Завершение научной революции в XVIII в.

Французские просветители и материалисты, высоко оценивая роль разума и науки, стали «виновниками» того, что в историю науки и культуры XVIII в. вошел под названием «век разума».

Переход от феодализма к капитализму отмечен в этом столетии тремя крупными вехами. Это, во-первых, американская революция 1775-1783 гг., в результате которой на политической карте появилось новое независимое государство – США. Затем разразился пожар Великой французской революции (1789-1794), обеспечившей победу буржуазии над феодальным дворянством.

Промышленный переворот в Англии начался, когда была изобретена первая прядильная машина Джоном Уайяттом в хлопчатобумажном производстве.

Фабрика потребовала универсального двигателя. В крепостнической России на алтайских заводах гениальный русский механик Иван Ползунов (1728-1766) думал о том, чтобы «пресечь водяное руководство» и перейти от привязанного к реке водяного колеса к тепловому двигателю – «огненной машине». Ползунов построил пароатмосферную машину непрерывного действия с автоматическим впуском и выпуском пара и инжектированием холодной воды для образования вакуума. К сожалению, со смертью Ползунова изобретение надолго было забыто.

Универсальный паровой (а не пароотмосферный) двигатель с отделением конденсатора от рабочего цилиндра и непрерывным действием был создан английским изобретателем Джемсом Уаттом (1736-1819).

Наука в России. М.В.Ломоносов.

В 1755 г. в Москве по инициативе М.В.Ломоносова был организован университет, ныне носящий имя своего великого основателя.

Указ Петра 1 об учреждении Академии наук был подписан 28 января 1724 г.

Собравшиеся в 1725 г. в Петербурге ученые составили сильный научный коллектив, из которого особую известность получили Д.Бернулли (1700-1782) и Л.Эйлер (1707-1783). Эйлер и Бернулли были не только великими математиками, но и естествоиспытателями, оставившими глубокий след в механике и физике. Широта научных интересов Эйлера поразительна: он занимался различными областями математики, механики, астрономии, физики, техники и даже сельского хозяйства. Его интересовали проблемы логики, философии, статистики. Каталог его сочинений составляет около 900 названий.

Даниил Бернулли является автором знаменитой «Гидродинамики», вышедшей в 1738 г. Оттуда вошло в учебники известное «уравнение Бернулли»; здесь был дан вывод закона Бойля-Мариотта на основе кинетической модели газа.

Академия наук с 1728 г. начала издавать научный журнал «Комментарии. До конца своей жизни Ломоносов трудился над приведением академии в «доброе состояние», над созданием условий, способствующих «процветанию наук» в России. Его личная научная работа поистине всеобъемлюща. Он первый русский профессор химии (1745), создатель первой русской химической лаборатории (1748), автор первого в мире курса физической химии. В области физики он оставил ряд важных работ по кинетической теории газов и теории теплоты, по оптике, электричеству, гравитации и физике атмосферы. Он занимался астрономией, географией, металлургией, историей, языкознанием, писал стихи, создавал мозаичные картины, организовал фабрику по производству цветных стекол.

В полном собрании сочинений Ломоносова в первых четырех томах, содержащих работы по физике, химии, астрономии и приборостроению, опубликовано 85 работ, из них законченных при жизни Ломоносова 27, в том числе одна переводная книга «Вольфианская физика» и одна переводная брошюра («Описание появившейся в начале 1744 г. кометы»). Таким образом, при жизни Ломоносова было завершено и опубликовано менее трети его работ.

Только Пушкин правильно расставил ударения на деятельности Ломоносова, подчеркнув его роль как ученого и просветителя, назвав его «первым русским университетом».

Во времена Ломоносова были известны только два газа: воздух и углекислый газ. Ломоносов является одним из основателей научной химии, глубоко понимавшим ее задачи и назначение. В химических лабораториях Ломоносова важную роль играет атомистика, которая служит краеугольным камнем его научного мышления. Ломоносов является одним из основателей механической теории теплоты и кинетической теории газов. В своих работах на эту тему он сводит теплоту и упругость газов к движениям «нечувствительных частиц».

В научной системе Ломоносова важное место занимает «всеобщий закон» сохранения. Впервые он формулирует его в письме к Леонарду Эйлеру. Печатная публикация закона последовала через 12 лет, в 1760 г. в диссертации «Рассуждение о твердости жидкости тел». Здесь в русском переводе конец читается так: «Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». Это первая в истории физики формулировка закона «сохранения силы». До введения Ранкиным термина «энергия» закон сохранения энергии именовался законом сохранения силы. У Ломоносова он является частным случаем всеобщего закона сохранения.

Недостатком формулировки Ломоносова является отсутствие точной количественной меры силы.

