лишь параллельно поверхности световых волн. Сооб ражения Френеля оказались верными в том смысле, что в упругой среде действительно могут существовать не только продольные, но и поперечные волны.
Впервые вопрос о распространении колебаний в такой среде теоретически исследовал в 1821 г. французский ученый Навье, опубликовавший эти исследования в 1827 г. Навье предложил сле дующую модель упругой среды. Упругая среда, по его мнению, со стоит из атомов — частиц, между которыми действуют центральные силы. Навье получил уравнение распространения возмущений в та кой среде. Если r — смещение частицы из положения равновесия в
_______________________________________
1) Френель О. Избранные труды по оптике, с 397.
261
точке с координатами х, у, z, a — плотность среды, то уравнение Навье в современной форме имеет вид
где k — постоянная, характеризующая упругие свойства данной среды.
Несколько позже подобной проблемой занялся французский ма тематик Огюстен Коши (1789—1857), который развил общую тео рию распространения возмущений в упругой, но уже сплошной среде (1828). Он рассмотрел напряжения, возникающие в каждой точке упругого тела при малых деформациях; установил, обобщив закон Гука, соотношения между напряжениями и деформациями и вывел ряд основных положений теории упругости. Коши получил общее уравнение распространения возмущений в изотропной упру гой сплошной среде:
Это уравнение отличается от уравнения Навье двумя константами. При этом постоянная n — модуль сжатия, k — модуль кручения. Исследование уравнений распространения возмущений в упру гой среде показало, что в ней могут распространяться две волны:
продольная со скоростью v1=((n+4k/3)/) и поперечная, скорость
которой v2=(k/). Таким образом, строгая математическая теория распространения возмущений в упругой среде подтвердила простые соображения Френеля о возможности поперечных волн в такой сре де. Однако эта же теория указала и на существование в ней про дольных волн. Но в эфире продольных оптических волн никто не наблюдал. И если их действительно не существует, то эфир должен отличаться от обычной упругой среды. Чем же отличается эфир от обычной упругой среды? По этому вопросу существовало много ги потез. Одной из них была гипотеза Френеля, которая сводилась к тому, что, как говорилось выше, эфир обладает бесконечно большим модулем сжатия, т. е. является абсолютно несжимаемой средой. В такой среде продольных волн не существует. А так как модуль сдвига для эфира остается конечным, то поперечные волны в нем не существуют. Они и являются световыми волнами, распространяю щимися со скоростью v=(k/). Конечно, гипотеза Френеля, согласно которой эфир представлялся как несжимаемая среда, подобная твердому (и даже очень твердому) телу, поскольку скорость по перечных волн в нем (т. е. скорость света) очень велика, представлялась, по меньшей мере, странной. Как же в такой среде, заполняю щей все пространство, могут без всякого сопротивления двигаться небесные тела и обычные макроскопические предметы? Ведь на са мом деле эфир не оказывает такому движению никакого сопротив ления.
Ответить на этот вопрос попытался в 1845 г. английский уче ный Стокс (1819—1903). Он считал, что эфир подобен смоле, кото-
262
рая обладает свойством твердого тела в случае быстро меняющих ся деформаций и пластична, подобно жидкости, при медленно меняющихся деформациях. Эфир, по мнению Стокса, в первом слу чае является твердым телом и в нем распространяются поперечные волны. Для медленных же деформаций, в случае малых скоростей движущихся в нем тел, он ведет себя, как жидкая среда, в которой эти тела могут свободно передвигаться, не испытывая сопротив ления.
Теория эфира, однако, должна была не только показать, что в нем могут распространяться поперечные волны и отсутствовать про дольные. Она должна была объяснить ряд световых явлений и их закономерностей. Во-первых, перед ней стояла задача объяснения закономерностей, имеющих место при отражении и преломлении света на границе двух сред. Этот вопрос впервые исследовал Фре нель, который получил формулы, известные под названием формул Френеля. При этом он исходил как раз из гипотезы, о несжимаемом эфире.
Для решения поставленной задачи Френелю пришлось принять ряд дополненных гипотез. Во-первых Френель предположил, что плоскость колебаний световых волн перпендикулярна плоскости поляризации. Во-вторых, решая вопрос о том, чем отличается эфир в средах с различным показателем преломления [ведь если скорость
света (скорость поперечных волн) равна v=(k/), то эфир должен различаться в разных средах либо плотностью, либо упругостью, либо и тем и другим], Френель принял гипотезу о' том, что в разных средах плотность эфира различна, тогда как упругость остается без изменения. Таким образом, по Френелю, для двух тел, показатели преломления которых соответственно равны n1 и n2, имеет место со отношение
Выводя искомые формулы, Френель основывался на законе жи вых сил и предположении о непрерывности тангенциальных со ставляющих смещения в эфире на границе двух сред.
Рассмотрим падающий, преломленный и отраженный пучки све та (рис. 47). Пусть i — угол падения, а r — угол преломления. Энергия, перено симая через поперечные сечения световых пучков за единицу времени, в падающем, отраженном и преломленном пучках со ответственно пропорциональна ABv11f2, acv11g2, abv22h2, где v1 и v2 — соответ ственно скорость света в первой и во вто рой средах; 1 и 2 — плотность эфира в первой и второй средах; f, g, h — соответст венно амплитуда световой волны в падаю щем, отраженном и преломленном пучках.
Рис 47
263
Согласно закону сохранения живых сил,
Для случая, когда колебания в падающем свете перпендикулярны плоскости падения, предположение о равенстве тангенциальных слагающих дает условие
Кроме того, имеем АВ=аВcosi, ас=аВcosi, ab=aBcosr. Учиты вая также, что n12/n22=1/2=sin2r/sin2i=v22/v12, и производя про стой расчет, получаем
Это и есть одна из известных формул Френеля, устанавливающая отношение амплитуды падающего света к амплитуде отраженной световой волны.
