История, панорама современного естествознания и тенденции его развития

В центре мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, и среди них впервые зачисленная в ранг "подвижных звезд" Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находится сфера звезд (рис. 2).

Его вывод о чудовищной удаленности этой сферы диктовался гелиоцентрическим принципом. Только так мог Коперник согласовать его с видимым отсутствием у звезд смещений за счет движения самого наблюдателя вместе с Землей (т.е. отсутствием у них параллаксов).

В отличие от своих предшественников, Коперник пытался создать логически простую и стройную планетную теорию. В отсутствие простоты, стройности, системности Коперник увидел коренную несостоятельность теории Птолемея, в которой не было единого стержневого принципа, объясняющего системные закономерности в движениях планет.

объяснение смена движется вокруг неизменным в оси своего

Рис. 2. Гелиоцентрическая система Коперника

Коперник был уверен, что представление движений небесных тел как единой системы позволит определить реальные физические характеристики небесных тел, т.е. то, о чем в геоцентрической модели вовсе не было и речи. Поэтому свою теорию он рассматривал как теорию реального устройства Вселенной. Впервые получила времен года: Земля Солнца, сохраняя пространстве положение суточного вращения.

Теория Коперника логически стройная, четкая и простая. Она способна рационально объяснить то, что раньше либо не объяснялось вовсе, либо объяснялось искусственно, связать в единое то, что ранее считалось совершенно различными явлениями. Это - ее несомненные достоинства. Они свидетельствовали об истинности гелиоцентризма. Наиболее проницательные мыслители поняли это сразу.

Следующий шаг в мировоззренческих выводах был сделан монахом одного из неаполитанских монастырей Джордано Бруно. Познакомившись в 60-е гг. XVI в. с гелиоцентрической теорией Коперника, Бруно поначалу отнесся к ней с недоверием. Чтобы выработать свое собственное отношение к проблеме устройства Космоса, он обратился к изучению системы Птолемея и материалистических учений древнегреческих мыслителей, в первую очередь атомистов, о бесконечности Вселенной. Большую роль в формировании взглядов Бруно сыграло его знакомство с идеями Николая Кузанского, который утверждал, что ни одно тело не может быть центром Вселенной в силу ее бесконечности. Объединив гелиоцентризм Н. Коперника с идеями Н. Кузанского об изотропности, однородности и безграничности Вселенной, Бруно пришел к концепции множественности планетных систем в бесконечной Вселенной.

Бруно отвергал замкнутую сферу звезд, центральное положение Солнца во Вселенной и провозглашал тождество Солнца и звезд, множественность "солнечных систем" в бесконечной Вселенной, множественную населенность Вселенной. Указывая на колоссальные различия расстояний до разных звезд, он сделал вывод, что поэтому соотношение их видимого блеска может быть обманчивым. Он разделял небесные тела на самосветящиеся - звезды, солнца, и на темные, которые лишь отражают солнечный свет. Бруно утверждал, во-первых, изменяемость всех небесных тел, полагая, что существует непрерывный обмен между ними и космическим веществом, во-вторых, общность элементов, составляющих Землю и все другие небесные тела, и считал, что в основе всех вещей лежит неизменная, неисчезающая первичная материальная субстанция.

Именно Бруно принадлежит первый и достаточно четкий эскиз современной картины вечной, никем не сотворенной, вещественной, единой, бесконечной, развивающейся Вселенной с бесконечным числом очагов Разума в ней.

Новый взгляд на мир и человека в эпоху Возрождения позволил сделать выдающиеся открытия и создать новые теории, ставшие прологом научной революции XVI-XVII вв., в ходе которых оформилось классическое естествознание.

Глава 6. Научная революция XVI-XVII вв. и становление классической науки

Отправной точкой научной революции, в результате которой появилась классическая наука и современное естествознание, стал выход книги Николая Коперника "О вращении небесных сфер" в 1543 г. Но гелиоцентрические идеи, высказанные там, были всего лишь гипотезой, нуждавшейся в доказательстве. Поиск аргументов в пользу этой гипотезы и стал основной задачей научной революции XVI-XVII вв., которая начинается с работ И. Кеплера.

И. Кеплер -- великий астроном и математик

После работ Коперника дальнейшее развитие астрономии требовало значительного расширения и уточнения эмпирического материала, наблюдательных данных о небесных телах. Европейские астрономы продолжали пользоваться старыми античными результатами наблюдений. Но они устарели и часто были неточны. Проводимые же в ту пору европейскими астрономами наблюдения характеризовались большими погрешностями.

