Раздел 7. Развитие науки и техники в 19 веке. Вторая научно-техническая революция
7.1. Общая характеристика периода
Развитие мировых производительных сил, особенно в конце 19 в., происходило необычайно высокими темпами. Так, суммарная выплавка стали с 1870 по 1900 гг. возросла в 20 раз. Вследствие этого увеличился объем промышленного производства. Количественные изменения сопровождались бурным развитием техники, новшества которой охватывали различные сферы производства, транспорта, быта. Радикальные изменения произошли в организации промышленного производства, его технологии. Возникло много новых отраслей промышленности, которых мир ранее не знал. Произошли существенные сдвиги в размещении производительных сил как между странами, так и внутри отдельных государств.
Такой скачок в развитии мирового промышленного потенциала связан с произошедшей в рассматриваемый период научно-технической революцией.
19 век был полон весьма важных фундаментальных событий, коренным образом изменивших мировую цивилизацию. Это был период завершения буржуазных революций во Франции и Германии. Сформировалось ядро мощных государств, которые и по настоящее время удерживают лидирующие позиции в мире, во многом даже определяют судьбы всей планеты.
Это был период формирования индустриальной цивилизации, период создания крупного машинного производства в промышленности и других отраслях хозяйства. Промышленность заняла ведущее положение в общем объеме производства. Появились новые отрасли экономики - металлургия, машиностроение, транспорт, электроэнергетика, химия и другие. Тяжелая промышленность стала преобладающей. Значительно повысилась производительность труда, темпы роста производства, возросло городское население.
Наряду с широким использованием паровых машин были созданы новые, более эффективные типы двигателей - водяные и паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания. Грандиозное железнодорожное строительство и развитие пароходства позволили связать сетью дорог и путей огромные хозяйственные территории. К концу века появилось автомобилестроение.
Расширению коммуникаций способствовало изобретение радио, телеграфа, телефона. Подлинной революцией стало развитие электроэнергетики. Важнейшие изобретения были сделаны и в военном деле: бездымный порох, дальнобойная артиллерия, паровые и дизельные бронированные корабли и многое другое.
Накопленный к 70 - 90 гг. 19 века колоссальный опыт развития производства вылился во вторую научно-техническую революцию (первая - промышленный переворот).
7.2. Научная революция
К рубежу 19-20 вв. кардинально изменились основы научного мышления; переживает расцвет естествознание, идет создание единой системы наук. Этому способствовало открытие электрона и радиоактивности. Произошла новая научная революция, начавшаяся в физике и охватившая все основные отрасли науки. Ее представляют М. Планк, создавший квантовую теорию, иА. Эйнштейн, создавший теорию относительности, ознаменовавшие прорыв в область микромира.
В конце 19 - начале 20 вв. связь науки с производством приобрела более прочный и систематический характер. Устанавливается тесная взаимосвязь науки с техникой, обусловливающая постепенное превращение науки в непосредственную производительную силу общества. Если до конца 19 в. наука оставалась «малой» (в этой сфере было занято небольшое количество людей), то на рубеже 20 в. способ организации науки изменился - возникли крупные научные институты, лаборатории, оснащенные мощной технической базой. «Малая» наука превращается в «большую» - численность занятых в этой сфере увеличилась, возникли специальные звенья научно-исследовательской деятельности, задачей которых стало скорейшее доведение теоретических решений до технического воплощения, в их числе - опытно-конструкторские разработки, производственные исследования, технологические, опытно-экспериментальные и др.
Процесс революционных преобразований в области науки охватил затем технику и технологию.
Быстрыми темпами развивалась наука об электричестве и магнетизме. К началу 19 в. из области электричества физикам были известны только явления, связанные с электрическим разрядом, вызывающим световые, звуковые и физиологические эффекты, да еще ряд явлений, связанных с механическими взаимодействиями (притяжение и отталкивание) между наэлектризованными телами. Существовали уже теории электрических явлений - унитарная и дуалистическая, конкурировавшие между собой. Каждая из них имела свих сторонников и своих противников. Уже были известны некоторые законы взаимодействия наэлектризованных тел (законы Кулона), были известны некоторые приборы для количественной характеристики электрического состояния тел (электроскопы). Для получения электричества кроме примитивных способов (трение, удары) были изобретены уже электростатические машины разного рода. Для накопления электричества были уже изобретены лейденские банки. Было сделано разделение тел на проводники и непроводники электричества (изоляторы); установлено тождество между электрическими разрядами и явлением молнии и т.д. Но все имевшиеся сведения не удовлетворяли пытливые умы современников. Человеческий ум стремился познать сущность электричества. Во всех странах велись многочисленные работы по изучению электрических явлений. Они велись и у нас в России, главным образом в Петербургской академии наук.