Поступая аналогично, Френель получает формулы для случая, когда колебания световой волны происходят в плоскости падения:
Успех Френеля понятен. Хотя он и исходил из представления об эфире, тем не менее принял правильные гипотезы, которые не зави сели от этой теории. В этом вновь проявилась гениальная интуиция Френеля. Его гипотеза о сохранении энергии при прохождении све тового потока через границу двух сред и гипотеза о непрерывности тангенциальной слагающей светового вектора оказались верны. Они действительны и в электромагнитной теории света. Рассужде ния Френеля далеки от строгости, но это в данном случае не являет ся недостатком. Наоборот, только это обстоятельство дало ему воз можность получить правильные формулы. Если бы Френель следо вал строгой теории распространения возмущения в твердом эфире, он не смог бы прийти к правильным результатам. Это показал по следующий анализ. Френель не строил строгую теорию, а просто принял гипотезы, которые подсказывала ему интуиция. Этими гипо тезами были: предположение о направлении световых колебаний в плоскополяризованном свете, а также гипотеза о непрерывности тангенциальной слагающей светового вектора на границе двух сред. Руководствуясь этими гипотезами и используя закон сохранения энергии, он и пришел к верным результатам.
Многочисленные попытки усовершенствовать выводы Френеля на основе более строгих теорий не привели к положительным ре зультатам. С помощью теории упругого эфира не удавалось дать аналитический вывод формул Френеля, рассматривая эфир как не сжимаемую сплошную среду.
Кроме теории твердого эфира возникли и другие предположе ния о свойствах эфира. Так, например, Коши в 1839 г., стараясь ис ключить продольные волны, высказал гипотезу так называемого «сжимающегося» или «лабильного» эфира. Для того чтобы избавить ся от продольной волны, считал он, не обязательно полагать, что
264
n= и vпpoд=; можно наоборот, считать, что vпрод=0. Но тог да так как
то модуль сжатия n должен быть отрицательным, т. е. эфир должен обладать отрицательным сопротивлением сжатию. Эта гипотеза приводила к хорошим результатам, однако казалась слишком странной, так как представляла эфир как неустойчивую среду.
В дальнейшем В. Томсон возродил гипотезу Коши и в качестве модели сжимающегося эфира предложил рассматривать мыльную пену, удерживаемую от сжатия тем, что она прилипает к стенкам сосуда. Теорию сжимающегося (лабильного) эфира разрабатыва ли и некоторые ученые, в частности Гиббс, который показал, что она может приводить к положительным результатам.
В 1839 г. Мак-Куллах предложил оригинальную теорию свето вого эфира. Он исходил из того, что эфирная среда обладает не обычными свойствами, а именно упругостью только в отношении вращения, и не оказывает никакого сопротивления другим видам деформации. В эфире Мак-Куллаха потенциальная энергия дефор мации единицы объема выражается формулой
где r — смещение частицы в точке (х, у, z), а — коэффициент, характеризующий упругость среды. Уравнение распространения возмущений в такой среде, как показал Мак-Куллах, имеет вид
Это волновое уравнение поперечных волн, скорость распростране ния которых v=(/). Далее, из теории Мак-Куллаха следует, что на границе двух сред сохраняется непрерывность тангенциальных слагающих r и rotr. Теория Мак-Куллаха давала правильные ре зультаты. Она приводила к граничным условиям, из которых мож но получить формулы Френеля. Наконец, ее можно было распрост ранить на анизотропные тела, получив при этом правильные ре зультаты.
На теорию Мак-Куллаха в свое время не обратили серьезного внимания и вспомнили о ней только после создания Максвеллом электромагнитной теории света. Тогда даже было показано, что ее можно интерпретировать в понятиях электромагнитной теории све та Максвелла. Для эфира Мак-Куллаха В. Томсон даже придумал специальную модель. Она представляла собой систему гироскопов, соединенных специальными шарнирами, и действительно обладала свойствами эфира Мак-Куллаха.
Перед теорией эфира стояли и другие трудные задачи, в частно сти объяснение дисперсии света. Если рассматривать эфир как
265
сплошную среду, то нельзя объяснить это явление. Для такой среды скорость распространения возмущений не зависит от частоты. На этот вопрос впервые обратил внимание опять же Френель. Он считал возможным объяснить дисперсию света, приняв гипотезу, согласно которой эфир состоит из частиц, расстояние между кото рыми сравнимо или больше длины световых волн. В этом случае следует ожидать, что скорость света зависит от длины волны.
Эта идея была разработана Коши, который в 30-х годах анали тически доказал, что в таком эфире скорость распространения волн действительно зависит от частоты, т. е. должна иметь место дис персия. Коши получил формулу, известную под названием форму лы Коши, выражающую зависимость скорости света от длины волны:
Здесь ,— длина волны, , , — коэффициенты, постоянные для данной среды.
Иначе к вопросу о дисперсии подошел (правда, позже) фран цузский ученый Буссинеск. В отличие от предшественников он отка зался от гипотезы, что упругость или плотность эфира зависит от вещества, в котором он находится. В 1868 г. Буссинеск высказал предположение, что эфир и внутри тел, и в вакууме имеет одну и ту же упругость и плотность. Особенности же прохождении света че рез тела объясняются взаимодействием световых волн, распространяющихся в эфире, с молекулами этих тел. Отправляясь от этих предположений, Буссинеск разработал теорию дисперсии, которая была шагом вперед и предвосхищала некоторые идеи возникшей позднее электронной теории, хотя и исходила еще из представления об упругом эфире.