Кардинальные изменения наметились только в последней четверти XVI в. в трудах величайшего астронома мира Иоганна Кеплера (1531-1630).

Этот великий немецкий ученый (с удивительной судьбой, жизнь которого была полна невзгод и лишений) совершил величайший научный подвиг -- заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации. Он показал, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их как искусственные схемы и подгонять под них явления природы.

Его первая книга, изданная в 1597 г., вышла под интересным названием "Космографическая тайна". В этой работе, находясь под влиянием пифагорейцев о всемогущей силе чисел, Кеплер поставил задачу найти числовые отношения между орбитами планет. Пробуя различные комбинации чисел, он пришел к геометрической схеме, по которой можно было отыскивать расстояния планет от Солнца.

В 1609 г. в Праге вышла в свет книга Кеплера "Новая астрономия, или Небесная физика с комментариями на движение планеты Марс по наблюдениям Тихо Браге".

В этой книге и были сформулированы первые два закона о движении планет.

1. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых
находится Солнце.

2. Радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, за равные
промежутки времени описывает равные площади.

В 1619 г. выходит произведение Кеплера "Гармония мира", содержащее третий закон небесной механики: квадраты периодов обращения планет относятся как пути больших полуосей их орбит.

Кроме уже названных выше работ, Кеплер является автором оптических трактатов "Дополнения к Вителло", "Диоптрика". В работах по оптике он дает теорию камеры-обскуры, излагает теорию зрения, исправляя ошибки Алхазена, правильно объясняет близорукость и дальнозоркость, описывает конструкцию телескопа (трубы Кеплера), рассматривает ход лучей в линзах, приходит к выводу о существовании полного внутреннего отражения, находит фокусные расстояния плосковыпуклой и двояковыпуклой линз.

Из математических работ Кеплера наиболее известны "Рудольфовы таблицы" - это астрономические планетные таблицы, над которыми Кеплер работал более 20 лет. Названы они были так в честь императора Рудольфа II. Эти таблицы в течение почти двух веков служили морякам и астрономам, составителям календарей и астрологам и только в XIX в. были заменены более точными. Своими работами по математике Кеплер внес большой вклад в теорию конических сечений, в разработку теории логарифмов, способствовал разработке интегрального исчисления и изобретению первой вычислительной машины.

Для установления истинного сложного характера причин орбитального движения планеты требовалось уточнение основных физических понятий и создание основ механики.

В формировании классической механики и утверждении нового ми-ровоззрения велика заслуга Г. Галилея.

Г. Галилей -- один из основоположников опытного естествознания и новой науки

Основы нового типа мировоззрения, новой науки были заложены Галилеем (1564-1642). Он начал создавать ее как математическое и опытное естествознание.

В 1586 г. появляется первое небольшое сочинение Галилея о сконструированных им гидростатических весах. А в 1589 г. двадцатипятилетний Галилей назначается профессором математики в Пизанский университет.

Три года работы Галилея в Пизанском университете овеяны рядом легенд. Одна из них рассказывала о публичных опытах молодого профессора по сбрасыванию тел с "падающей" Пизанской башни. Подобные опыты Галилей проводил для опровержения учения Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела. Галилей брал два тела, одинаковых по форме и размерам, например, чугунный и деревянный шары, чтобы отвлечься от влияния побочных обстоятельств (не учитывать сопротивления воздуха). Находя соотношения между скоростью и временем падения шаров, между пройденным путем и временем падения, он доказал, что тела падают с одинаковым ускорением.

В 1592 г. Галилей стал профессором университета в Падуе, где проработал 18 лет (по 1610 г.). Это был самый плодотворный период его деятельности. В эти годы он занимается вопросами механики (падение тел, движение их по наклонной плоскости и под углом к горизонту), гидро-статикой, теорией простейших машин и сопротивлением материалов. К концу падуанского периода Галилей открыто выступает против системы Птолемея - Аристотеля.