Во второй половине 18 в. особенно замечательные работы в области изучения электрических явлений были выполнены академиками М.В. Ломоносовым, Г.В. Рихманом и Т.У. Эпинусом(1724 - 1803 гг.).
Сведения по электричеству были тогда весьма ограничены, но еще более ограничены были сведения по магнетизму. Они сводились, пожалуй, к знанию механических действий естественных и стальных искусственных магнитов (притяжение и отталкивание) и к знанию свойств магнитной стрелки, применяемой для компасов. Но и эти механические свойства были известны только качественно. Лишь в конце 18 в. (1785 г.) стал известен количественный закон взаимодействия между полюсами магнита. Еще не очень далеко было то время, когда ученый иезуит А. Кирхер(1734 г.) писал в своей книге, что магнит любит красный цвет и что, будучи завернутым в красную материю, он становится сильнее и лучше сохраняет свою способность притягивать железо. Ученый иезуит объясняет это свойство магнита тем соображением, что магнит — «царь камней» и, следовательно, ему свойственен пурпур. Наоборот, по сведениям, сообщаемым Кирхером, магнит не выносит чеснока: будучи натерт чесноком, он теряет значительную часть своей притягательной силы.
Таким образом, наши пионеры в изучении электрических и магнитных явлений в самую раннюю эпоху изучения высказывали мысли, которые получили общее признание многими десятилетиями позднее, после работЭрстеда, Ампера, Араго, Фарадеяи др. Эти последние работы могли, однако, появиться лишь в последующую эпоху, после того как стало известно новое электрическое явление - явление электрического тока, т. е. после изобретения вольтова столба, который впервые дал возможность получать длящийся электрический ток.
Вольтов столб был изобретен итальянским физиком Алессандро Вольтав 1799 г. Он первый обнаружил появление электродвижущих сил при соприкосновении разнородных металлов. Он же установил различие между проводниками первого класса (металлами) и второго класса (электролитами) и нашел, что, составляя электрическую цепь из проводников обоих классов, можно получить в цепи электрический ток.
Вольтов «столб», «столбик»или«столбец»стал непременной принадлежностью всех лабораторий, где изучались физические и химические явления. Его применилГемфри Дэви(1778 - 1834) для своих разнообразных исследований, а такжеМайклФарадейдля своих первых работ. Мощнейший «вольтов столб» построил для своих исследований и русский физик, профессор Медико-хирургической академии в Петербурге, впоследствии член Академии наук,Василий Владимирович Петров(1761—1834). Петрову мы обязаны открытием в 1802 г. того замечательного явления, которое затем получило название вольтовой дуги и которое позднее вновь наблюдалГ. Дэви. Это было первое электрическое явление, которое впоследствии полу-чило приложение на практике, и которое, следовательно, положило начало новому отделу технических знаний - электротехнике.
Первое практическое применение электрический ток нашел для взрывания мин и для освещения. Первыми электрическими лампами были лампы с электрической дугой. Уже сам Петров писал, что при помощи открытого им электрического светового явления «темный покой достаточно освещен быть может».