Дальнейшие шаги в развитии теории эфира относятся к перио ду установления электромагнитной теории света, когда встал вопрос уже о построении не только теории светового эфира, но и теории эфира, объединяющей световые и электромагнитные явления.
ГЛАВА X
РАЗВИТИЕ УЧЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЯХ
В ПЕРВОЙ ПОЛОВИНЕ XIX В. (ДО ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА)
§ 29. ОТКРЫТИЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА И ПЕРВЫЕ ШАГИ В ИЗУЧЕНИИ ДЕЙСТВИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Первый этап развития учения об электричестве и магнетизме, охватывающий XVIII в., заключался в исследовании законов рав новесия электрических зарядов и магнитов. Были установлены ос новные законы взаимодействия электрических зарядов и магнитов, а затем (в первой половине XIX в.) создан соответствующий мате матический аппарат.
В конце XVIII в. начали изучать электрический ток, его дейст вия. Возникает и развивается новая область учения об электриче стве и магнетизме, названная одним из ее основоположников, Ам пером, электродинамикой. Электродинамика в первой половине XIX в., так же как и электростати ка, основывалась на принципе дальнодействия. Правда, именно тогда Фарадей строит теорию электрических и магнитных явле ний на основе принципа близкодействия, но его взгляды не встре чают поддержки. Только после признания результатов исследо ваний Максвелла происходит пе реворот во взглядах физиков на природу электрических и магнит ных явлений.
Рассмотрим развитие электро динамики, основанной на принци пе дальнодействия. Начало раз вития электродинамики связано с открытием первого источника по стоянного тока, которое обязано исследованиям итальянского
профессора медицины Луиджи Гальвани (1737—1798), отно-
Луиджи Гальвани
267
сящимся еще к концу XVIII в. Занимаясь физиологией и медициной, он, как и многие его современники, интересо вался физиологическим действием электрического тока и ролью электричества в процессах, происходящих в живом организме. Про водя исследования в этом направлении, он открыл так называемое гальваническое электричество. На это открытие натолкнули Гальвани опыты, в которых он наблюдал сокращения мышц препарирован ной лягушки при прикосновении металлических предметов, когда вблизи в электрической машине проскакивали искры. Гальвани ре шил проверить, имеет ли место подобное явление при действии ат мосферного электричества. Для этого он развесил препарированных лягушек на железной решетке сада с медными крючками, воткну тыми в спинной мозг. Гальвани отметил, что мышцы лягушки со кращаются независимо от состояния атмосферы, если медные крюч ки касаются железной ограды сада. Он решает проделать подобные эксперименты в помещении. Гальвани помещал лягушку на желез ную пластинку; касаясь медной проволокой, пропущенной через спинной мозг лягушки, этой пластинки, он наблюдал судорожные сокращения мышц. К объяснению открытого явления Гальвани подошел, прежде всего, как врач. Он считал, что открыл «животное» электричество, вырабатываемое организмом лягушки и являющееся одновременно «нервным флюидом». При замыкании нерва и мус кула лягушки проводником образуется замкнутая цепь, «животное» электричество свободно протекает по этой цепи и вызывает сокра щение мышцы, играющих роль регистратора.
Открытие Гальвани и его теория «животного» электричества, опубликованная в 1791 г., вызвали большой интерес. Некоторые ученые повторили опыты Гальвани. Среди них был и итальянский физик Алессандро Вольта (1745— 1827), который не только подтвер дил результаты опытов Гальвани, но и сделал новый шаг в изучении открытого явления.
Вольта, как физика, прежде всего, интересовала физическая сторона явления. На основании ряда исследований он пришел к иному выводу, чем Гальвани. Вольта заметил, что сила сокра щения мышц лягушки зависит от того, какие употребляются метал лы, и что однородные металлы по чти не оказывают действия. Отсю да он заключил, что источником электричества является не орга низм лягушки: оно возникает в результате соприкосновения раз нородных металлов, лягушка же
Алессандро Вольта
268
играет роль регистрирующего прибора. Он выдвинул гипотезу, со гласно которой металлические тела обладают свойством действо вать на заключенный в них электрический «флюид», отталкивая или притягивая его. Поскольку каждый металл обладает определенной силой действия на электрический флюид, то соприкосновение раз личных металлов приводит его в движение, возникает электриче ский ток, который и действует на нервы и мышцы лягушки. Выска зав эту гипотезу, Вольта предложил изменить название «животное» электричество на «металлическое» электричество.
Против гипотезы Вольта выступили Гальвани и некоторые его последователи. При этом Гальвани удалось показать, что сокраще ние мыши лягушки наблюдается без участия металлических проводников. Это явление было подтверждено. Итальянец Нобили в 1827 г. обнаружил с помощью чувствительного гальванометра на личие тока в цепи, составленной туловищем и лапками лягушки. Таким образом, было установлено наличие тока в живом организме.
С другой стороны, Вольта, обосновывая гипотезу «металлического электричества», шел по пути исключения из опыта живого орга низма. Он показал, что простое соприкоснове ние разнородных металлов приводит к их элек тризации. Это было открытие контактной раз ности потенциалов у металлов (данный термин появился позже). Для обнаружения контакт ной разности потенциалов Вольта сконструиро вал специальный прибор, который представлял собой электроскоп, снабженный шкалой с дву мя соломинками. К стержню электроскопа был прикреплен конденсатор, состоящий из двух круглых пластинок из разных металлов, верхняя из которых могла подниматься (рис. 48). С помощью этого прибора Вольта измерял в произвольных единицах контактную разность потенциалов между различными ме таллами, способными «приводить в движение электрический флюид». Описывая эти опыты, Вольта писал:
«Две хорошо отполированные пластинки с изолиру ющими ручками, одна из цинка, другая из серебра, бу дучи наложены друг на друга... будут действовать так же, как конденсатор... при разъединении покажут на моем электрометре с соломинками примерно 3° электри чества, цинк — положительного, а серебро — отрица тельного» 1).