Ломоносов сделал важный шаг, введя для количественной характеристики химических реакций весы.

В истории закона сохранения энергии и массы Ломоносову по праву принадлежит первое место.

Ломоносов был пионером во многих областях науки. Он открыл атмосферу Венеры и нарисовал яркую картину огненных валов и вихрей на Солнце. Он высказал правильную догадку о вертикальных течениях в атмосфере, правильно указал на электрическую природу северных сияний и оценил их высоту.

Механика XVIII в.

«Начала» Ньютона были изложены тяжелым геометрическим языком. В превращении механики в аналитическую механику сыграла существенную роль плеяда блестящих математикой и механиков 18 века, в особенности петербургский академик Леонард Эйлер и парижский академик Жозеф Луи Лагранж (1736-1813).

«Механика» Эйлера вышла в Петербурге в 1736 г. в 2 больших томах.

Мы знаем, что Ньютон озаглавил свое сочинение «Началами натуральной философии», механикой в его время считалось учение о равновесии простых машин. Эйлер же впервые назвал механику наукой о движении, и полный перевод названия его труда в 1736 г. гласит: «Механика, или наука о движении, изложенная аналитически». В предисловии к этому труду Эйлер указывал, что под механикой обычно понимают науку о равновесии сил, и предлагал дать этой науке название «статика», а «науке о движении придать имя механики».

«Механика» Эйлера и была первым систематическим курсом ньютоновской механики. Эйлер рассматривает ньютоновское абсолютное пространство как удобную математическую абстракцию, полезную для описания механического движения тел.

Эйлер следует Ньютону и в определении основных понятий динамики – силы и массы. «Сила есть то усилие, которое переводит тело из состояния покоя в состояние движения или видоизменяет его движение». Отсуда в качестве следствия получентся закон инерции: «Всякое тело, предоставленное самому себе, или пребывает в покое, или движется равномерно и прямолинейно». Эйлер заранее предупреждает читателя, что он под словами «движение» и «покой», всегда подразумевает абсолютные движение и покой.Таким образом, в приведенной формулировке закона инерции следует иметь в виду движение и покой, отнесенные к абсолютному пространству.

Эйлер неоднократной обращался к вопросу об источнике сил и считал, что таким источником является движение непроницаемых инертных тел.

Эйлер формулирует предложение: «Сила инерции каждого тела пропорциональны количеству материи, из которого он состоит». Эйлер раскрывает знаменитое ньютоновское определение массы, вскрывает его атомистическую сущность и, подобно Ньютону, поясняет далее, что масса может быть измерена пропорциональным ей весом.

Еще в 1758 г. Эйлер написал уравнение вращательного движения твердого тела.

К 1744 г. механика обогатилась двумя важными принципами: принципам Даламбера и принципом Мопертюи-Эйлера. Основываясь на этих принципах, Лагранж построил законченную систему аналитической механики.

Лагранж порвал с геометрическими методами Ньютона и с гордостью заявлял, что в его «Аналитической механике» совершенно отсутствуют какие бы то ни было чертежи. «Я поставил себе целью, пишет Лагранж, - свести теорию механики и методы решения связанные с нею задач к общим формулам, простое развитие которых дает все уравнения, необходимые для решения каждой задачи».

Жозеф Луи Лагранж родился в 1736 г. В Турине. В 19 лет он стал профессором артиллерийской школы в Турине. Через 5 лет Лагранж был избран по представлению Эйлера членом Берлинской Академии наук.

Умер Лагранж в 1813 г. Его «Аналитическая механика» состоит из 2 основных разделов: статики и динамики.

В современной теоретической физике уравнения Лагранжа приобрели огромное значение, далеко выходящее за пределы механики. Они применяются в термодинамике, электродинамике, атомной физике. Таким образом, Лагранж создал мощный метод, позволяющий решать большой круг задач.

Молекулярная физика и теплота в XVIII столетии

В 18 столетии механика становится зрелой наукой. Но наука о теплоте делает только свои первые шаги.

Еще в 1703 г. парижский академик Амонтон (1663-1795) сконструировал газовый термометр. Гданьский стеклодув Фаренгейт изготовил спиртовые термометры с постоянными точками. С 1714 г. он начал изготавливать ртутные термометры.

Французский зоолог и металлург Реомюр(1683-1757) предложил термометр с постоянной нулевой точкой, за которую он принял температуру замерзания воды.

Проверку термометра Реомюра проводил шведский астроном Цельсий (1701-1744), описавший свои опыты в 1742г. Точку плавления льда Цельсий принял за 100, точку кипения при давлении 25 дюймов 3 линии ртутного столба – за 0.