За открытием электрической дуги последовал ряд других величайших открытий, касающихся электрического тока. Были изучены свойства электрического тока, установлена связь между электрическими, магнитными, тепловыми и химическими явлениями, открыто явление термоэлектричества, обнаружено действие магнитного поля на световой луч, найдены законы механического взаимодействия токов между собою и взаимодействия токов и магнитов и, наконец, было открыто явление электромагнитной индукции. Все это было сделано в течение первой половины XIX в. Тогда же великими математиками той эпохи были приложены методы математического анализа к изучению электрических и магнитных явлений. Это привело к блестящим результатам. Теоретическое и экспериментальное изучение явлений магнитных и явлений электрического тока дало исключительно благоприятные результаты. К началу второй половины XIX в. физики обладали уже богатым запасом знаний по электричеству и магнетизму и, что оказалось особенно важным, владели способами количественного расчета этих явлений и способами их измерений. Серия важнейших открытий и изобретений началась с открытия в 1820 году датского физикаХанса КристианаЭрстеда(1777—1851) влияния тока на магнитную стрелку. Явление, наблюденное им, было весьма просто. Эрстед установил только факт, что электрический ток, получаемый от вольтова столба, проходя по проводнику, оказывает механическое воздействие на находящуюся вблизи магнитную стрелку и стремится поставить ее перпендикулярно к проводнику. Но значение этого наблюдения было огромно: им впервые устанавливался факт существования вокруг проводника с током определенного магнитного поля.
Уже в том же 1820 г. французский ученыйДоминик ФрансуаАраго(1786—1853) при помощи создаваемого электрическим током магнитного поля намагнитил кусок стали и построил, таким образом, первый электромагнит со стальным сердечником. Позже были построены электромагниты с сердечником из мягкого железа. В 1822 г. Фарадей установил, что проводник, по которому проходит электрический ток, стремится вращаться вокруг магнитного полюса. Это наблюдение Фарадея было в дальнейшем использовано изобретателями электродвигателей.
В 1820 г. Андре Мари Ампер(1775 - 1836) открыл явление взаимодействия между токами и в 1823 г. дал полную математическую обработку своих наблюдений, положив, таким образом, начало новому отделу науки об электричестве - электродинамике. В 1824 г. Араго наблюдал успокаивающее действие медной или иной пластинки из проводящею материала на качающуюся магнитную стрелку, которая как будто погружалась в вязкую среду. Араго сделал из этого наблюдения вывод, что если медная пластинка может задерживать колебания магнита, и что если эту пластинку оставить вращаться, то она увлечет за собой магнитную стрелку. Опыт подтвердил предположение Араго, и, таким образом, было открыто явление, названное «магнетизмом вращения».
Другие наблюдатели видоизменили опыт и, вращая магнит, заставляли вращаться помещенный над ним медный диск. Много лет позже это явление было использовано русским электротехником Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским(1861/62 - 1919) для создания электродвигателей с вращающимся магнитным полем. Причины явления, названного «магнетизмом вращения», были во время его открытия совершенно непонятны и были объяснены только после открытия Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции.
В 1823 г. немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком(1770—1831) было открыто явление термоэлектричества, вызвавшее и вызывающее до сих пор ряд попыток осуществить заманчивую идею непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую.
В 1827 г. немецким физиком Георгом Симоном Омом(1787—1854) было найдено соотношение между силой тока, электродвижущей силой источника тока и величинами, характеризующими проводник, по которому проходит ток. Это был знаменитый «закон Ома». Только знакомясь с трудами в области электричества, появившимися до установления закона Ома, и введения понятия об «электрическом сопротивлении» проводников, можно понять, какое значение имело открытие этого закона, и какую ясность и точность этот закон позволил внести во все расчеты электрических цепей.
Последовавшее затем установление законов немецкого физика Густава Роберта Кирхгофа(1824 - 1887) для разветвленных цепей еще более облегчило понимание и расчеты явлений в сложных электрических цепях.