Вольта расположил металлы в ряд, причем каждый стоящий справа металл при соприкос новении со стоящим слева электризовался отрицательно. При этом, как он полагал, «спо-
Рис. 48. Электроскоп с конденсатором Воль та
_________________________________
1) Volta A. Ann. Phys., В. 10, 1802, S. 433.
269
собность приводить в движение электрический флюид» для ме талла, расположенного не рядом, равна сумме «способностей» всех промежуточных пар металлов. Подобные исследования привели Вольта к изобретению первого гальванического элемента, получив шего название вольтова столба. Об этом изобретении он сообщил в 1800 г.
Исследуя соединения различных тел, Вольта пришел к выводу, что контактная разность потенциалов имеет место только между металлами и некоторыми другими «сухими» проводниками; между «сухими» и «влажными» проводниками она не возникает. Первые проводники Вольта назвал проводниками первого класса, вторые — второго класса.
Отсюда, предполагает Вольта, следует возможность получения непрерывного электрического тока (если привести два разнородных металла в соприкосновение и соединить их с помощью проводника второго класса). Вольта писал:
«Соединение разных проводников, особенно металлов, включая пирит и дру гие минералы, так же как и уголь, которые я называю сухими проводниками, или проводниками первого класса, с влажными проводниками, или проводника ми второго класса, волнует или возбуждает электрический флюид и дает ему некоторый импульс» 1).
Вольтов столб состоял из нескольких десятков наложенных друг на друга круглых пластинок из серебра и цинка или меди и олова, между которыми были проложены картонные прокладки, пропитан ные соленой водой (рис. 49). Вольта установил, что при замыкании крайних пластинок возникает электрическая искра, а при прико сновении к прибору ощущаются удар и покалывание. В отличие от лейденской банки действие столба непрерывно. Если замкнуть крайние пластинки вольтова столба через тело, то сначала также чувствуются удар и покалывание, а затем появляется ощущение постоянного жжения, «которое не только не утихает, но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор,
Рис. 49. Вольтовы столбы
__________________________________
1) Whittaker Е. A. History of the Theories of Aether and Electricity. The Classical Theories, 1951, p. 70.
пока цепь не разомкнётся» 1). Вольта так объяснял действие галь ванической батареи. Между каждой парой пластин из цинка и се ребра возникает разность потенциалов. Эти пары соединены про водниками второго рода, между которыми и металлами такой раз ности потенциалов нет, поэтому напряжения от каждой пары ме таллов суммируются: в результате на концах батареи имеет место значительное напряжение. Это напряжение непрерывно поддержи вается, и по замкнутой цепи протекает электрический ток.
Теория гальванического элемента, созданная Вольта, получила название контактной. В противовес ей возникла другая теория, по которой электрический ток возникает в результате химических про цессов, происходящих в гальваническом элементе. Между последо вателями этих двух теорий некоторое время велась дискуссия, окончившаяся победой химической теории. Причем критики кон тактной теории опирались, в частности, и на принцип невозможно сти вечного двигателя, которым являлся бы гальванический эле мент, если бы теория Вольта была справедливой.
Открытие гальванического элемента было важным этапом в развитии физики. С этого времени начинают изучать электрический ток и его действия. Первые исследования были посвящены изуче нию химического действия тока. При этом была установлена тесная связь электрических и химических явлений.
В 1800 г. англичане Никольсон и Карлейль разложили воду с помощью электрического тока на водород и кислород. В этом же году английский врач и химик Крюикшенк разложил электриче ским током растворы некоторых солей, а в 1807 г. английский хи мик Хемфри Дэви (1778—1829), разлагая электрическим током ед кие щелочи, открыл новые элементы — калий и натрий, а в следую щем году — кальций.
Новым существенным шагом в развитии электрохимии были ис следования литовского ученого Теодора Гроттгуса (1785—1822), опубликованные в 1805 г. Гроттгус создал первую теорию электро лиза воды. Согласно Гроттгусу, частицы воды между электродами разлагаются на положительно заряженный водород и отрицательно заряженный кислород.
«Допустим, — писал Гроттгус об электролизе воды, — что в момент раздельного возникновения водорода и кислорода происходит между обоими этими ве ществами — будь то от прикосновения, будь то от взаимного трения — также разделение присущего им электричества, так что водород приходит в состояние положительное, а кислород — отрицательное; отсюда следует, что полюс, от ко торого непрерывно исходит смоляное электричество, притягивает водород и отталкивает кислород, в то время как полюс со стеклянным электричеством притягивает кислород и отталкивает водород. Если же гальванический ток пронизывает часть воды, то каждая из двух ее составных частей подвергается дейст вию притягательной силы и отталкивательной силы, центры действия которых находятся на противоположных сторонах; их действие, происходящее в одинаковом направлении, вызывает разложение этой жидкости» 2).
____________________________________
1) Volta A. Galvanismus und Entdeckung des Saulenapparates. Ostwald's Klassiker. Leipzig. 1900. S. 90—91.
2) Петров В. В., Гроттгус Т. в др. Избранные труды по электричеству М., Гостехиздат, 1956, с. 151—152.
271
Несколько позже теорию электролиза развивал Дэви (1806). Считая, что положительный полюс притягивает кислород и «кислые вещества», а отрицательный полюс — водород, металлы и некото рые другие вещества, Дэви предположил, что в электролитической ванне
«энергия притяжения и отталкивания передается от одной частицы к дру гой частице того же рода, таким образом, что в жидкости устанавливается про водящая цепь, и что соответственно этому происходит и продвижение» 1).
