В следующее пятилетие (1750-1755) деятельность Ломоносова развертывается также широким фронтом. Его научная работа протекает по двум направлениям: электрические явления и химия. В этот же период Ломоносов много занимается вопросами окрашивания стекла. К 1752 г. эти опыты были в основном закончены, а в 1753 г. благодаря огромным усилиям Ломоносова был пущен первый завод мозаичного стекла (ныне это знамени-тый завод художественных изделий под Санкт-Петербургом).
Ломоносов впервые предсказал существование абсолютного нуля температуры, объяснил исходя из кинетических соображений закон Бойля. Введя в химию весы, он доказал неправильность мнения об увеличении веса металлов при их обжигании в "заплавленных накрепко стеклянных сосудах". Он впервые высказал мысль о связи электрических и световых явлений, об электрической природе северного сияния, о вертикальных течениях как источнике атмосферного электричества. Защищая волновую теорию света, Ломоносов в оптике проделал большую работу по конструированию оптических приборов, по цветам и красителям, по преломлению света.
Глава 8. Развитие и завершение классической науки в XIX в.
Оставаясь в целом метафизической и механистической, классическая наука и особенно естествознание, готовят постепенное крушение метафизического взгляда на природу.
На первый план выдвигаются физика и химия, изучающие взаимопревра-щения энергии и видов вещества (химическая атомистика). В геологии возникает теория развития Земли (Ч. Лайель), в биологии зарождается эволюционная теория (Ж.-Б. Ламарк), развиваются такие науки, как палеонтология (Ж. Кювье), эмбриология (К.М. Бэр).
Особое значение имели революции, связанные с тремя великими открытиями второй трети XIX в. - клеточной теории Шлейденом и Шванном, закона сохранения и превращения энергии Майером и Джоулем, создание Дарвином эволюционного учения. Затем последовали открытия, продемонстрировавшие диалектику природы полнее: создание теории химического строения органических соединений (A. M. Бутлеров, 1861), периодической системы элементов (Д. И. Менделеев, 1869), химической термодинамики (Я. Х. Вант-Гофф, Дж. Гиббс), основ научной физиологии (И. М. Сеченов, 1863), электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873).
В результате этих научных открытий естествознание поднимается на качественно новую ступень и становится дисциплинарно-организованной наукой.
XIX век стал веком торжества волновой теории света, созданной и обоснованной главным образом работами Томаса Юнга (1773-1829).
Первой работой Юнга было сочинение "Наблюдение над процессом зрения", написанное в 1793 г., в котором он разработал теорию аккомодации глаза. Занимаясь вопросами оптики, Юнг в 1800 г. сформулировал принцип суперпозиции волн, объяснил явление интерференции, введя в науку этот термин. В 1801 г. вышла его "Теория света и цвета", где была изложена волновая теория света.
В этот период в области оптики шло накопление и других экспериментальных фактов, требующих создания единой теории, объясняющей всё разнообразие оптических явлений. Создателем её явился французский инженер Огюстен Жан Френель.
Из своей теории Френель сделал вывод о том, что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе. Вывод Ньютона, основанный на корпускулярных представлениях, был противоположным. Физика вскоре подтвердила правильность вывода Френеля.
С именем Фарадея связан последний, переломный этап классической физики. В истории естествознания это был период возникновения нового метода, нового подхода к явлениям природы. Если господствующей методологией в естествознании XVIII в. был метафизический материализм, в частности механицизм, расчленяющий мир на отдельные, несвязанные области, то открытия физики XIX в. привели к необходимости отказа от такого подхода. Идея всеобщей связи явлений материального мира, идея развития, скачкообразный переход количественных изменений в новое качество и другие положения диалектического материализма постепенно становились руководящими в исследованиях ученых.
К деятелям нового типа, стихийно использующим идею всеобщей связи явлений, принадлежал и Майкл Фарадей (1791-1867).
В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма кажется Фарадею совершенно очевидной, и уже в 1821 г. он ставит перед собой задачу "превратить магнетизм в электричество". Но только в 1831 г. М. Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу разработки электродвигателя и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.
С 1824 г. Фарадей - член Королевского общества. Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы Фарадей безуспешно пока пытается найти связь между магнетизмом и электричеством. Но раз Ампер смог с помощью электричества создать магниты, то почему нельзя с помощью магнитов создать электричество?! Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи каждого эксперимента, каждой мысли. О громадной работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф "Дневника" был записан под номером 16041! Следует заметить, что в 1827 г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. Тщательная подготовка к лекциям тоже требовала немало времени.
Но вот упорный десятилетний труд Фарадея вознагражден: 17 октября 1831 г. триумфальный эксперимент - открыто явление электромагнитной индукции. Это был хорошо подготовленный и заранее продуманный опыт.
Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита должно приводить к такому же следствию. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое простое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока!