1831 год ознаменовался открытием Фарадеем явления электромагнитной индукции. По своему научному и практическому значению это открытие имеет мало себе равных. Открытие Фарадеем закона электромагнитной индукции не явилось делом случая. Наоборот, оно было следствием долгих размышлений и многолетних экспериментов. Если электрический ток в проводнике способен образовывать в окружающем его пространстве магнитное поле, то, несомненно, должно существовать и обратное явление, когда существование магнитного поля обусловливает появление электрического тока. Так рассуждал Фарадей и уже в 1822 г. записал в своем дневнике: «Обратить магнетизм в электричество». Это задание он выполнил только в 1831 г. В 1833 г. Эмилий Христианович Ленц (1804 - 1865 ) сделал в Петербургской Академии наук доклад о своих исследованиях над взаимодействием токов и магнитов, результатом которых явилось установление закона, выражающего связь между направлениями токов и их электромагнитными и электродинамическими взаимодействиями. Закону этому, известному ныне под именем закона Ленца, сам Ленц дал название: «Правило, по которому происходит сведение магнитоэлектрических явлений в электромагнитные». В своих рабо-тах Ленц устанавливает, что каждому электромагнитному явлению соответствует некоторое магнитоэлектрическое явление. Установление закона Ленца имело чрезвычайно большое значение. Задолго до установления Гельмгольцем принципа сохранения энергии Ленц выразил ту же идею в своем законе: «приближая проводник с током к другому замкнутому проводнику, мы возбуждаем в этом последнем ток. Работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике, направление тока в котором должно быть таково, чтобы препятствовать перемещению первого проводника, т. е. чтобы проводники отталкивались».
В 1834 г. Фарадей устанавливает законы электролиза - явления, открытого еще в 1800 г., и, таким образом, находит способ установить количественные соотношения между явлениями электрическими и химическими.
В 1837 г. Фарадей выясняет роль диэлектриков в электрических явлениях. В 1845 г. он находит количественные соотношения между явлениями магнитными и световыми, открыв явления магнитного вращения плоскости поляризации светового луча и установив зависимость в определенных случаях угла вращения от величины магнитного поля. Это явление - влияние магнитного поля на световой луч - послужило базой для многих замечательнейших открытий.
В том же году Фарадей устанавливает разницу между парамагнитными и диамагнитными телами.
К 1843 г. Ленцем и Джоулем был установлен закон тепловых действий электрического тока (закон Ленца-Джоуля), связавший количественно электрические явления с тепловыми, и, через их посредство, с механическими. Было, таким образом, установлено понятие об электрической энергии и об ее количественной связи с механической энергией.
Несколько подробнее остановимся на двух ученых, внесших важнейший вклад в науку об электричестве - это великие английские ученые Майкл Фарадей(1791 - 1867) иДжеймс Клерк Максвелл(1831 - 1879). Оба они имели очень широкий круг научных интересов. Но самое значительное достижение каждого из них связано с исследованием электромагнитного поля. М. Фарадей считается создателем учения об электромагнитном поле. Руководимый идеей о единстве сил природы, он исследовал химическое действие электрического тока, раскрыл связи между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. В 1830 году он был избран иностранным почетным членом Петербургской академии наук. В 1831 году им было открыто явление электромагнитной индукции, которое стало основой электротехники.
М. Фарадей был человеком не только на редкость талантливым, но чрезвычайно целеустремленным. До своего открытия он знал о выполненном в 1802 г. Эрстедом опыте: магнитная стрелка отклонялась при пропускании тока через рядом расположенный провод, и благодаря которому Эрстед открыл магнитное действие тока. Фарадей поставил себе целью решить обратную задачу - превратить магнетизм в электричество. Для этого он выполнил следующий опыт. Если в магнитном поле постоянного магнита движется проводник, пересекая силовые линии магнитного поля, то в проводнике возникает электродвижущая сила, а если проводник замкнут - в цепи появляется электрический ток. Это открытие означало возможность получения электрического тока механическим путем, а также возможность приведения машин с помощью электрического тока.
В 1833 - 1834 гг. Фарадеем были открыты законы электролиза, названные его именем, пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Им была доказана тождественность различных видов электричества. Являясь блестящим экспериментатором, с помощью целой серии остроумных опытов Фарадей смог установить связь между такими физическими явлениями, как электричество, магнетизм, теплота и свет.
Хотя Фарадей был общепризнанным крупным ученым своего времени, а вклад его в науку исключительно велик, но тем не менее его научное мировоззрение, теоретические концепции в сущности отвергались современниками.
Создание теории электромагнитного поля и классической электродинамики принадлежит Максвеллу - также крупнейшему, общепризнанному и разностороннему ученому. Развивая идеи М. Фарадея, он не только создал теорию электромагнитного поля (уравнение Максвелла), но также ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света.