Дэви также принадлежит первая теория электрической природы химического сродства, которая была развита в 1812 г. химиком Берцелиусом. Согласно Берцелиусу, в каждом атоме имеются два противоположных электрических полюса (положительный и отри цательный). Возникающие в результате этого между атомами электрические силы и обусловливают способность атомов соеди няться (их химическое средство).
В первые два десятилетия XIX в. были получены результаты и в изучении теплового и светового действий тока, а также первые ре зультаты в установлении законов постоянного тока.
Ряд заслуг в этом отношении принадлежит русскому физику и химику Василию Владимировичу Петрову (1761—1834). Научная деятельность В. В. Петрова протекала в конце XVIII и начале
XIX в. Он был профессором Петербургской медико-хи рургической академии, где им был создан физический кабинет. В 1803 г. он опуб ликовал результаты своих исследований по электриче ству в книге «Известия о Гальвани — Вольтовых опы тах». Источником электриче ского тока в опытах Петрова служила огромная для того времени гальваническая ба тарея. Построенная им ба тарея (рис. 50), состояла из 4200 цинковых и медных кружков, которые были уло жены горизонтально в четы ре ряда в деревянном ящике и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем. Петров проде лал много опытов, изучая химическое, а также тепло-
Рис. 50. Предполагаемый вид батареи Петрова
________________________________________
1) Дэви Г. О некоторых химических действиях электричества. М.— Л., Гостехиздат, 1933, с. 59.
272
вое действие электрического тока. В одном из опытов он впервые наблюдал электрическую дугу. Вот как он сам описывал этот опыт:
«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками бу дут положены два или три древесных угля, способные для произведения свето носных явлений посредством Гальвани — Вольтовской жидкости, и если потом металлическими изолированными направителями (directores), сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на рас стояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скоро или медленно загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может» 1).
Изучая химическое, тепловое и другие действия тока, Петров сделал некоторые выводы, относящиеся к законам постоянного то ка. Так, например, он считал, что проводники обладают различной проводимостью и что свойства проводника определяют вместе с особенностями самой батареи действие тока в цепи. При этом он подчеркивал, что чем больше сечение проводника, тем сильнее дей ствие «Гальвани — Вольтовской жидкости».
Исследования Петрова не были известны за границей. Частично это объясняется тем, что все свои работы Петров печатал только на русском языке. Другой причиной послужило недоброжелатель ное отношение со стороны реакционных академиков во главе с пре зидентом академии С. С. Уваровым. Поэтому, в частности, приори тет открытия электрической дуги был полностью приписан Дэви, опубликовавшему свои опыты с электрической дутой в 1812 г.
§ 40. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Исследовать магнитное действие электрического тока начинают после открытия датским ученым Хансом Кристианом Эрстедом (1777—1851) действия электрического тока на магнитную стрелку. Уже задолго до открытия Эрстеда были известны факты, указыва ющие на существование связи между электричеством и магнетиз мом. Еще в XVII в. были известны случаи перемагничения стрелки компаса во время ударов молнии. В XVIII в. после установления электрической природы молнии были сделаны попытки намагни тить железо, пропуская через него разряд лейденской банки, а поз же — ток от гальванической батареи. Однако эти попытки не при вели к каким-либо определенным результатам. Впервые доказал связь между электрическими и магнитными явлениями Эрстед в 1819 г. Полученный результат оказался неожиданным для всех, в том числе и для него самого. Неожиданным был сам характер свя зи, а не факт ее существования. Эрстед гораздо раньше был глубо ко уверен в наличии связи между электрическими и магнитными явлениями и надеялся изучить ее характер. Уже в 1807 г. он предпо-
_________________________________________
1) Петров В. В., Гроттгус Т. и др. Избранные труды по электричеству, с. 82.
273
Ханс Кристиан Эрстед
лагал исследовать действие электри чества на магнитную стрелку 1), но не смог выполнить свое намерение. Уве ренность в наличии связи между электрическими и магнитными явле ниями была связана у Эрстеда с его общими философскими взглядами на явления природы. Несмотря на раз нообразие окружающих явлений, он полагал, что между ними имеются глубокие связи и единство. В одном из своих последних сочинений Эр стед писал: «глубоко проникающий взгляд открывает нам во всем ее многообразии замечательное един ство» 2). Эрстед верил, что между электрическими, тепловыми, свето выми, химическими, а также и маг нитными явлениями должны сущест вовать связи, раскрыть которые — задача науки. На возникновение у Эрстеда этих идей оказали опреде ленное влияние натурфилософские взгляды Шеллинга, в которых также утверждалось единство электрических, магнитных и химиче ских «сил». Можно также упомянуть малоизвестного венгерского ученого Винтерла, утверждавшего, что все силы природы возника ют из единого источника. Его работы были известны Эрстеду, а сам Винтерл знал последнего и даже посвятил ему одно из своих сочи нений 3). Вот как сам Эрстед описал историю своего открытия:
«Так как я уже давно рассматривал силы, проявляющиеся в электрических явлениях всеобщими природными силами, то я должен был отсюда вывести и магнитные действия. Я высказал поэтому гипотезу, что электрические силы, ког да они находятся в сильно связанном состоянии, должны оказывать на магнит некоторое действие.
Я не мог тогда проделать опыт для проверки, так как совершал путешествие, и внимание мое было занято целиком разработкой химической системы 4).