Извстный шведский ботаник Карл Линней (1707-1788) пользовался термометром с переставленными значениями постоянных точек.

В Петербургской Академии наук академик Делиль предложил шкалу, в которой точка плавления льда принималась за 150, а точка кипения воды – за 0.

Термометры использовались прежде всего для метеорологических и географических целей.

Развитие термометрии было первым научным и практическим использованием теплового расширения тел. Первые точные измерения теплового расширения твердых тел были выполнены Лавуазье и Лапласо в 1782г. Их метод долгое время описывался в курсах физики, начиная с курса Био, 1819г., и кончая курсом физики Хвольсона, 1923.

Полосу испытуемого тела помещали сначала в тающий лед, а затем в кипящую воду. Были получены данные для стекла различных сортов, стали и железа, а также для разных сортов золота, меди, латуни, серебра, олова, свинца.

Уже в первой половине XVIII столетия были созданы термометры и начались количественные тепловые измерения, доведенные до высокой степени точности в теплофизических опытах Лапласа и Лавуазье.

Вильке, исследуя в 1772 г. теплоту смеси воды и снега, обнаружил, что часть теплоты исчезает. Отсюда он пришел к выводу к понятию скрытой теплоты таяния снега и к необходимости введения нового понятия, получившего в дальнейшем название «теплоемкость».

К этому же выводу пришел и Блэк, не опубликовавший своих результатов. Его исследования были напечатаны только в 1803 г., и тогда стало известно, что Блэк первым четко разграничил понятия количества теплоты и температуры, первым ввел термин «теплоемкость». Позже он установил понятие скрытой теплоты испарения. Таким образом, к 70-м годам 18 столетия были установлены основные колориметрические понятия. Лишь спустя почти сто лет (1852 .) была введена и единица количества теплоты, получившая значительно позже название «калория».

В 1777 г. Лавуазье и Лаплас, построив ледяной калориметр, определили удельные теплоемкости различных тел. Аристотелевское первичное качество – тепло стало изучаться методом точного эксперимента.

Появились и научные теории теплоты, одна, наиболее распространенная концепция (ее придерживался и Блэк) – это теория особой тепловой жидкости – теплорода. Другая, ревностным которой был Ломоносов, рассматривала теплоту как род движения «нечувствительных частиц».

Атомизм господствовал в физических воззрениях ученых и мыслителей 17 в. Гук, Гюйгенс, Ньютон представляли все тела Вселенной состоящими из мельчайших частичек, «нечувствительных», как их кратко называл позднее Ломоносов.

Бернулли в «Гидродинамике» представлял воздух состоящим из частиц, движущихся «чрезвычайно быстро в различных направлениях» и считал, что эти частицы образуют «упругую жидкость». Бернулли обосновывал своей моделью «упругой жидкости» закон Бойля-Мариотта. Он установил связь между скоростью движения частиц и нагреванием воздуха и объяснил тем самым увеличение упругости воздуха при нагревании. Это была первая в истории физики попытка истолковать поведение газов движением молекул, попытка несомненно блестящая, и Бернулли вошел в историю физики как один из основателей кинетической теории газов.

Спустя 6 лет после выхода «Гидродинамики» Ломоносов представил в Академическое собрание свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Она была опубликована только через 6 лет, в 1750 г., вместе с другой, более поздней работой «Опыт теории упругости воздуха». Таким образом, теория упругости газов Ломоносова неразрывно связана с его теорией теплоты и опирается на последнюю.

Ломоносов выдвигает гипотезу, что теплота – это форма движения нечувствительных частиц.

Ломоносов здесь же указывает, что поскольку верхнего предела скорости частиц нет (теория относительности еще не существует!), то нет и верхнего предела температуры. Но «по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц». Ломоносов, следовательно, утверждает существование «последней степени холода» - абсолютного нуля.

Вместе с тем Ломоносов включает в свою термодинамическую систему и мировой эфир. Утверждает, что материя эфира может сообщать полученное от солнца теплотворное движение нашей земле и остальным телам мира и их нагревать, являясь той средой, при помощи которой тела, отдаленные друг от друга, сообщают теплоту без посредничества чего-либо ощутимого».

Итак, Ломоносов задолго до Больцмана, Голицына и Вина включил тепловое излучение в термодинамику. Термодинамика Ломоносова – замечательное достижение научной мысли 18 века, далеко опередившее свое время.

Оптика

Учение о теплоте развилось в 18 в. в тесной связи с химией и оптикой. Принцип Гюйгенса в 18 в. «не работал», вообще волновая теория света, несмотря на ее поддержку Ломоносовым и Эйлером, была оставлена.

Корпускулярная, «вещественная» теория света завоевала всеобщее признание.