Основной работой Максвелла, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, был двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 г. В нем Максвелл использовал введенное им же ранее (1861 - 1862) понятие тока смещения - величины, пропорциональной скорости изменения переменного магнитного поля в вакууме или диэлектрике. Понятие тока смещения понадобилось Максвеллу потому, что по его теории, впоследствии подтвержденной опытом, магнитное поле создается не только движением электрических зарядов (т. е. током проводимости, или просто током), но и любым изменением во времени электрического поля. «Трактат об электричестве и магнетизме» представлял собой глубоко обоснованный, капитальный труд, в котором, кроме самой главной его части - уравнений, отображающих законы электромагнитного поля, были даны соответствующие методы измерения и описания измерительной аппаратуры, полный обзор существовавших к тому времени теорий электричества магнетизма, подробные математические обоснования полученных уравнений электромагнитного поля - уравнений Максвелла, как их вскоре стали называть.
Из уравнений Максвелла вытекает, что электромагнитное возмущение в пространстве распространяется посредством электромагнитных волн, позднее (уже после смерти Максвелла) экспериментально обнаруженных Генрихом Герцем. Максвелл установил также, что распространение электромагнитной волны происходит со скоростью, равной скорости света, и что свет имеет электромагнитную природу, т. е. представляет собой электромагнитную волну определенной длины. Из теории Максвелла следовало также, что электромагнитные волны, в том числе и световые, производят давление. И этот вывод теории был подтвержден на практике - русский физик П. Н. Лебедев(1866 - 1912) открыл и измерил давление света (1899).
По современным воззрениям, физическое полепредставляет собой одно из фундаментальных понятий естествознания. Физическое поле есть не что иное, как особая форма существования материи.
Электромагнитное поле, открытие которого принадлежит М. Фарадею и Д. Максвеллу (хотя оба они предполагали существование мирового эфира), по современным взглядам, обладает, как и отдельные частицы, и механические системы, энергией, количеством движения (импульсом), моментом количества движения. Поле может обмениваться с частицами и макроскопическими телами энергией, количеством движения и моментом количества движения. В этом случае законы сохранения этих величин действуют для всей замкнутой системы, состоящей из поля, частиц и макроскопических тел.
Как уже говорилось, электромагнитное поле может с конечной скоростью распространяться в пространстве. Это явление именуется электромаг-
нитными волнами. Свет (видимый) представляет собой электромагнитные волны длиной приблизительно 0,1…1 микрометра. По длине волны различают следующие электромагнитные волны (рис. 1):
= километры … 510-3см - радиоволны;
= 510-2…10-7см - световые волны, в том числе= 510-2…810-2см - инфракрасные,= 810-5…410-5см - видимый свет,=410-5…10-7см - ультрафиолетовое излучение,= 210-7 … 610-10см - рентгеновское излучение, = 210-8…510-12см - гамма-излучение.
В 30-х годах 20 в. было открыто еще одно интересное свойство электромагнитного поля. Оказалось, что поле способно превращаться в «обычное» вещество с образованием электронных пар или (это явление было открыто в 50-х годах 20 в.) с образованием протонных, мезонных и некоторых других пар. Было открыто также обратное явление - превращение вещества в поле, происходящее в результате аннигиляции пары частиц (например, электрон - позитрон). Аннигиляция происходит при столкновении частиц. Процесс, обратный аннигиляции, - рождение пар частиц.
Введение в науку понятия электромагнитного поля и математическое определение законов поля, данное в уравнениях Максвелла, является самым крупным событием в физике со времен Ньютона.
Фарадей и Максвелл были блестящими популяризаторами науки и очень любили этот род деятельности.
Фарадей регулярно выступал с популярными лекциями по разным вопросам естествознания. Мы очень советуем тем читателям, которые еще не прочли книжку Фарадея «История свечи», написанную по материалам популярных лекций, обязательно это сделать. Вы получите большое удовольствие. Ни возраст, ни образование при этом значения не имеют.
Максвелл также был талантливым популяризатором науки. Он, как и Фарадей, нередко читал доклады по физике для широкой аудитории. Его научно-популярные книги, переведенные на многие языки, в том числе и на русский, пользовались широкой известностью, например «Теория теплоты», «Материя и движение», «Электричество в элементарном изложении».