Услышав об изобретении зрительной трубы, Галилей начал работать над ее конструкцией. Первая труба, созданная им в течение года, давала увеличение в 3 раза. Вскоре он изготовил трубу с увеличением в 32 раза. Направив эту трубу на небо, Галилей обнаружил горы на Луне, четыре спутника у Юпитера, фазы Венеры. Млечный Путь оказался состоящим из множества звезд, число которых росло с ростом увеличения трубы. Все это не соответствовало взглядам Аристотеля о противоположности земного и небесного, а подтверждало систему Коперника. Галилей пишет "Звездный вестник", где спокойным, деловым тоном дает отчет о своих наблюдениях и делает выводы. Книга произвела на современников ошеломляющее впечатление. Галилея стали называть "Колумбом неба".

В 1612 г. Галилей издает свой труд "Рассуждения о телах, пребывающих в воде, и тех, которые в ней движутся". Работа была направлена против механики Аристотеля. Вслед за ней появляется письмо Галилея о солнечных пятнах. Это было уже столкновение с Аристотелем на главном участке, и оно не могло пройти не замеченным церковью. В своих доносах в святую инквизицию перипатетики¹ обвиняли Галилея в том, что он доказывает движение Земли и неподвижность Солнца. Они пытаются добиться запрещения учения Коперника.

С 1616 по 1623 гг. Галилей хотя и молчит, но много работает, скрывая результаты своих трудов от внешнего мира. В 1629 г. Галилей закончил свою основную работу "Диалог о двух главнейших системах мира: Птолемеевой и Коперниковой". По этому поводу он писал: "Я довел почти до пристани мой "Диалог" и раскрыл весьма явственно многое, что мне казалось почти не-объяснимым". В "Диалог" вошли все произведения Галилея, все то, что было создано им с 1590 по 1625 г. Цель ученого - представить не только астрономические, но и механические доводы в пользу истинности учения Коперника.

Опровергая аргументы Птолемея против вращения Земли путем разбора множества механических явлений, Галилей приходит к открытию закона инерции и механического принципа относительности. Открытием закона инерции было ликвидировано многовековое заблуждение, выдвинутое Аристотелем, о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Оказалось, что равномерное и прямолинейное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил. Это имело огромное не только чисто научное, но и мировоззренческое значение. Как известно, к инерциальным системам отсчета относятся покоящиеся (неподвижные) системы и системы, которые движутся относительно неподвижных равномерно и прямолинейно. Равноправность таких систем Галилей доказывает различными опытами и логическими рассуждениями. В результате он приходит к очень важному выводу: "Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно". Это и есть механический принцип относительности.

Книга Галилея "Диалог" вызвала восторг в научных кругах всех стран и бурю негодования среди церковников. Иезуиты немедленно начали кампанию против Галилея, которая привела ко второму процессу инквизиции в 1633 г. Инквизиция пригрозила Галилею не только осудить его как еретика, но и уничтожить все его рукописи и книги. От него требовали признания ложности учения Коперника. Галилей вынужден был уступить. Ценой тягчайшей моральной пытки, невероятных унижений перед теми, кого он так страстно бичевал в своих произведениях, Галилей купил возможность завершения своего дела.

Галилей по праву считается одним из основоположников опытного естествознания и новой науки. Именно он впервые сформулировал требования к научному эксперименту, состоящие в устранении побочных обстоятельств, в умении видеть главное и отвлечься от несущественного. Путем эксперимента Галилей опроверг учение Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела. Он был первым, кто направил зрительную трубу на небо в научных целях, тем самым значительно расширив сферу познания. Это был переворот в мировоззрении и методе науки: бесконечная Вселенная могла исследоваться методами земной механики.

Галилей верил в силу человеческого разума, в бесконечность познания: "Кто возьмет на себя смелость поставить предел человеческому духу? Кто решится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?". Большое внимание он обращал на полноту и точность формулировок выдвигаемых положений. Следует заметить, что работы Галилея написаны языком, близким к современному.

Что же Галилей конкретно сделал в механике? Он пришел к открытию закона инерции и сформулировал механический принцип относительности движения, обобщенный позднее А. Эйнштейном. Галилей впервые дал строгое определение равноускоренного движения, нашел законы изменения скорости и пути в этом движении. Он показал, что такое движение свойственно свободно падающему телу.

Галилей доказал, что тело, брошенное под углом к горизонту, будет лететь по параболе. Он дал метод расчета траектории для любых углов вылета и различных начальных скоростей, показав, что наибольшая дальность полета достигается при вылете тела под углом 45° к горизонту.