Замети, что именно в 18 в. проявляется большой интерес к световым измерениям и именно отсюда датируется фотометрия. Причины этого, с одной стороны, лежат в практических потребностях. Вопросы освещения, в частности уличного освещения больших городов, устройство маячных фонарей, приобрели большое значение. Лавуазье занимался этими вопросами в Париже, Ломоносов принимал активное участие в устройстве парадных иллюминаций. Кулибин конструировал фонари .Измерение силы света различных источников и освещенности стало интересовать ученых.

Основателями фотометрии были француз Пьер Бугер (1698-1758), издавший в 1729 г. «Опыт градации света» и написавший «оптический трактат о градации света», и эльзасец И.Г.Ламберт (1728-1777), «Фотометрия», которая была издана в 1760г. В работе Бугера введены такие фотометрические понятия, как «световой поток», «сила света источника», «освещенность», «яркость». Бугер сконструировал простой фотометр. Он установил весьма важный закон поглощения света, согласно которому интенсивность светового потока убывает с толщиной поглощающего слоя по экспоненциальному закону.

Ламберт уточнил основные фотометрические понятия и соотношения, к закону зависимости освещенности от расстояния он добавил закон зависимости освещенности от угла наклона падающих лучей, сформулировал закон зависимости яркости источника от «угла истечения» света из источника. Этот закон Ламберта справедлив для абсолютно черного тела.

Фотометрия была важнейшим достижением оптики 18 в. Из других результатов следует отметить построение, вопреки мнению Ньютона, ахроматических объектов телескопов и труб и открытие аберрации света (Джеймс Брадлей,1728). Это последнее открытие дало новый метод определения скорости света и позже сыграло важную роль в развитии оптики движущихся сред.

Электричество и магнетизм

Научное исследование электрических и магнитных явлений началось с книги Гильберта, которому принадлежит и термин «электричество», произведенный от греческого названия янтаря.

Электрические явления, по Гильберту, коренным образом отличаются от магнитных.

Бойль, повторив опыты Герике с шаром, установил. Что наэлектризованное тело не только притягивает ненаэлектризованное, но и, в свою очередь, притягивается последним. Он показал, что электрические взаимодействия наблюдаются и в вакууме.

Ньютон в 1716 г. наблюдал искровой разряд между острием иголки и наэлектризованным телом. «Искра напоминала мне о молнии в малых, очень малых размерах», - писал Ньютон. Наконец, Стефан Грей в 1729 г. открыл явление электропроводимости тел и показал, что для сохранения электричества тело должно быть изолировано. Он наэлектризовал ребенка, сначала подвесив его на шнурах, сплетенных из волос, а затем поставив его га смоляной диск.

Опыты Грея обратили на себя внимание французского естествоиспытателя Шарля Дюфэ(1698-1739), создавшего первую теорию электрических явлений.

Дюфэ установил 2 рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. Этот закон Дюфэ опубликовал в Мемуарах Парижской Академии наук за 1733г.

Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус внесли существенный вклад в эту науку.

Георг Рихман родился в 1711 г. в г. Пярну в Эстонии. Он учился в германских университетах и и Петербургской Академии наук., в 1741 г. стал профессором академии. Существенно новым моментом в исследованиях Рихмана было то, что он «пытался подвергнуть измерению порождаемое электричество». Рихман описывал ряд опытов с различными весами и массами. Но потом он переходит к другому методу – методу электрического указателя – родоначальнику современных электрометров. Описание экспериментов Рихмана было опубликовано в «Новых Комментариях» Петербургской Академии наук за 1751 г. спустя 6 лет после начала опытов. Это была первая публикация по электричеству в России.

Электрометры были созданы во второй половине 19 столетия.

С помощью своего указателя Рихман открыл существование электрического поля вокруг заряженного тела, напряженность которого убывает с увеличением расстояния от тела «по некоторому, пока еще неизвестному закону», Таким образом, русскому ученому принадлежит честь открытия электрического поля и вполне определенное утверждение о зависимости действия этого поля от расстояния до источника поля. Этот закон был найден спустя 40 лет Кулоном.

Основоположник американской науки Бенджамин Франклин родился в семье бостонского мыловара в 1706 г. Большую роль сыграл Франклин в борьбе за независимость американских колоний(1775-1783) Он принимал активное участие в выработке конституции США, боролся за демократические принципы управления государством. Умер Франклин в 1790 г.