Открытие Эрстеда, сделанное им в 1819 г. и опубликованное в 1820 г., заключалось в следующем. Эрстед обнаружил, что если воз ле магнитной стрелки поместить прямолинейный проводник, на правление которого совпадает с направлением магнитного мериди ана, и пропустить через него электрический ток, то магнитная стрелка отклоняется. Величину момента силы, действующего на магнитную стрелку под влиянием электрического тока, Эрстед не
__________________________
1) См.: Jones В. The Life and Letters of Faraday. Vol. II. London, 1870, p. 395.
2) Oersted H. Ch. Der Geist und der Natur В 2, Munchen, 1851, S. 435.
3) Winterl I. Darstellung der vier Bestandtheit der anorganischen Natur. Vena, 1804.
4) Oersted H. Ch. J. Chem. Phys., B. 32, 1821, s. 200—201.
274
Андре Мари Ампер
определил. Он только отметил, что угол, на который отклоняется стрел ка под действием тока, зависит от расстояния между ней и током, а также, говоря современным языком, от силы тока (во времена Эрстеда еще не было твердо установлено по нятие силы тока).
Теоретические соображения Эр стеда по поводу сделанного им от крытия не отличались достаточной ясностью. Он говорил, что в окру жающих точках пространства возни кает «электрический конфликт», ко торый имеет вокруг проводника вих ревой характер. Статью, в которой впервые сообщалось об этом откры тии, Эрстед называет «Опыты, отно сящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».
Открытие Эрстеда вызвало боль шой интерес и послужило толчком к новым исследованиям. В том же 1820 г. были получены новые ре зультаты. Так, Араго показал, что проводник с током действует на железные предметы, которые при этом намагничиваются. Француз ские физики Био и Савар установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку. Поместив магнит ную стрелку около прямолинейного проводника с током и наблюдая изменение периода колебаний этой стрелки в зависимости от рас стояния до проводника, они установили, что сила, действующая на магнитный полюс со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно проводнику и прямой, соединяющей проводник с полюсом, а ее величина обратно пропорциональна это му расстоянию. Этот результат был проанализирован, и после введения понятия элемента тока был установлен закон, известный под названием закона Био—Савара.
Также в 1820 г. был получен новый важный результат в области электромагнетизма французом Андре Мари Ампером (1775—1836). К этому времени Ампер был уже известным ученым, имел ряд тру дов по математике, физике и химии. Кроме того, Ампера привлека ли биология и геология. Он живо интересовался философией и в конце жизни написал большой труд «Исследование по философ ским наукам», посвященный вопросу классификации наук. Миро воззрение Ампера формировалось в значительной степени под влиянием французских просветителей и материалистов. Его взгля ды на физические явления отличались от взглядов большинства его современников. Он был противником концепции «невесомых». «Раз ве надо, — говорил Ампер, — для каждой новой группы явлений придумывать специальный флюид?» Ампер очень быстро принял
275
волновую теорию света, которая, по словам Араго, наряду с теорией самого Ампера, объясняющей магнитные явления электрическими, «стала его любимой теорией» 1). Ампер был противником теории теп лорода и считал, что сущность теплоты заключается в движении атомов и молекул. Он даже написал работу, посвященную волновой теории света и теории теплоты. В начале сентября 1820 г. Араго сообщил французским академикам об открытии Эрстеда и вскоре продемонстрировал его опыты на заседании Парижской Академии наук. Ампер чрезвычайно заинтересовался этим открытием. Преж де всего, оно натолкнуло его на мысль о возможности сведения маг нитных явлений к электрическим и исключении представления о специальной магнитной жидкости. Вскоре Ампер уже докладывал о своих новых гипотезах и говорил об опытах, которые должны их подтвердить. В кратком резюме своего первого доклада Ампер писал:
«Я свел явления, наблюденные г. Эрстедом, к двум о5щим фактам, я пока зал, что ток, существующий в вольтовом столбе, действует на магнитную стрел ку так же, как и ток соединительной проволоки. Я описал опыты, при помощи которых я установил притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки под действием соединяющей проволоки. Я описал приборы, которые предполагал со орудить и, между прочим, гальванические винты и спирали. Я указал, что по следние будут производить во всех случаях те же действия, что и магниты. Затем я коснулся некоторых подробностей относительно своего воззрения на маг ниты, согласно которому они обязаны своим свойствам единственно электриче ским токам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных их оси. Я коснулся также некоторых подробностей относительно подобных же токов, предполагае мых мною в земном шаре. Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям» 2).
В конце 1820 — начале 1821 г. им было сделано более десяти докладов. В них Ампер сообщал как о своих экспериментальных исследованиях, так и о теоретических соображениях. Ампер пока зал на опыте взаимодействие двух прямолинейных проводников с током, взаимодействие двух замкнутых токов и т. д. Он также де монстрировал взаимодействие соленоида и магнита; эквивалентное поведение соленоида и магнитной стрелки в поле земного магне тизма и ряд других опытов.
Теоретические выводы Ампера являлись развитием идей, выска занных им в первом сообщении: теперь они были подтверждены опытными исследованиями. Свойства магнита он объяснял наличи ем в нем токов, а взаимодействие магнитов — взаимодействием этих токов. Сначала Ампер считал эти токи макроскопическими, несколько позже он пришел к гипотезе молекулярных токов. Соот ветствующую точку зрения Ампер развивает и по вопросу о земном магнетизме, полагая, что внутри Земли протекают токи, которые обусловливают ее магнитное поле.
Теоретические соображения Ампера встретили со стороны неко торых физиков возражения. Не все сразу могли отказаться от су ществования «магнитного флюида». Кроме того, взгляды Ампера,
___________________________________________
1) Араго Ф. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. Т. II. СПб., I860, с. 304.
2) Ампер А. М. Электродинамика. М., Изд-во АН СССР, 1954, с 410—411.
