8.5. Эфир

Гипотеза упругих колебаний поставила вопрос о движении эфира. Астрономические опыты Араго показали, что движения эфира нет, т.е. вращение Земли не оказывает заметного влияния на результаты измерений. Этот результат оказался несовместимым с корпускулярной теорией, поэтому Араго обратился к Френелю с вопросом, совместим ли он с волновой теорией. Френель ответил положительно, если учитывать частичное увлечение эфира при вращении Земли вокруг своей оси.

Для световых волн имели значение акустические аналогии. Так, влияние движения источника звука было изучено Христианом Допплером (1803-1853), который показал, что приближение источника приводит к уменьшению периода колебаний, а удаление - к его увеличению (“красное” смещение в оптике).

В 1848 г. Физо предложил использовать этот эффект (эффект Допплера - Физо) для измерения радиальной составляющей скорости звезд по смещению их спектральных линий. Эффект Допплера тоже как будто подтверждал гипотезу Френеля о частичном увлечении эфира Землей.

Этой проблемой, как уже отмечалось, занимался и Майкельсон. В его установке луч разделялся на две взаимно перпендикулярных составляющих и затем вновь собирался. Если Земля движется относительно эфира (эфирный ветер), то должна была бы наблюдаться интерференционная картина. Но ее не было, следовательно, эфир полностью увлекается Землей. Однако явление аберрации света показало, что эфир неподвижен. Впоследствии это противоречие привело к созданию теории относительности.

8.6. Теплота. Тепловое расширение. Сжижение газов

Исследовалось тепловое расширение газов, жидкостей и твердых тел, в частности биметаллов. Вольта получил значение коэффициента расширения газов 1/270 1/ С. Но его статья, опубликованная в малотиражном журнале, не была замечена. Шарль (1746-1823) нашел, что ряд газов (кислород, азот. углекислый газ и воздух) расширяются одинаково в интервале температур 0-100 С°. Гей-Люссак (1778-1850) обобщил эти наблюдения на все газы и постоянную расширения нашел равной 1/266,66.

Использование испарения для охлаждения было известно издавна и даже использовалось для охлаждения воды в пористых сосудах. В 1810 г. Волластон построил свой криофор, используемый и в наше время. В 1871 г. Карл Линде(1842-1934) создал холодильную машину, в которой охлаждение достигалось за счет расширения газов. В 1896 г. он получил жидкий водород. Сжижение газов началось с середины 18 в. сжижением аммиака простым охлаждением, а также удалось получить жидкий серный ангидрид, хлор (1805). Майкл Фарадей тоже занимался сжижением газов.

В 1860 году Д.И.Менделеев (1834-1907) утверждал, что для всех жидкостей должна существовать “абсолютная” температура кипения, выше которой жидкости переходят в газообразное состояние при любом давлении. Ряд газов не поддавался сжижению и получил название перманентных: кислород, азот, воздух, водород. Но и они постепенно были сжижены.

8.7. Зарождение термодинамики

Во второй половине 18 столетия теория флуидов (“невесомых”) одержала победу над механической теорией теплоты. Однако, к концу столетия ситуация обострилась и вступила в решающую фазу. По мнению сторонников теплорода, теплород содержится в газе, как сок в апельсине. При сжатии газа из него выделяется теплород, что проявляется в форме нагрева. Еще в 1829 году Био, автор самого авторитетного и популярного учебника по физике, писал, что причина возникновения теплоты при трении все еще неизвестна.

Принцип Карно. Совершенствование паровой машины вызвало к жизни много исследований. Сади Карно(1796-1832), сын Лазаря Карно, французского революционного генерала и специалиста по аналитической механике был военным инженером. В 1824 г. он опубликовал сочинение “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу”, где, исходя из невозможности создания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в том случае, когда тепло переходит от нагретого тела к более холодному (второе начало термодинамики).

Природа рабочего тела роли не играет, а существенна лишь разность температур. Работа написана ясно и изящно, но внимание на нее обратили лишь после того, как в 1934 г. Клапейрон придал ей доступную математическую форму. С.Карно пришел к пониманию механического эквивалента теплоты. Внимание к механическому пониманию теплоты было привлечено в среде неакадемических ученых, не обремененных грузом традиций и авторитетом учителей. Это 30-летний военный инженер Сади Карно, 28-летний Роберт Майер(1814-1878), владелец пивоваренного завода 25-летний Джемс Джоуль (1818-1889) и др.

В 1841 г. Майер написал первую работу, которую редактор немецкого журнала “Аnnalen der Physik” Поггендорф отказался печатать, за что его впоследствии “подкалывали”. Но статье это пошло на пользу, она была улучшена автором. По Майеру, все движения и изменения в мире порождаются "разностями" (перепадами, - А.Р.), вызывающими силы, стремящиеся уничтожить эти разности.

В то время энергию нередко называли силой. Майер же всю жизнь занимался проблемой теплоты, доведя себя до психического истощения. Механический эквивалент теплоты он проницательно выводит из данных по удельной теплоемкости газов при постоянном давлении и постоянном объеме (метод Майера). Он нашел, что 1 ккал=365 кгм. Точная цифра составляет 437 (Джоуль). Не зная о работе Майера, Герман Гельмгольц (1821-1894) опубликовал свою знаменитую работу “О содержании понятия “сила”. Ее Поггендорф тоже отказался публиковать. Как и Майер, он основывался на неуничтожимости энергии. Вся физика 19 в. основывается на двух различных сущностях - материи и энергии. Различие их в том, что энергия невесома (декартов дуализм и продолжение линии “невесомых”).