Франклин был одним из основателей науки этого государства, учредителем одного из первых университетов, первого научного общества –Филадельфийского философского общества. Первое место в научной работе Франклина занимали исследования по электричеству. Один из первых опытов Франклина заключался в электризации чугунного шара, помещенного на горлышке «чистой сухой стеклянной бутылки». Электризация исследовалась с помощью легкого пробкового шарика, подвешенного на шелковой нити, прикрепленной к потолку. Франклин установил в этом опыте действие проводящего острия, разряжающего шар, и светящегося в темноте при разряде.

Франклин показывает, что электрическая атмосфера обволакивает шар равномерно, с остриев ее легче отобрать, чем с граней. Он демонстрирует стекание стекание электричества с острия на различных опытах. Это же свойство было раньше открыто и исследовано Рихманом. Существенно. Что в теории Франклина электричество является субстанцией, которую нельзя создать или уничтожить, а можно только перераспределить. Закон сохранения электрического заряда – основное положение теории Франклина, предшественницы электронной теории.

Франклин высказал также гипотезу, что молния представляет собой разряд наэлектризованных туч. Он произвел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. Опыты Франклина и его идея громоотвода вызвали широкий резонанс, их повторяли в Европе.

Аналогичные наблюдения проводили Ломоносов и Рихман в Петербурге. Во время наблюдения грозы Рихман был убит молнией.

Рихман начал свои электрические исследования за 2 года до Франклина. Независимо от Франклина проводил «электрические наблюдения» и Ломоносов.

Рихман и Ломоносов не приняли теории Франклина. Ломоносов разрабатывал свою теорию электрических явлений, в которой сделал попытку объяснить электричество движением частиц эфира.

В 1759 г. в Петербурге вышла на латинском языке книга «Опыт теории электричества и магнетизма» академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724-1802). З а 2 года до выхода этой книги член Берлинской Академии наук Эпинус принял приглашение Петербургской Академии наук и заключил контракт на 5 лет. Однако он остался в России до конца своей жизни. В отличие от Гильберта, Эпинус ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом.

В основу своей теории Эпинус кладет представление об электрической и магнитной жидкостях, частицы которых взаимодействуют с материей и между собой притягательными и отталкивательными силами. Следуя примеру Ньютона, Эпинус не рассматривает природу этих сил, а описывает с помощью их экспериментальные факты.

По аналогии с электрическими явлениями Эпинус вводит для описания магнитных явлений магнитную жидкость.

В 1771 г. английский лорд Кавендиш впервые экспериментально показал, что силы взаимодействия электрических зарядов подчиняются закону 1/r , где n=2+1/50 .

Генри Кавендиш (1731-1810) занимался физикой и химией в качестве «хобби», как сказал бы теперь. Он родился в знатной английской семье. Отец Генри был членом Лондонского Королевского общества. В 1749 г. Кавендиш поступил в знаменитый колледж Кембрийского университета Питерхаус.

Работы Кавендиша по теплоте продолжались с перерывами более 30 лет. Своими калориметрическими опытами он доказал, что в одинаковых условиях каждое вещество по-своему ведет себя по отношению к нагреванию. Этим выводом Кавендиш предвосхитил введение такого понятия, как удельная теплоемкость. С помощью тонких и точных экспериментов ему удалось продемонстрировать существование скрытой теплоты плавления и парообразования.

Кавендиш исследовал тепловое расширение тел, также влияние нагревания на ход химических процессов. Результаты своих исследований он опубликовал в ряде работ в журнале ЛКО «Философские записки».

Кавендиш независимо от Д.Резерфорда в 1772 г. открыл азот, но об открытии вовремя сообщение не опубликовал. Получили известность опыты Генри Кавендиша по выделению «горючего воздуха» - водорода. Мастерство Кавендиша в проведении количественных химических опытов привело его к установлению состава воды – важнейшему открытию, которое послужило экспериментальным обоснованием кислородной теории, созданной несколько позже А.Лавуазье.

В электростатике Кавендиш одним из первых использовал понятие емкости проводника (правда, такого термина он не применял). В качестве эталонной он выбрал емкость шара определенного радиуса, т.е. емкость у него имела размерность длины, как в современной системе единиц CGSE. Благодаря введению этого понятия он раньше других ученых смог проводить количественные измерения в области электричества.

Еще при жизни Кавендиша получили известность его опыты с электрическими рыбами, следствием которых стало создание «Искусственного» ската, В этих опытах ученый исследовал проводимость различных веществ и по существу предвосхитил результаты Ома, полученные почти 50 лет спустя.

Таким образом, Кавендиш в своих электрических исследованиях намного опередил время.

Научная деятельность Кавендиша резко контрастировала с господствовавшим тогда идеалом ученого-джентльмена, посвящающего любопытным опытам часы досуга. Одинокая фигура Кавендиша противостояла тенденции любительства в английской науке: он был полностью поглощен своими исследованиями.