С ноября 1831 г. Фарадей начал систематически печатать свои "Экспериментальные исследования по электричеству", составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Это великолепный памятник научного творчества Фарадея. Первая серия посвящена электромагнитной индукции; последняя (тридцатая) - законам намагничивания (вышла в свет в 1855г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в них жизнь, мысли и воззрения ученого.
В первой половине XIX в. постепенно вызревает и утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного пре-вращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии.
Закон сохранения и превращения энергии является одним из важнейших законов современного естествознания. Он выражает положение диалектического материализма о неуничтожимости и несотворимости материи и движения. Формулировка этого закона стала общеизвестной: сумма всех видов энергии изолированной системы есть величина постоянная. Истоки его уходят в глубокую древность. "Из ничего ничего не бывает" - так древними греками была выражена идея сохранения. Эта великая идея развивалась и постепенно расширяла сферу своего влияния. В процессе развития естествознания были открыты законы сохранения массы, электрического заряда, количества движения, а в середине XIX в. - закон сохранения и превращения энергии. Именно к этому периоду созрели необходимые условия для появления данного закона.
Многие учёные внесли свой вклад в его установление, но физика связывает, и по праву, его открытие в первую очередь с именами Р. Майера, Г. Гельмгольца, Д. Джоуля, Э. Ленца, М. Фарадея.
Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания. Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира.
В России, в XIX в. выдающимися представителями физики были Д.И. Менделеев, А.Г. Столетов, П.Н. Лебедев, А.С. Попов.
В марте 1969 г. научная общественность нашей планеты отметила 100-летие со дня открытия одного из фундаментальных законов естествознания - периодического закона химических элементов Д. И. Менделеева. Открытие этого закона Ф. Энгельс назвал "научным подвигом" Менделеева, который принес отечественной науке неувядающую славу и мировое признание. На основе этого закона Менделеев сумел предсказать физические и химические свойства элементов, открытых позднее. И сегодня этот закон, получив соответствующее обоснование в науке, является путеводной звездой в научных исканиях физиков, химиков.
Перу Д. И. Менделеева принадлежит более 500 научных работ по
различным проблемам химии, физики, метрологии, геологии,
воздухоплавания, педагогики.
Наиболее крупным исследованием А. Г. Столетова, принесшим ему мировую славу, является исследование фотоэффекта (1888-1890). В результате этой работы А.Г. Столетов предложил очень простой метод изучения данного явления: одна из пластин конденсатора - сплошная (в опытах Столетова это была полированная цинковая пластина) - соединяется через гальванометр с отрицательным полюсом батареи; другая - в виде сетки - соединяется с положительным полюсом. Внутренняя поверхность сплошной пластины освещается электрической дугой.
Исследование светового давления стало делом всей жизни П. Н. Лебедева. Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотности энергии электромагнитного поля. При полном отражении давление будет в два раза больше. Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерении. И Лебедев создает свою знаменитую установку -- систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью.
Во-вторых, серьезной помехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температура теневой. А это приведет к тому, что молекулы газа от освещенной стороны диска будут отбрасываться с бульшими скоростями, чем от теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во много раз превосходящая его (в 103 раза в опытах Крукса и Бартоли). Кроме того, при наличии разности температур возникают конвекционные потоки газа. Все это надо было устранить. П. Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наивысший, достижимый, в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П. Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и давление оставшихся ртутных паров резко уменьша-лось (ртутные пары, как говорят, замораживались).
Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение о давлении света было сделано П. Н. Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков, а в 1901 г. в немецком журнале "Анналы физики" была напечатана его работа "Опытное исследование светового давления". Работа получила высочайшую оценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждением теории Максвелла.
Кроме работ, связанных со световым давлением, П. Н. Лебедев много сделал для изучения свойств электромагнитных волн. Усовершенствовав метод Герца, он получил самые короткие в то время электромагнитные волны (А = 6 мм, в опытах Герца А = 0,5 м), доказал их двойное лучепреломление в анизотропных средах. Следует заметить, что приборы Лебедева были настолько малы, что их можно было носить в кармане. Например, генератор электромагнитных волн Лебедева состоял из двух платиновых цилиндриков, каждый по 1,3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре. Зеркала Лебедева имели высоту 20 мм, а эбонитовая призма для исследования преломления электромагнитных волн была высотой 1,8 см, шириной 1,2 см и весила около 2 г. Напомним, что призма Герца для этой же цели весила 600 кг. Миниатюрные приборы Лебедева всегда вызывали восхи-щение физиков-экспериментаторов, а задача уменьшения размеров различных приборов и схем в настоящее время является одной из важнейших, стоящих перед учеными и конструкторами.
Электромагнитную теорию Максвелла экспериментально впервые доказал Г. Герц, открыв электромагнитные волны. Это открытие Герца привлекло к себе внимание самых широких слоёв общества. Именно в этот период многие сразу же высказали идею о возможности беспроволочной связи с помощью "лучей Герца". В списке учёных, решавших эту задачу, на первом месте стоит имя профессора А. С. Попова (1859-1905).