276
казалось, не укладывались в общее представление о физических явлениях, в частности, они предполагали наличие сил, зависящих не только от расстояния, но и от движения (от силы тока). Нако нец, они могли казаться видоизменением картезианских идей. И действительно, Ампер высказывался в картезианском духе о си лах, действующих между электрическими токами. Он писал, что «стремился объ яснить ее (силу — Б. С.) ре акцией жидкости, разлитой в пространстве, колебание которой вызывает световое явление» 1).
Однако такие рассужде ния не характерны для Ам пера, и его главный труд на зывается «Теория электро динамических явлений, выве денная исключительно из опыта».
Особенно активным про тивником теории Ампера был Био, который предло жил другое объяснение взаи модействия электрических токов. Он полагал, что когда по проводнику протекает электрический ток, то под его действием хаотично располо женные магнитные диполи, которые имеются в проводнике, определенным образом ориентиру ются. В результате этого проводник приобретает магнитные свой ства и возникают силы, действующие между проводниками, по ко торым течет электрический ток.
Против этой теории Ампер возражал, основываясь на открытии Фарадеем так называемого электромагнитного вращения. Фарадей с помощью специального прибора (рис. 51) установил факт непре рывного вращения магнита вокруг тока и тока вокруг магнита (1821). Ампер писал:
«Как только было опубликовано открытие первого непрерывного вращательного движения, сделанное Фарадеем, я сразу же увидел, что оно целиком опровергает эту гипотезу, и вот в каких выражениях я изложил мою мысль... Движение, продолжающееся постоянно в одном направлении, несмотря на тре ние, несмотря на сопротивление среды, и притом движение, вызываемое взаимо действием двух тел, остающихся все время в одном состоянии,— беспримерный факт среди всего, что мы знаем о свойствах неорганической материи. Он доказы вает, что действие, исходящее из гальванических проводников, не может быть вызвано особым распределением некоторых жидкостей, находящихся в этих про-
Рис. 51
________________________________
1) Ампер А. М. Электродинамика, с. 124.
277
водниках в состоянии покоя, которому обязаны своим происхождением обыкно венные электрические притяжения и отталкивания. Это действие можно припи сать только жидкостям, которые движутся в проводнике, быстро переносясь от одного конца к другому» 1).
Действительно, ни при каком постоянном расположении сило вых центров (каковыми являются магнитные диполи Био) нельзя добиться их непрерывного движения так, чтобы они все время воз вращались в первоначальное положение. Иначе опровергался бы принцип невозможности вечного двигателя.
Открыв взаимодействие токов, эквивалентность магнита и соле ноида и т. д., а также выдвинув ряд гипотез, Ампер поставил перед собой задачу установить количественные законы этого взаимодей ствия. Для ее решения естественно было поступить аналогично тому, как поступали в теории тяготения или электростатике, а именно представить взаимодействие конечных проводников с током как результат суммарного взаимодействия бесконечно малых элемен тов проводников, по которым течет электрический ток, и таким об разом свести указанную задачу к нахождению дифференциального закона, определяющего силу взаимодействия между элементами проводников с током или между элементами токов.
Однако эта задача является более трудной, нежели соответству ющая задача в теории тяготения или электростатике, так как поня тия материальной точки или точечного заряда имеют непосредст венный физический смысл и с ними можно было проводить опыт, тогда как элемент электрического тока такого смысла не имел и реализовать его в то время было невозможно. Ампер поступает сле дующим образом. На основании известных опытных данных он вы двигает гипотезу о том, что сила взаимодействия между элемента ми проводников с током такова:
Рис. 52
где i1 и i2 — сила токов, ds1 и ds2— элементы проводников, r — расстояние между элемен тами, n — некоторое (пока неизвестное) чис ло, Ф(, 1, 2)—еще не известная функ ция углов, определяющих взаимное распо ложение элементов проводников (рис. 52). Предположения эти имеют разный харак тер. Так, предположение о зависимости dF от силы тока следует непосредственно из эк спериментов. Предположение, что сила dF должна быть пропорциональна ds1 и ds2, a также некоторой, пока не известной функ ции углов, также можно рассматривать как следствие, полученное из опытов, хотя и не непосредственно. Предположение о зависи мости dF от расстояния между элементами
____________________________________
1) Ампер А. М Электродинамика, с. 127—128.
278
токов основано, безусловно, уже только на предполагаемой анало гии с силами тяготения или силами взаимодействия между электри ческими зарядами.
Определить n и выражение функции углов Ф(, 1, 2) можно, измерив силы взаимодействия между проводниками с током, раз лично расположенными друг относительно друга, разной величины и формы. Однако во времена Ампера это сделать было очень труд но, так как рассматриваемые токи были невелики. Ампер вышел из положения, исследовав случаи равновесия проводников с токами различно расположенных и разной формы. В результате он опреде лил n и Ф (, 1, 2) и получил окончательный результат для закона взаимодействия элементов токов:
*
В векторной форме и соответствующих единицах этот закон имеет вид
где dF12 — сила, действующая на второй элемент тока.
Таким образом, закон, установленный Ампером, отличается от закона взаимодействия двух элементов токов, который в настоящее время называют законом Ампера и выражают формулой
Ошибка, допущенная Ампером, не повлияла на результаты расчетов, так как закон, естественно, применяли для простых слу чаев определения взаимодействия замкнутых проводников с по стоянными токами. В этом случае обе формулы приводят к одному и тому же результату, так как они отличаются друг от друга на величину, которая при интегрировании по замкнутому контуру дает нуль.
В 1826 г. был издан основной труд Ампера «Теория электроди намических явлений, выведенная исключительно из опыта». В этой книге Ампер систематически изложил свои исследования по элек тродинамике и, в частности, привел вывод закона взаимодействия элементов токов. В заключение обзора работ Ампера следует от метить, что он использовал понятие и термин «сила тока», а также понятие «напряжение», хотя и не приводил ясной и четкой форму лировки этих понятий. Амперу также принадлежит идея создания прибора для измерения силы тока (амперметра). Наконец, следует указать, что Ампер высказал идею электромагнитного телеграфа, которая затем была реализована на практике.
Важным достижением электродинамики первой половины XIX в. было установление законов цепи постоянного тока. Уже в начале XIX в. было высказано предположение, что сила тока (дей ствие тока) в цепи зависит от свойств проводников. Так, Петров
279
Георг Ом
отмечал, что действие гальваниче ского элемента тем больше, чем больше поперечное сечение провод ников. Несколько позже зависи мость химического действия тока от проводников установил Дэви, кото рый показал, что это действие тем больше, чем короче проводники и чем больше их сечение.
В середине 20-х годов исследова нием цепи постоянного электрическо го тока занялся немецкий физик Георг Ом (1787—1854). Прежде всего, Ом экспериментально установил, что величина электрического тока зависит от длины проводников, их сечения и от числа гальванических элементов, включенных в цепь. Для измерения силы тока Ом использо вал простейший гальванометр, представляющий собой крутильные весы, на нити которых была подвешена магнитная стрелка; Под стрелкой
располагали проводник, включенный в цепь электри ческого тока. Когда по про воднику протекал электриче ский ток, магнитная стрелка отклонялась. Поворачивая головку крутильных весов, приводя стрелку в ее перво начальное положение, Ом из мерял момент сил, действую щих на маленькую стрелку. Как и Ампер, он считал, что величина этого момента про порциональна силе тока.
Сначала Ом исследовал зависимость силы тока от длины проводника, включен ного в цепь. В качестве ис точника тока он использовал термоэлемент, состоящий из висмута и меди (рис. 53). Висмутовый стержень bb' имеющий форму буквы П, соединен с медными полоса ми. Ом нашел, что «сила маг нитного действия» тока (си-
Рис 53. Прибор Ома (рисунки Ома)
280
ла тока) исследуемого проводника определяется формулой
где х — длина проводника, а и b — постоянные, причем а зависит от возбуждающей силы термоэлемента (erregende Kraft), a b — от особенностей всего остального участка цепи, включая и термоэле мент.
Ом затем установил, что если в цепь включен не один, а т оди наковых источников тока, то «сила магнитного действия тока»
Ом определил также, как зависит сила тока X в проводнике от его длины и поперечного сечения. Он нашел, что
где k — коэффициент проводимости проводника (Leitungsvermogen), w — поперечное сечение, а l — длина проводника, а — элект рическое напряжение на его концах (Electrische Spannung).
Ом исследовал распределение электрического потенциала «электроскопической силы» вдоль однородного проводника с током. Для этого он применял электрометр, который присоединял к раз личным точкам проводника, когда одна из точек проводника была заземлена. Наконец, Ом попытался теоретически осмыслить обна руженные им закономерности. Он исходил из представления об электрическом токе как о течении электричества вдоль проводника. Он проводил аналогию между электрическим током и потоком теп лоты. Он считал, что, подобно потоку теплоты, электричество течет по проводнику от одного слоя или элемента к другому, близлежа щему. Поток теплоты определяется разностью температур в близ лежащих слоях стержня, по которому течет эта теплота (т. е. гра диентом температуры). Подобно этому, Ом полагает, что поток электричества должен определяться разностью электрической силы в близлежащих сечениях проводника. Он писал:
«Я полагаю, что величина передачи (электричества. — Б. С.) между двумя близлежащими элементами при других равных обстоятельствах пропорциональ на разности электрической силы в этих элементах, подобно тому, как в учении о теплоте принимается, что тепловая передача между двумя элементами тепла пропорциональна разности их температур» 1).
Под электрической силой здесь Ом понимает не напряженность электрического поля, а величину, которую показывает электроскоп, присоединенный к какой-либо точке проводника, если одна из точек гальванической цепи заземлена, т. е. разность потенциалов. Эту ве личину Ом и называл также «электроскопической силой».
______________________________
1) Ohm G. Gesammelte Adhandlungen. Leipzig, 1892, S. 63.
281
Как часто бывает, аналогия, распространяемая слишком дале ко, приводит к ошибкам. Так, Ом из того, что температура пропорциональна количеству теплоты, ошибочно заключил, что и «электроскопическая сила» в проводнике пропорциональна количеству электричества в каждой его точке. Решая задачу о распростране нии потенциала вдоль цепи тока, Ом полагал, что тем самым нахо дит количество электричества в соответствующих местах провод ника.
Закон, открытый Омом и носящий его имя, далеко не сразу по лучил признание. Еще в 30-х годах по его поводу высказывали со мнения и отмечали ограниченность его применения. Однако в ряде работ различных физиков, применивших более совершенные методы измерения, выводы Ома были подтверждены и его закон получил всеобщее признание. При этом были также исправлены ошибочные представления Ома.
Кирхгоф в работах, относящихся к 1845—1848 гг., уточнил по нятие «электроскопической силы». Он установил тождественность понятия этой величины и понятия потенциала в электростатике. Кирхгоф также установил общеизвестные правила для электриче ских цепей.
Спустя более чем 15 лет после открытия закона Ома был установлен закон, определяющий количество теплоты, выделяемой электрическим током в цепи; он был установлен экспериментально англичанином Джоулем (1843) и независимо от него петербургским академиком Э. X. Ленцем (1844). В настоящее время его называют
законом Джоуля — Ленца.