Вся исследовательская деятельность ученого была подчинена стремлению к проведению опытов в возможно более «чистом» виде, т.е. чтобы на их результатах сказывалось как можно меньше побочных факторов.

Особенно хочется подчеркнуть новаторство Кавендиша в оценке точности опытов. В этом его исследования превосходят работу Ш.Кулона, который не пытался оценить точность определения показателя степени расстояния.

В 1766 г. он открыл водород и получил углекислый газ, он показал, что вода получается при горении водорода. Он с помощью крутильных весов определил постоянную закона тяготения и тем самым «взвесил» Землю. Одинокий, чудаковатый джентльмен, он неохотно публиковал свои работы, свои электрические исследования. Они оставались неизвестными до 1879 г., когда их опубликовал Максвелл, первый профессор лаборатории Кавендиша, открытой на средства потомка Генри Кавендиша в Кембридже в 1874 г.

Максвелл повторил опыты Кавендиша с электрометром Томсона и показал, что n может отличаться от 2 не более чем на 1/21600.

«Что касается скрытости Кавендиша,- писал в 1891 г. известный электрофизик Хефисайд, - то она совершенно не простительна; это грех». Этот «грех» стоил Кавендишу славы открывателя точного закона электрических взаимодействий, который навсегда вошел в науку под названием закона Кулона.

Французский военный инженер, а с 1781 г. член Парижской Академии наук Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) в 1777 г. исследовал кручение волос, шелковых и металлических нитей. Результатом этих исследований явилось открытие закона кручения:

= С Pl/r ,

где - угол кручения, Р – закручивающая сила, l – длина нити, r – ее радиус.

В 1784 г. Кулон сконструировал чувствительный прибор – крутильные весы. С помощью этих весов открыл законы электрических и магнитных взаимодействий. Его опыты и выводы из них им в 1782-1785 гг. в семи мемуарах.

Существенным моментом в работе Кулона было установление метода измерения количества электричества и количества магнетизма (магнитных масс). В научной системе единиц законы Кулона дают основную базу системы электрических и магнитных единиц. После Кулона стало возможным построение математической теории электрических и магнитных явлений.

Сравнение экспериментов Кулона и Кавендиша показывает преимущества более утонченных методов последнего; его опыты очень близки к современным тонким физическим экспериментам. Опыты Кулона более традиционны для конца 18 в. и характеризуются, если так можно выразиться, «инженерной» точностью.

Детальный анализ опытов Кулона позволяет уточнить, какие черты творчества ученого сближают его работы с работами современных экспериментаторов. С другой стороны, он помогает понять, чем отличается подход ученого 18 в. к количественному эксперименту от современного подхода к проведению прецизионных измерений.

Развитие механики в первой половине XIX столетия

В историю существенный вклад внесли и русские ученые: математик и механик М.В.Остроградский (1801-1862), имя которого встречается в физике в связи с теоремой Остроградского-Гаусса, П.Л.Чебышев (1857-1918), А.М.Ляпунов (1857-1918) и многие другие.

В 1811 г. вышел «Трактат о механике» Симеона Пуассона (1781-1840). В этом трактате Пуассон развивает и популяризует традиции Лагранжа, иллюстрируя общие предположения многочисленными примерами. Тракта Пуассона долгие годы служил учебным пособием по механике.

Математик Жан Виктор Понселе (1788-1867), бывший солдат наполеоновской армии и русский военнопленный, ввел в механику важное понятие работы. Это понятие фигурирует и в «Трактате о механике твердых тел и о расчете действия машин» (1829). Гаспара Гюстава Кориолиса (1792-1843). Он открыл также ускорение, испытываемое движущимися телами во вращающейся системе, и соответствующую силу инерции. Это ускорение ныне известно под названием «кориолисово ускорение», а сила – под названием «сила Кориолиса» (1835).

В 1829 г. вышла работа знаменитого немецкого математика К.Ф.Гаусса (1777-1855) «Об одном новом общем принципе динамики»

Следует отметить, что этой работе предшествовали многолетние геодезические и астрономические исследования Гаусса, в результате которых им был найден метод наименьших квадратов, играющий важную роль в теории ошибок и обработке экспериментальных данных.

Особенно важную роль вариационный принцип наименьшего действия сыграл в работах У.Р.Гамильтона (1805-1865) – ирландского математика и физика. С 1827 г. он был профессором астрономии в Дублинском университете и директором астрономической обсерватории университета.

Работам Гамильтона по динамике предшествовали его работы по оптике лучей, написанные им в период 1827-1832 гг., под общим названием «Теория систем лучей». Гамильтону принадлежит заслуга в установлении оптико-механической аналогии, сыгравшей важную роль в истории создания волновой механики Шредингера.