После открытия Герца, Попов увлекся электромагнитными волнами. Читая в 1889 г. в Минных классах цикл лекций "Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями", А.С. Попов сопровождал их демонстрациями. Это имело огромный успех, и А.С. Попову было предложено повторить этот цикл в Петербурге в Морском музее. Уже в этом цикле Попов высказывает мысль, что опыты и работы Герца представляют большой интерес не только в строго научном плане, но также и в возможности их применения для беспроволочной передачи сигналов.
7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А.С. Попов демонстрировал сконструированный им прибор для приема и регистрации электромагнитных колебаний.
В 1899-1900 гг. радиотелеграф А.С. Попова оказался незаменимым средством и сыграл свою первую практическую роль при снятии с камней броненосца"Генерал-адмирал Апраксин", потерпевшего аварию в районе о. Гогланда. События тех дней заставили воспользоваться телеграфом А.С. Попова и еще в одном важном деле. На льдине в море были унесены рыбаки. Их жизнь зависела от оперативности спасательной службы. Приказ ледоколу "Ермак", находящемуся в море, был передан по беспроволочной связи. Рыбаки были спасены. Так всем стала очевидна огромная польза этого изобретения.
В XIX и начале XX в. наука вступила в свой золотой век. Во всех ее важнейших областях произошли удивительные открытия, широко распространилась сеть институтов и академий, организованно проводивших специальные исследования различного рода, на основе соединения науки с техникой чрезвычайно быстро расцвели прикладные области. Оптимизм этой эпохи был напрямую связан с верой в науку, ее способность до неузнаваемости преобразить состояние человеческого знания, обеспечить здоровье и благосостояние людей.
Сложившаяся ситуация в науке и мировоззрении требовала своего разрешения. Оно появилось в ходе новейшей революции в естествознании, начавшейся с 90-х гг. XIX в. и продолжавшейся до середины XX в. Это была глобальная научная революция, по своим результатам и значению сравнимая с революцией XVI-XVII вв. Она началась в физике, затем проникла в другие естественные науки, кардинально изменила философские, методологические, гносеологические, логические основания науки в целом, создав феномен современной науки.
Глава 9. Научная революция в естествознании начала XX в.
Развитие электронной теории.
Идея атомарного строения электричества вытекала из законов электролиза Фарадея, на что в свое время обратил внимание и сам Фарадей, указывая, что "атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними".
Максвелл в своем "Трактате об электричестве и магнетизме" тоже говорит о "молекуле электричества", но считает, что "теория молекулярных зарядов" хотя и "служит для выражения большого числа фактов электролиза", однако является временной и будет отброшена, как только на основе поля появится теория электрического тока.
В 1875 г. голландский физик Г.А. Лоренц в своей докторской диссертации "К теории отражения и преломления лучей света" объясняет изменение скорости света в среде влиянием ее заряженных частиц. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэф-фициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью, проводимостью. "Но мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта. Мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах", - писал Лоренц.
В начале XX в. работами немецкого физика П. Друде (1863-1906) и Г. Лоренца была создана электронная теория металлов, позволившая получить теоретически многие ранее открытые законы: Ома, Джоуля - Ленца и др. Эта теория была построена на следующих положениях.
1. В металле есть свободные электроны - электроны проводимости, образующие электронный газ, аналогичный по своим свойствам идеальному.
2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.
3. При своем движении электроны сталкиваются с ионами.
4. При наличии электрического поля электроны приходят в
упорядоченное движение под действием сил поля.
В результате работ Дж. Томсона был открыт электрон и определен его удельный заряд. Однако ни заряд, ни масса электрона отдельно еще не были известны. Нужны были новые эксперименты для определения этих фундаментальных величин. Первыми наиболее точными из них следует назвать опыты американского физика Р. Милликена (1868-1953) в 1909-1914 гг. Идея этих опытов сводилась к наблюдению за падением заряженной капли масла в однородном поле плоского конденсатора (рис. 6).
В результате многочисленных экспериментов с использованием масляных капель различного веса и при разных условиях Милликен заключил, что в каждом случае заряд капли изменялся на величину, равную или кратную значению некоторого основного заряда е - заряда электрона. Эти опыты не только явно доказывали дискретность электрического заряда, но и позволили определить его наименьшую величину. Подобные опыты были проведены разными учеными, в том числе и академиком А. Ф. Иоффе. Опыт Иоффе был сходен с опытом Милликена, но вместо капель масла использовались металлические пылинки. В результате всех этих опытов в физике были установлены важнейшие физические константы: заряд электрона е = -1,60 ? 10-19 Кл, масса электрона me = 9,1 ? 10-31 кг. Еще в 1902 г., определяя отношение е /m для электрона, Кауфман обнаружил, что оно не является постоянной величиной, а зависит от скорости частиц. Работая с в-лучами (поток быстрых электронов) и действуя на них электрическим и магнитным полем, Кауфман обнаружил, что e/m уменьшается с ростом скорости. Из этого следовало, что с ростом скорости электрона либо уменьшается его заряд, либо увеличивается его масса.