Галилей впервые установил, что период колебаний маятника зависит лишь от длины подвеса (если массой подвеса можно пренебречь по сравнению с массой тела) и не зависит от амплитуды качаний (если она мала). Так как движение маятника можно рассматривать как последовательный ряд падений и подъемов тела по дуге окружности, то, в случае независимости скорости падения тела от его тяжести, маятники одинаковой длины должны иметь равные периоды колебаний независимо от веса грузов. Взяв два маятника с одной и той же длиной подвеса, одинаковые

по форме и размерам, но разные по весу, Галилей установил одинаковость их периодов колебания, опровергнув тем самым положение Аристотеля о большей скорости падения тяжелых тел.

Что касается оптики, то Галилей впервые не только предположил, что скорость света является конечной величиной, но и сделал первую попытку определить ее в земных условиях (это общеизвестный опыт с двумя наблюдателями, у каждого из которых имелся зажженный фонарь). Хотя опыт окончился неудачей (иначе и не могло быть из-за большого значения скорости света, о чем Галилей не предполагал), но сама попытка доказать конечность скорости света и в принципе верная методика были для того времени, несомненно, очень смелым и прогрессивным шагом.

Галилей расчистил путь для творцов классической и современной физики, и его бессмертные творения будут всегда служить примером того, как гениально он "всю жизнь читал открытую для всех великую книгу природы".

Факел научного знания, зажженный Галилеем, подхватил И. Ньютон. В его трудах и открытиях дело жизни итальянского ученого нашло свое блестящее завершение.

И. Ньютон и создание фундамента классической физики

Результаты естествознания XVI-XVII вв. обобщил Исаак Ньютон (1643-1727). Именно он завершил постройку фундамента нового классического естествознания.

Первые научные работы Ньютона относятся к оптике. В 1666 г., пропуская свет через трехгранную стеклянную призму, он обнаружил его сложный состав, разложив на семь цветов (в спектр), т.е. открыл явление дисперсии. Кроме того, обнаружив хроматическую аберрацию у линз и считая ее неустранимой, Ньютон пришел к выводу, что линзы в телескопе надо заменить сферическими зеркалами. В своих работах по оптике Ньютон поставил очень важный и сложный вопрос: "Не являются ли лучи света очень мелкими частицами, испускаемыми светящимися телами? ". Последователи Ньютона ответили на этот вопрос утвердительно и однозначно, и гипотеза истечения, подкрепленная авторитетом Ньютона, стала господствующей в оптике XVIII в., несмотря на возражения против нее Ломоносова, Эйлера и других ученых, несмотря на успехи волновой теории Гюйгенса.

Очень интересна также мысль Ньютона о возможном превращении тел в свет и обратно. "Превращение тел в свет и света в тела соответствуют ходу природы, которая как бы услаждается превращениями", - говорил Ньютон. И действительно, в 1933-1934 гг. были открыты факты превращения заряженных частиц электрона и позитрона в свет и обратно. Так Ньютон предугадал одно из далеких будущих открытий атомной физики.

1687 год вошел навсегда в историю физики как год выхода в свет выдающегося труда профессора Кэмбриджского университета Исаака Ньютона "Математические начала натуральной философии" (иногда его называют "Математическими основами естествознания" и даже просто "Началами"). Однако многие тогда не поняли значения этого события для науки. Достаточно сказать, что некоторые из профессоров университета, по словам секретаря Ньютона, получив экземпляр "Начал" и перелистав его страницы, хмуро заявляли, что надо лет семь еще учиться, прежде чем что-нибудь понять в этой книге.

"Начала" - вершина научного творчества Ньютона - состоят из трех частей: во- первых двух речь идет о движении тел, последняя часть посвящена системе мира.

Приведем формулировку законов Ньютон в русском переводе сделанном академиком А. Н. Крыловым.

I. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или
равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не
понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, - взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.

Четвертым законом, который Ньютон формулирует в своих "Началах", был закон всемирного тяготения.

Во второй части Ньютон рассмотрел силы сопротивления среды при движении в ней тел, гидро- и аэростатику, законы волнового движения, простейшие случаи вихревых движений.

В третьей книге ученый изложил общую систему мира и небесную механику, в частности, теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движение комет, возмущения в движении планет и т. д. Рассматривая все эти явления, Ньютон везде находит подтверждение своего закона тяготения.

"Начала" Ньютона знаменовали новую эру в развитии науки. Они явились прочным фундаментом, на котором успешно строилась физика XVIII-XIX вв., получившая название классической. Книга подводила итог всему сделанному за предшествующие тысячелетия в учении о простейших формах движения материи.

В работах Ньютона раскрывается его мировоззрение и методология исследований. Ньютон был стихийным материалистом. Он был убежден в объективном существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных законов мира, доступных человеческому познанию. Своим стремлением свести все к механике Ньютон поддерживал механистический материализм (механицизм).

Свой метод познания, названный впоследствии методом принципов, Ньютон изложил в "Правилах философствования". Этих правил четыре.

Не принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений.

Одинаковым явлениям необходимо приписывать одинаковые причины.

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.

4. Законы, индуктивно найденные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

Нельзя не сказать о математических достижениях Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Свой метод расчёта механических движений на основе бесконечно малых приращений величин - характеристик исследуемых движений - Ньютон назвал "методом флюксий" и описал его в сочинении "Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых" (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Г. Лейбница он составил основу дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.

Глава 7. Естествознание XVIII в.

В XVIII в. в механику проникают методы дифференциального и интегрального исчислений, и она становится аналитической.

Огромная заслуга в развитии механики принадлежала петербургскому академику Леонарду Эйлеру (1707-1783) и парижскому академику Жозефу Луи Лагранжу (1736-1813). "Mexaника" Эйлера появилась в 1736 г. в Петербурге в 2 томах. Eго же "Теория движения твердого тела", рассматриваемая как 3-й том "Механики", вышла в 1765 г. Эйлер определяет механику как науку о движении, изложенную аналитически (методами анализа), "благодаря чему только и можно достигнуть полного понимания вещей".

Эйлер переформулировал основные понятия ньютоновской механики, придав им современную форму, но сохранив сущность по Ньютону. Именно Эйлер впервые записал второй закон динамики в аналитической форме, сделав его основным законом всей механики. В "Теории движения твердого тела" он развил механику вращательного движения.

Эйлер своим гением охватывал все разделы математики. Прекрасные работы выполнены им в области математической физики и гидродинамики. Он написал учебники по арифметике и элементарной алгебре, введению в математический анализ и аналитической геометрии. Его система изложения тригонометрии дошла до нас почти в неизменном виде. Много работ Эйлера посвящено и чисто прикладным наукам. Двухтомная "Морская наука" сыграла колоссальнейшую роль в развитии кораблестроения и кораблевождения в XVIII в. Его "Теория движения Луны" и составленные на ее основе таблицы, сотни лет использовались мореплавателями. На основе его трехтомной "Диоптрики" создавались улучшенные конструкции телескопов и микроскопов.

XVIII век в области механики характеризуется также поисками более общих принципов, чем законы Ньютона. В этот период создается теоретическая механика. Наибольший вклад в ее развитие внес Лагранж.

Главная работа Лагранжа "Аналитическая механика" вышла в Париже в 1788 г. В ней была решена задача, которую он сам формулировал так: "Я поставил цель свести теорию механики и методы решения связанных с нею задач к общим формулам, простое развитие которых дает все уравнения для решения каждой задачи". "Аналитическая механика" Лагранжа состоит из двух частей: статики и динамики. Ирландский математик У. Гамильтон (1805-1865), оценивая вклад Лагранжа в развитие механики, писал, что "из числа последователей этих блестящих ученых (имелись в виду Галилей и Ньютон) Лагранж, пожалуй, больше, чем кто-либо другой, сделал для расширения и придания стройности всей механике. При этом красота метода настолько соответствует достоинству результата, что эта великая работа превращается в своего рода математическую поэму".

Одним из прикладных разделов оптики, получивших развитие в XVIII в., была фотометрия. Этого требовали практические нужды освещения (многие ученые занимались вопросами освещения дворцов и улиц городов). Основоположниками фотометрии являются П. Бугер (1698-1758) и И. Ламберт (1728-1777). Работа Бугера "Опыт о градации света" вышла в 1729 г., "Фотометрия" Ламберта - в 1760 г. Именно в этих работах были введены основные фотометрические понятия: световой поток, сила света, освещенность, яркость. Главным методом фотометрии был метод сравнения освещенностей. Бугер сконструировал фотометр и открыл закон поглощения света.

Учение об электричестве и магнетизме в XVIII в. получило дальнейшее развитие. В этот период закладываются основы электростатики. Большой вклад в развитие этих разделов физики внесли Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус, Кулон.

Георг Рихман, профессор Петербургской академии наук, изучал электрические явления с 1745 г. Он пытался измерить электричество с помощью весов и изобрел прибор для сравнения электрических сил. С по-мощью изобретенного указателя электричества Рихман предсказал существование электрического поля вокруг заряженного тела.

В 1759 г. вышла работа петербургского академика Эпинуса (1724-1802) "Опыт теории электричества и магнетизма", где ученый ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом. Эпинус считал, что по аналогии с законом тяготения сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон взаимодействия электрических зарядов был заново открыт в 1784 г. французским военным инженером, членом Парижской академии наук Ш. Кулоном (1736-1806) с помощью сконструированных им крутильных весов и по праву носит его имя. Только с открытием этого закона учение об элект-ричестве было поставлено на количественную основу.

Наука о теплоте в XVIII в. делает лишь первые шаги. Одним из ее разделов была термометрия, возникшая в первой четверти века. Именно в этот период создаются термометры с двумя опорными точками. Большой вклад в развитие этой отрасли науки внесли Амонтон, Фаренгейт, Реомюр, Цельсий и другие ученые.

В XVIII в. создаются первые теории теплоты. Одна из них рассматривала теплоту как особую невесомую жидкость - теплород; другая, сторонником который был М. В. Ломоносов, утверждала, что теплота - это особый род движения "нечувствительных частиц". Ломоносов считал, что теплота обусловлена вращательным движением корпускул (молекул). Поскольку нет верхнего предела скорости движения частиц, то нет, по Ломоносову, и верхнего предела температуры. Но должна существовать "наибольшая и последняя степень холода", которая состоит "в полном прекращении вращательного движения частиц". Эти мысли были изложены Ломоносовым в работе "Размышления о причине теплоты и холода", опубли-кованной в 1750 г. и явившейся одной из основополагающих работ по кинетической теории тепла.

Период 1745-1750 гг. характеризуется большими творческими достижениями Ломоносова. Он разработал и обосновал новую отрасль знания - физическую химию, кинетическую теорию теплоты и газов, сформулировал закон сохранения материи и движения.

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 m_e = 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.

Для объяснения этого и ряда других явлений в этот период создаются различные гипотезы. Справедливость одних и ошибочность других были установлены новыми экспериментами и специальной теорией относительности (СТО).

Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности

В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред [6]. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчета, не в состоянии обнаружить этого движения. Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относи-тельности для электромагнитных процессов, но, к сожалению, не придал ему того большого значения, какое он заслуживал. Дальнейшее развитие электродинамики движущихся сред принадлежит французскому математику Анри Пуанкаре (1854-1912). Именно он в 1900 г. на Парижском конгрессе физиков порицал Лоренца за недооценку им принципа относительности, считая его, со своей стороны, общим законом природы. Отрицательный результат опыта Майкельсона, по мнению Пуанкаре, как раз и является выражением этого закона. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики, Пуанкаре отмечает, что "законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет".

Так принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических явлений в начале XX в., был распространен на любые физические процессы. Небезынтересно отметить, что, рассматривая влияние принципа относительности на гравитацию, Пуанкаре приходит к выводу, что скорость распространения сил тяготения должна равняться скорости света.

Итак, мы видим, что предшественники А. Эйнштейна немало сделали для появления теории относительности. Однако, развивая электродинамику и стремясь объяснить опыты, они опирались на концепцию эфира. Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос о постоянстве и, особенно, о предельном значении скорости света. Это и было сделано А. Эйнштейном (1879-1955). Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называлась "К электродинамике движущихся сред". Она поступила в редакцию журнала "Анналы физики" 30 июня 1905 г. Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новой теории пространства и времени, во второй - применение этой теории к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладет два постулата.

Принцип относительности - в любых инерциальных системах все физические процессы: механические, оптические, электрические и другие -протекают одинаково.

Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направ-лениях, во всех инерциальных системах и равна 3 ? 10⁸ м/с.

В 1907 г. выходит новая работа А. Эйнштейна "О принципе относительности и его следствиях". В ней автор вновь говорит о связи массы и энергии и для проверки этого соотношения обращается к радиоактивным процессам. Подсчеты показали, что для проверки формулы на известных в то время радиоактивных превращениях нужно знать атомные массы элементов с точностью до пятого знака. Эйнштейн писал: "Это, конечно, недостижимо. Однако не исключено, что будут открыты радиоактивные процессы, в которых в энергию радиоактивных излучений превращается большая часть массы исходного атома, чем в случае радия".