Метод Гамильтона был разработан и развит в «Лекциях по динамике» Карла Густава Якоби (1804-1851). Якоби был родным братом русского академика Бориса Семеновича Якоби и сам был почетным членом Петербургской Академии наук.

Теория Гамильтона-Якоби получила широкое применение в XX в. В решении задач атомной механики. Оператор Гамильтона, или «гамильтониан», является одним из основных операторов современной квантовой механики, и таким образом полузабытая физиками теория механики и оптики обрела новую жизнь в прошлом столетии.

Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетия

Юнг. Томас Юнг родился в 1773 г. Уже в двухлетнем возрасте он научился читать, в девятилетнем возрасте изучил латинский и греческий языки и к 14 годам в совершенстве знал до 10 языков, в том числе древнееврейский, персидский и арабский. Эти знания помогли ему в работе по расшифровке египетских иероглифов. В дальнейшем Юнг изучал медицину, получив в 1795 г. степень доктора медицины. За два года до этого он опубликовал работу по физиологической оптике «Наблюдения над процессом зрения», в которой разработал теорию аккомодации глаза. В дальнейшем Юнг занимался проблемами волновой оптики, сформулировав в 1800 г. принцип суперпозиции волн и объяснив интерференцию света. Самый термин «интерференция» был введен в науку Юнгом. Его основной труд «Лекции по натуральной философии» вышел в свет в 1807 г. в 2-х томах.

Кроме волновой оптики, имя Юнга в физике связывается с важной константой теории упругости, так называемого «модуля Юнга», и теорией цветного зрения, основанной на допущении в сетчатой оболочке глаза трех сортов чувствительных волокон, соответствующих трем основным цветам. Заметим, что Юнг в своих «Лекциях» упоминает и труд Ломоносова «Слово о происхождении света». Юнг одним из первых ввел в физику термин «энергия».

Им было написано около 60 статей для «Британской энциклопедии». Умер Юнг в 1829 г.

Волновая теория света сформулирована Юнгом в Бэкеровской лекции «Теория света и цвета», опубликованной в 1801 г.

Сущность волновой теории света Юнг кратко выражает следующим предложением: «Излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира»

Таким образом. Все богатство красок природы было сведено Юнгом к колебательному движению эфира, а различие цветов – к различным частотам этих колебаний. Световые колебание распространяются в эфире от различных источников, не мешая друг другу, и если они в этой точке направлены одинаково, то «их совместное действие представляет комбинацию движений каждого из них».

Этот принцип суперпозиции позволил Юнгу в 1802 г. найти «простой и общий закон», согласно которому «везде, где две части одного и того же света попадают в глаз по разным направлениям, свет становится или более сильным там, где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в промежуточных состояниях интерферирующих частей, и эта длина различна для света различных цветов». Так в оптике появился принцип интерференции.

Юнг впервые сознательно определил длины световых волн и таким образом положил начало спектрометрии.

Теория Юнга была встречена с недоверием и в самой Англии подвергалась ожесточенным нападкам.

Малюс. Этьен-Луи Малюс родился в 1775 г.Он учился В Мезьерской инженерной школе, однако война помешала ему окончить школу. Был призван в армию на фортификационные работы, где его технические таланты были замечены. Затем его направили в открывшуюся Политехническую школу, которую он закончил в 1796 г.

Малюс установил, что поляризация света наблюдается для лучей, испытавших двойное преломление, и что эти лучи поляризованы во взамно перпендикулярных плоскостях. Он установил также, что свет падающий на отражающую поверхность под определенным углом, поляризуется.

Брюстер (1781-1868) в 1815 г. установил что этот угол полной поляризации удовлетворяет уравнению = n, где n – показатель преломления отражающего вещества.

В 1810 г. Малюс открыл закон изменения интенсивности поляризованного луча при прохождении через анализатор: интенсивность прошедшего света пропорциональна квадрату косинуса угла, образованного плоскостью поляризации луча с плоскостью главного сечения анализирующего кристалла.

Открытие поляризации вдохновило сторонников корпускулярной теории света. Лаплас построил теорию двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах, рассматривая двоякое действие молекул кристалла на световые корпускулы. Он вывел также зависимость между скоростью необыкновенного и обыкновенного лучей и углом, образованным направлением обыкновенного луча с оптической осью. Био сообщил закон Лапласа на двухосные кристаллы.

Арго открыл явление хроматической поляризации в одноосных кристаллах, а также вращение плоскости поляризации в кварце. Био обнаружил хроматическую поляризацию в сходящихся лучах сначала в одноосных, а потом в двухосных кристаллах. В 1815 г. он открыл законы вращения плоскости поляризации.

Френель. Огюстен Жан Френель родился в 1788 г. в Нормандии в семье архитектора. Отличаясь слабым здоровьем, Френель учился с трудом, однако рано обнаружил технические способности и в 16 лет поступил в Политехническую школу.

Политические события привели к отставке роялиста Френеля, он занялся научной работой и в октябре 1815 г. представил в Академию наук свой первый мемуар по дифракции света. Затем последовал ряд других, принесших Френелю мировую славу. С 1823 г. он был избран членом Академии наук. Но болезнь заставила Френеля отойти от научной деятельности. Он умер в 1827 г.

С изумительной изобретательностью и мастерством Френель ставит опыты по дифракции света.

Ньютон в одном из писем, рассматривая некоторые вопросы акустики, изобразил пересекающиеся системы волн, распространяющихся от двух одинаковых источников. Ту же картину рассматривает теперь Френель, но источниками волн у него служат края препятствия. Френель ясно видит стационарное распределение максимумов и минимумов волнового поля, расположенных на гиперболоидах вращения. Ньютон этой картины не увидел, хотя в «Началах» описывает случай погашения волнового движения другим, находящимся в противофазе.

Принцип интерференции дал возможность Френелю объяснить законы отражения и преломления тем, что световые колебания поглощают друг друга для всех направлений, кроме направлений, удовлетворяющих закону отражения или закону Снеллиуса-Декарта. Из своей теории Френель сделал вывод, противоположный выводу Ньютона, а именно «что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе».

Френель совершенно независимо от Юнга пришел к принципу интерференции. Только от Арго он узнал о том, что то же самое открыл Юнг.

Франсуа Доминик Араго (1786-1853) сыграл большую роль в развитии и пропаганде волновой теории.

Фраунгофер.

Современником Френеля был немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787-1826). Он рано начал трудовой путь, работая вместе с отцом по стекольному делу. Йозеф до 14 лет был неграмотным. Оставшись к 12 годам сиротой, он начал работать в зеркальной и стекольной мастерской. Он попал в аварию, когда рухнули 2 ветхих дома и мастерская. Все погибли, одного его откопали. Очевидец происшествия банкир стал оказывать покровительство юноше, и Фраунгофер, продолжая работать в мастерской, стал посещать воскресную школу. Упорный труд превратил Фраунгофера в хорошего мастера оптического стекла, и в 1806 г. банкир определил его в Оптико-механический институт, принадлежавший фирме банкира.

Мастерство и талант помогли Фраунгоферу быстро сделать карьеру. Через год он становится оптиком института, через два – совладельцем фирмы, еще через два года он стоит во главе всей баварской оптической промышленности. Созданы им оптическая фирма получила мировую славу, производя первоклассные оптические инструменты. Так Й.Фраунгофер прошел путь от бедного неграмотного сироты до владельца мировой оптической фирмы, профессора и академика.

Два открытия в оптике обессмертили имя Фраунгофера. В 802 г. Волластон наблюдал в спектре Солнца семь темных линий. Он считал их границами отдельных цветных участков и не исследовал подробно. Только после того как Фраунгофер детально изучил это явление и описал его в 1817 г. в физике появился термин «фраунгоферовы линии», который сохранился до настоящего времени. Фраунгофер зафиксировал большое число темных линий и важнейшие из них обозначил буквами.

Вторым фундаментальным открытием Фраунгофера была дифракция в параллельных лучах и изобретенная им дифракционная решетка.

Скорость света.

Успехи оптики первой половины 19 столетия не ограничилась открытиями, описанными выше. Совершенствование экспериментальной техники позволило взяться за решение задачи, поставленной Галилеем: определить прямыми методами скорость света. Задача эта была выполнена в середине века почти одновременно двумя французскими физиками Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868). Физо разработал технически идея Галилея. Прерывание светового потока, идущего от источника света, он осуществил автоматически – вращением зубчатого колеса.

Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами, распространяется на некоторое расстояние (в опыте Физо около 9 км), отражается от зеркала и идет обратно. Если колесо неподвижно, он попадет в тот же промежуток и направится в глаз наблюдателя. Если же колесо вращается, то в зависимости от скорости вращения отраженный пучок попадет либо на зубец, либо в следующий промежуток.

Меняя скорость вращения колеса и измеряя число его оборотов, можно определить промежуток времени между двумя прохождениями света и скорость света.

Физо провел свой опыт в 1849 г., получив для скорости света значение 313 000 км/с.

В установке Фуко применен метод вращающегося зеркала. Особенностью этого метода была возможность сравнения скорости света в воздухе и воде. Первые же наблюдения, проведенные в 1850 г., показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе.