Научные труды в области физики
Академик С И. Вавилов назвал Ломоносова первым и наиболее замечательным русским физиком1. Эта высокая оценка в полной мере соответствует огромному вкладу, который внес Ломоносов в развитие физической науки в России. Ко времени, когда жил и творил Ломоносов, физика уже представляла собой относительно развитую науку со своими теоретическими и экспериментальными особенностями, установленными многими поколениями исследователей.
Физика относится к одной из старейших областей естествознания. В задачу этой науки входит изучение наиболее общих закономерностей природы, а также строения и свойств материи. Зачатки физических знаний возникли еще в древние времена, за несколько столетий до нашей эры. Уже в эпоху античности физический эксперимент достиг высокого уровня. Это подтверждают дошедшие до нас труды Архимеда, Герона, Птолемея и других ученых того времени. Ученые древности многое сделали для разработки философских основ физической науки. Воззрения Платона, Аристотеля, Демократа, Эпикура и других античных философов в значительной степени определили основные направления развития теоретической физики на многие столетия вплоть до нового и даже новейшего времени. Именно античная физика, пишет Я. Г. Дорфман- поставила многие фундаментальные физические проблемы, которые затем изучались и дискутировались наукой на протяжении многих веков Вместе с тем разработанные античностью конкретные физические учения оказались необыкновенно живучими и непосредственно влияли на все дальнейшее развитие физики 2.
Новый этап в развитии физической науки относится к началу XVII в. Работы Г. Галилея, Э. Торричелли, Р. Бойля, Э. Мариотта, Р. Декарта, У. Гильберта, X. Гюйгенса и других ученых увенчались крупными научными открытиями при исследовании явлений природы и ее закономерностей. К их числу относятся изучение ускорения свободно падающих тел, тепловых явлений, исследование упругости газов и преломления света, электрических и магнитных явлений.
Важнейшим достижением физики XVII в. была разработка законов классической механики, которые впервые сформулировал великий английский ученый И. Ньютон в своем труде Математические начала натуральной философии 1687. В то же время были осуществлены важные научные исследования и открытия в других основных областях физики: оптике, акустике, термодинамике, а также в изучении магнетизма и электрических явлений.
Наиболее прогрессивное развитие физики в России, как и всей отечественной науки, связано с Петровской эпохой, с последующей деятельностью Петербургской академии наук. Во время исторических путешествий в страны Западной Европы Петр I, посещая научные учреждения, воочию убедился в большом значении физических приборов как незаменимого средства при проведении экспериментальных исследований. По его распоряжению были закуплены и заказаны воздушные насосы, телескопы, микроскопы и другие оптические приборы и измерительные инструменты, которые затем разместили в Кунсткамере, открытой в 1714 г. В дальнейшем, когда была создана Петербургская академия наук и включенный в ее состав Физический кабинет, эти коллекции приборов стали основой для организации экспериментальной работы в области физики.
Таким образом, Физический кабинет стал старейшим экспериментальным центром нашей страны. Его история является по существу историей отечественной физики. В Физическом кабинете работали все виднейшие ученые-физики Петербургской академии наук, в его стенах сделано немало выдающихся открытий. В 1912 г. Физический кабинет стал называться Физической лабораторией, преобразованной в 1921 г. в Физический отдел Физика математического института. В 1934 г. на его базе было создано крупнейшее научно-исследовательское учреждение Академии наук СССР Физический институт им. П. Н. Лебедева. Таким образом, знаменитый ФАИН берет свое начало от скромного Физического кабинета, созданного одновременно с организацией в России высшего научного учреждения Академии наук.3
Количество членов Петербургской академии, занимающихся физическими исследованиями, в первые десятилетия ее существования было сравнительно небольшим. Однако они многое сделали для развития физики как науки. Ученик Хр. Вольфа Г. Б. Бюльфингер 1693-1750 работал в Петербурге всего пять лет, но и за это короткое время проявил себя отличным физиком-экспериментатором. Ученый занимался определением законов подъема жидкостей в тонкоскважных капиллярных трубках, совершенствованием барометров, воздушных насосов, изучением трения. Одновременно он читал лекции по физике, которые сопровождались экспериментами. Большое число научных статей мемуаров Бюльфингера публиковалось в Комментариях Петербургской академии.
Одним из первых членов Петербургской академии был Даниил Бернулли 1700-1782. Он прославился своим замечательным трактатом по гидродинамике, написанным в Петербурге. Ученый занимался исследованием движения идеальной жидкости, разработкой кинетических представлений о газах. Широкую известность получили работы Д. Бернулли в области математической физики, в особенности таких ее разделов, как механика и акустика.
Блестящим физиком-экспериментатором и создателем отличных физических приборов проявил себя И. Г. Лейман 16671736. Его можно назвать отцом практической оптики и точной механики в России, писал о Леймане С. И. Вавилов4. Лейман был известен Петру I как автор ряда печатных работ по часовому делу и шлифовке оптического стекла. Приехав по приглашению царя в Россию, он организовал мастерские, обучал русских молодых людей изготовлению точных приборов и шлифовке линз. Под его руководством в Академии была создана специальная инструментальная мастерская, в которой изготовлялись точные весы, оптические и другие приборы. В этой мастерской получили подготовку и работали замечательные мастера оптического и барометрического художества отец и сын Беляевы. С И. Вавилов полагал, что именно Лейман положил начало систематической работе по практической оптике, непрерывно продолжавшейся в Академии в течение всего XVIII века в работах Эйлера, Ломоносова, Эпинуса Кулибина и других 5
Некоторое время кафедру физики в Петербургской академии наук занимал Леонард Эйлер 1707-1783. Известный в большей степени своими работами в области математики и механики, Эйлер многое сделал дляразвития физической науки. Его диоптрические исследования положили начало геометрической оптике. Широкой известностью среди ученых пользовалась трехтомная монография Эйлера. Письма о разных физических и философических материях, писанная к некоторой немецкой принцессе. Эти Письма, представляющие собой популярное изложение физических знаний, по существу явились энциклопедией физики XVIII в. Работа Эйлера издавалась десятки раз на многих языках. В России она вышла в 1768 г. в отличном переводе ученика Эйлера академика С. Я. Кумовского. По этой книге изучали физику многие поколения русских людей.
После Эйлера академическую кафедру физики возглавил В. Г. Крафт 1701-1754. Прекрасный экспериментатор, он затратил много сил для расширения Физического кабинета и приведения в порядок его инструментария. В начале 40-х годов XVIII в. при Крафте в Физическом кабинете насчитывалось более 400 различных приборов. Они использовались для физических эксперементов при демонстрациях на лекциях по физике, а также для обучения студентов Академии. Значительная часть физических приборов была сконструирована петербургскими академиками и построена в академической мастерской.
Экспериментальные исследования Карата по гидродинамике, термометрии, магнетизму, теплоте, так же как и его метеорологические наблюдения, регулярно публиковались в Комментариях Петербургской академии наук.
Г. В. Рихман
Деятельным помощником Крафта в экспериментальной работе был студент Академии по физическому классу Г. В. Рихман 1711-1753, в дальнейшем видный русский ученый-физик. В начале своей научной деятельности он занимался экспериментами в области парообразования, воздушными и гидравлическими насосами, а также изучением других явлений и процессов п. области естественных наук и техники. Задолго до публикации работ американского ученого В. Франклина в области электричества Рахман приступил к изучению этого природного явления. Сохранилось распоряжение Академической канцелярии, датированное 26 марта 1745 г. , обязывающее Рихмана продемонстрировать царице его электрические эксперименты.
Приведенный краткий обзор физических исследований в Петербургской академии наук в первые 15 лет ее деятельности показывает, что в доломоносовский период была осуществлена значительная работа в области теоретической и экспериментальной физики. Физическими исследованиями занимались ведущие ученые. В системе Академии была создана хорошая база для экспериментальной и лекционно-демонстративной работы в виде Физического кабинета, а инструментальная мастерская с пятью-шестью искусными мастерами могла обеспечить проведение этой работы необходимыми физическими приборами.
Познакомимся теперь с тем, как развивалась в то время физика в Западной Европе.
К середине XVIII в. физика уже вполне оформилась в качестве науки, составляющей одну из важнейших областей естествознания. Правда, не все разделы физики к тому времени получили одинаковое развитие. Наиболее полно были изучены законы механики, оптики и гидравлики, тогда как учение о теплоте, магнетизме и электричестве делало лишь свои первые шаги.
Развитие физики в первой половине XVIII в. проходило в обстановке борьбы двух направлений в науке, возникших под влиянием двух выдающихся ученых XVII в.: французского философа и естествоиспытателя Р. Декарта и английского физика и философа И. Ньютона.
свойствами: протяженностью, непроницаемостью и инерцией. Они исключали из физики понятие силы, не признавали взаимодействия тел на расстоянии. Естественно, что законы и явления небесной механики, особенно связанные с движением планет, оказалось невозможным сколько-нибудь убедительно объяснить с позиций картезианства. Впрочем, последователи Декарта к этому и не стремились Их логические построения опирались не на изучение конкретных явлений природы а на мысленные схемы составленные на основании надуманных гипотез.
В отличие от Декарта Ньютон и его последователи строили свои механистические теории на основе практического опыта и хорошо проведенного эксперимента. Важнейшую роль в механике Ньютона играло понятие силы, вызывающей перемещение тел в пространстве. Закон всемирного тяготения, открытый великим английским ученым, стал основным законом механики. На основании закона тяготения легко объяснялись и определялись движения небесных тел. Идеи ньютоновской механики постепенно распространились на всю физику. Все физические процессы ньютонианцы стремились объяснить результатом движения материальных тел и частиц под действием различных сил: механических, электрических, магнитных и др. Однако не все эти силы считались присущими всем частицам материи. Электрические силы, например, возникали в процессе электризации некоторых веществ. Магнитные силы характеризовали лишь отдельные виды железной руды и само железо после его намагничивания.
Все это привело к тому, что физики стали приписывать эти избирательно действующие силы частицам каких-то неощутимых жидкостей, будто бы находящихся в порах материальных тел или, наоборот, отсутствующих в них. К числу таких электрических и магнитных флюидов были причислены также частицы теплоты и света. Все эти частицы, естественно, не могли быть взвешены, поэтому стали называться невесомыми. Многие явления природы тепловые, световые, электрические, магнитные-физики XVII-XVIII вв. объясняли действием невесомых, или нечувствительных, частиц.
Первый ощутительный удар по механистическому материализму Декарта и Ньютона был нанесен атомно-кинетической концепцией строения вещества и законом сохранения материи и движения, установленными Ломоносовым и развитыми затем крупнейшими представителями науки конца XVIII начала XIX в. А. Лавуазье и Дж. Дальтоном, атомистика которого в последующем получила наиболее цельное развитие в учении Д. И. Менделеева.
Создание молекулярно-кинетической теории теплоты явилось важнейшим вкладом М. В. Ломоносова в физику. Эта теория непосредственно связана с его атомно-молекулярной концепцией строения материи. Русский ученый всегда отрицательно относился к утверждениям физиков эпохи флогистона о существовании теплорода, особого невесомого теплового вещества, способного переливаться из одного тела в другое, определяя степень его нагревания или охлаждения. В окончательной редакции своего труда Размышления о причине теплоты и холода 1749 Ломоносов писал: В наше время причина теплоты приписывается особой материи, которую большинство называет теплотворной, другие эфиром, а некоторые элементарным огнем. . . Это мнение в умах многих пустило такие глубокие корни и настолько укрепилось, что повсюду приходится читать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы привлекаемой каким-то приворотным зельем; или, наоборот, о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом. Поэтому мы считаем нашей обязанностью подвергнуть эту гипотезу проверке 6.
Еще великие предшественники Ломоносова, прежде всего Ф. Бэкон, И. Ньютон, Р. Бойль и др. , рассматривали теплоту как некоторое молекулярное движение. Ф. Энгельс считал это первое наивное воззрение более правильным, чем позднейшее, метафизическое7. М. В. Ломоносов не мог ограничиться простым восстановлением наивных взглядов философов XVII в. Пользуясь достижениями современной ему теоретической и экспериментальной физики, русский ученый поставил своей целью дать подлинно научное определение теплоты, доказать несостоятельность утверждения о существовании невесомого флюида тепловой материи.
Объяснение причин теплоты явлением движения мельчайших частиц материи встречается уже в ранних произведениях Ломоносова начиная с 1742 г. В первых параграфах 276 заметок по физике молодой ученый еще упоминал о существовании тепловой жидкости, но далее он решительно отвергал эту концепцию. Если бы теплотворная материя, писал он в 120-й заметке, приставала к известим, то сами извести, вынутые из огня, оставались бы горячими. Следовательно, или эта материя к ним не пристает, или пристающая материя не теплотворная. Вслед за этим Ломоносов добавлял: Не следует выдумывать много разных причин там, где достаточно одной; таким образом, раз центрального движения корпускул достаточно для объяснения теплоты, так как оно может увеличиваться до бесконечности, то не следует придумывать другие причины 8.
В работе Ломоносова Опыт теории о нечувствительных частицах тел и вообще о причинах частных качеств, написанной также в начале 40-х годов, излагались впервые основы кинетической теории тепла. Теплота тел состоит во внутреннем их движении, писал ученый9. И далее он пояснял: Внутреннее движение как величина может увеличиваться и уменьшаться, почему разные степени теплоты определяются скоростью движения собственной материи. . . Для произведения любой степени теплоты достаточна та или иная скорость движения материй. Теплота тел состоит во вращательном движении монад собственной материи 10.
Наиболее полное изложение теория теплового движения частиц материи получила в же упоминавшейся работе М. В. Ломоносова Размышления о причине теплоты и холода, о которой с большой похвалой отозвался Л. Эйлер. Написанный в 1749 г. , этот труд впервые был напечатан на латинском языке в 1750 г. в первом томе научного журнала Петербургской академии наук Новые комментарии.
Рассматривая различные формы движения материи и ее мельчайших частиц, Ломоносов делил их на три вида: поступательное движение, колебательное и коловратное вращательное. Тепловое движение частиц материи он относил к категории вращательного движения. Теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи, утверждал ученый11.
Еще в первом варианте Размышлений о причине теплоты и холода, представленном Академическому собранию в конце 1744 г. , Ломоносов впервые оперировал положениями всеобщего закона сохранения, сформулированного им позже, в письме Л. Эйлеру. Если более теплое тело А, писал ученый, находится в соприкосновении с другим телом В, менее теплым, то находящиеся в месте соприкосновения частицы тела А быстрее вращаются, чем смежные с ними частицы тела В, и поэтому при возникновении взаимного трения частицы тела А ускоряют вращательное движение частиц тела В, т. е. сообщают им часть своего движения; столько же движения уходит от первых, сколько прибавляется у вторых. А так как степень теплоты в телах определяется скоростью вращательного движения частиц, то ясна причина по которой тело А, нагревая тело В само охлаждается 12.
В работах о причине теплоты Ломоносов рассматривал весьма важный вопрос о границах скоростей теплового движения мельчайших частиц материи. Он не ограничивал максимальную скорость этого движения, однако нижним ее пределом считал полное отсутствие теплового движения в материи. По мнению ученого, нельзя назвать такую большую скорость движения, чтобы мысленно нельзя было представить себе другую, еще большую. Это по справедливости относится, конечно, и к теплотворному движению, поэтому невозможна высшая и последняя степень теплоты как движения. Наоборот, то же самое движение может настолько уменьшиться, что тело достигает наконец состояния совершенного покоя и никакое дальнейшее уменьшение движения невозможно. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая и последняя ступень холода которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц 13 .
Таким образом, Ломоносов высказывал мысль о существовании абсолютного нуля, т. е. температуры, при которой полностью прекращается тепловое движение частиц материи. Однако, подчеркивал он, высшей степени холода на земном шаре нигде не существует, все, что нам кажется холодным, лишь менее тепло чем наши органы чувств. Так, самая холодная вода еще тепла, так как лед, в который вода замерзает на более сильном морозе, холоднее ее, т. е. менее тепел 14.
Молекулярно-кинетическую теорию теплоты Ломоносов распространил также и на внеземные объекты, объяснив на ее основе процесс передачи тепла от Солнца на Землю. Он утверждал, что теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи нагретого тела. Тем самым, продолжал он, мы не только говорим, что такое движение и теплота свойственны и той тончайшей материи эфира, которой заполнены все пространства, не содержащие чувствительных тел, но и утверждаем, 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 ощутимого15 .
Много лет спустя, в работе Рассуждение о твердости и жидкости тел 1760, Ломоносов вновь говорил о своем резко отрицательном отношении к гипотетическому теплороду. Доказано мною прежде сего, писал он, что элементарный огонь аристо-тельский или, по новых ученых штилю, теплотворная особливая материя, которая, из тела в тело переходя и странствуя, скитается без всякой малейшей вероятной причины, есть один только вымысел; и купно утверждено, что огонь и теплота состоит в коловратном движении частиц, а особливо самой материи тела составляющий 16.
Диссертация М. В. Ломоносова Размышления о причине теплоты и холода получила широкую известность не только в России, но и в европейских странах. Однако она оказалась непонятой многими его современниками. С ее выводами не согласились петербургские академики, обсуждавшие эту работу в январе 1745 г. Резко критиковали ее противники кинетической теории теплоты на Западе. Еще слишком прочными были традиционные представления о невесомой теплотворной жидкости, будто бы определяющей изменение температуры материальных тел. И только великий Эйлер, как об этом говорилось выше целиком и полностью поддержал выводы молодого русского ученого.
Разработка молекулярно-кинетической теории теплоты является великим научным подвигом Ломоносова, укрепившим материалистические позиции в естествознании XVIII в. Историческое значение механической теории теплоты высоко оценил Ф. Энгельс. В Диалектике природы он писал: . . . в самом естествознании мы достаточно часто встречаемся с такими теориями, в которых действительные отношения поставлены на голову, в которых отражение принимается за отражаемый объект и которые нуждаются поэтому в подобном перевертывании. Такие теории нередко господствуют в течение продолжительного времени. Именно такой случай представляет учение о теплоте: в течение почти двух столетий теплота рассматривалась не как форма движения обыкновенной материи, а как особая таинственная материя; только механическая теория теплоты осуществила здесь необходимое перевертывание 17.
Таким образом, М. В. Ломоносов заложил первые камни в основание науки о теплоте. Однако понадобилось почти целое столетие, чтобы идеи Ломоносова были приняты официальной наукой и получили дальнейшее развитие.
Одновременно с разработкой молекулярно-кинетической теории теплоты Ломоносов создавал основы молекулярно-кинетической теории газов, прежде всего воздуха. Фундаментом этих обеих теорий служило единое материалистическое положение об обусловленности всех явлений природы механическим движением мельчайших частиц материи. О намерении Ломоносова заняться изучением упругости воздуха известно еще из его ранних работ, относящихся к 1741-1742 гг. Элементы математической химии, 276 заметок по физике и др. . 2 сентября 1748 г. ученый представил Академическому собранию специальную диссертацию Опыт теории упругости воздуха, в которой доказывал, что давление воздуха объясняется не какой-то особой расширительной силой, а движением частиц самого воздуха, имеющих форму мельчайших шариков с шероховатой поверхностью. Мы считаем излишним, писал Ломоносов, призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха блуждающую жидкость, подобную тем, какие многими по обычаю века, изобилующего тонкими материями, применяются обыкновенно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в его собственной материи. Всякий, кто прочитал наши Размышления о причине теплоты и сопоставит с ними последующее, согласится, что мы делаем это не без основания 18.
Большая линза от зажигательного инструмента Э. В. Чирнгаузепа, которой пользовался Ломоносов в своих экспериментальных исследованиях.
30 сентября 1748 г. п. Академическом собрании с замечаниями по поводу диссертации Ломоносова выступил академик Г. В. Рахман. Он высказал мнение, что диссертация Ломоносова не объясняет, почему упругость воздуха пропорциональна его плотности. Замечания известного физика заставило Ломоносова осуществить серию опытов по проверке закона Бойля. В мае 1749 г. , посылая свою диссертацию Л. Эйлеру, Ломоносов сопроводил ее письмом, в котором, в частности, писал, что в диссертации об упругости воздуха не хватает объяснения очень известного закона, а именно, что упругость воздуха пропорциональна плотности. Ученый решил отказаться от объяснения, так как сомневался, приложим ли этот закон к любому сжатию воздуха. . . соображения, в силу которых упомянутый закон расходится с моей теорией, затруднительно изложить вне связи со всем моим пудом. Поэтому я теперь готовлю по этому вопросу дополнение к рассуждению об упругости воздуха19 .
Вскоре Прибавление к размышлениям об упругости было готово и направлено в Академическое собрание. Вместе с основной работой оно было опубликовано в Новых комментариях Петербургской академии за 1750 г. , а также в виде подробных рефератов появилось в западноевропейских научных изданиях.
В этих работах Ломоносов впервые сформулировал основы молекулярно-кинетической теории газов, показал, что при очень больших давлениях упругость газа отступает от закона Бойля. Он объединил идею Ньютона о взаимном отталкивании частиц газа с представлениями Бернулли о движении этих частиц, игнорирующими их взаимное отталкивание. Таким образом, предложенная Ломоносовым молекулярно-кинетическая теория газов, так же как и теплоты, была новым шагом вперед по сравнению с теориями его предшественников, явилась хорошей основой кинетической теории, разработанной Р. Клаузиусом и другими физиками XIX в.
В своих физических исследованиях Ломоносов уделял большое внимание изучению и объяснению световых явлений, а также теории цветообразования. Разработка теории цветов имела для него особое значение, и не только теоретическое, но и прикладное. Уже в ранних работах, относящихся к началу 40-х годов, молодой ученый остановился на интересующей его проблеме цвета. В 1749 г. в Химической лаборатории он начал опыты по изысканию разноцветных стекол к мозаичному художеству, которые продолжались несколько лет. В начале 50-х годов его работа над теорией цветов была наиболее интенсивной и продуктивной.
1 июля 1756 г. М. В. Ломоносов произнес на русском языке в Публичном собрании Академии наук Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее. В начале этого знаменитого Слова он кратко охарактеризовал воззрения на природу света и цвета античных философов и ученых XVII XVIII вв. Минуя потаенные качества древних, говорил Ломоносов, приступаю ко мнениям времен наших, яснейшими физическими знаниями просвещенных. Из оных два суть главнейшие: первое Картезиево (Р. Декарта-Авт.) , от Гудения X. (Гюйгенса-Авт.) подтвержденное и изъясненное, второе от Гассенди (П. Гассенди. -Авт.) начавшееся и Невтоновым (Ньютоновым-Авт.) согласием и истолкованием важность получившее Разность обоих мнений состоит в разных движениях. В обоих поставляется тончайшая жилка я отнюдь не осязаемая материя Но движение от Нектона полагается текущее и от светящихся тел наподобие реки во все стороны разливающееся- от Картезия поставляется беспрестанно зыблющееся без течения Из сих мнений которое есть правое и довольно ли к истолкованию свойств света и цветов о том с вниманием и осторожности подумаем.20
Рассматривая гипотезы о сущности явлений света и цвето-образования, Ломоносов отдавал предпочтение взглядам Декарта. Подобно Декарту, он считал, что мировое пространство, в котором происходят световые явления, заполнено эфиром. Световые явления осуществляются посредством движения мельчайших частичек эфира, говорил Ломоносов. Однако частицы эфира, как и корпускулы всех других тел материального мира, могут иметь движения трех видов: поступательное, вращательное и колебательное. Какое же из них способно возбуждать и передавать поток света?
В Слове о происхождении света Ломоносов утверждал, что в эфире могут существовать независимо друг от друга тепловые и световые явления. Значит, они возбуждаются разными видами движения его частичек. Тепло распространяется вращательным движением, а свет колебательным. Кроме того, ученый выдвинул гипотезу о наличии в эфире трех групп частиц, отличающихся своими размерами. Таким образом, по Ломоносову, эфир является конгломератом мельчайших движущихся частиц, отличающихся своими размерами и характером движения. Каждая группа или род частиц определяют один из основных цветов: красный, желтый или голубей. При этом от первого рода эфира происходит цвет красный, от второго желтый, от третьего голубей. Прочие цветы рождаются от смешения первых 21.
С современных научных позиций взгляды Ломоносова на природу света и цвета кажутся наивными. Однако материалистическое объяснение в XVIII в. этих сложных явлений природы явилось важным звеном в развитии науки о свете. Ломоносов впервые попытался установить связь между тепловыми, химическими, световыми и электрическими процессами, происходящими в природе. Все эти процессы сводились им к различным формам движения различных групп мельчайших частиц материи в материальной среде эфире.
В 1757 г. Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее было напечатано специальным изданием. Год спустя оно вышло на латинском языке, а потом в виде подробных рефератов появилось в научных журналах Англии, Франции, Германии, Голландии. Хорошо знал об этой работе английский ученый Т. Юнг, которого считают одним из основоположников трехцветной теории зрения. В его обширной библиографии по натурфилософии, вышедшей в 1807 г. , работой Ломоносова открывается раздел, посвященный книгам и статьям по физической оптике.
Северные сияния
Рисунки М. В. Ломоносова, 1753 г.
Наряду с исследованиями явлений теплоты и света Ломоносов уделял большое внимание изучению электрических явлений. В XVII первой половине XVIII в. вопросы статического электричества были практически не изучены. В Вольфианской экспериментальной физике, переведенной Ломоносовым на русский язык, по существу ничего не говорится об электричестве. В 1760 г. в Прибавлениях ко второму изданию Вольфианской экспериментальной физики Ломоносов указывал, что в те времена, когда господин Вольф писал свою физику, весьма мало было знания об электрической силе, которая начала в ученом свете возрастать славою и приобретать успехи около 1740 года22 .
Современники Ломоносова, изучавшие явления электричества, пользовались теми же методами, что и при исследовании тепловых процессов. Они и электричество считали невесомым флюидом, разновидностью какой-то мифической жидкости, прели вающейся в электризуемое тело. Материалисту Ломоносову было чуждо представление о невесомых жидкостях. Русский ученый объяснял электричество так же, как явления теплоты и света, движением мельчайших частичек эфира. В незаконченной рукописи Теория электричества, изложенная математически, он писал: Электрическая сила есть действие, вызываемое легким трением в чувствительных телах и состоящее в силах отталкивательных и притягательных, а также в произведении света и огня 23.
Ломоносову принадлежит несколько работ, посвященных исследованию атмосферного и статического электричества. Первые исследования он начал вместе со своим другом академиком: Г. В. Рахманом, трагически погибшим 26 июля 1753 г. при изучении грозового разряда. В 17521753 гг. Ломоносов и Рахман проводили наблюдения над атмосферным электричеством. 31 мая 1753 г. Ломоносов писал И. И. Шувалову: Без всякого чувствительного грому и молнии происходили от громовой машины сильные vnaDbi с ясными искрами и с туеском. издалека слышным что еще нигде не примечено и с моею данною теориею о теплоте и с нынешнею об электрической силе весьма согласно. . . 24. По существу в этих строках изложено сообщение об открытии электрического поля в атмосфере.
Весь 1753 г. Ломоносов готовил сообщение Академии наук о результатах работ по изучению атмосферного электричества. 26 ноября на Публичном собрании Академии он прочел на русском языке Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих. Его сообщение сопровождалось опытами с электрической машиной. Замечательная речь русского академика широко обсуждалась учеными. Она быстро была опубликована в академических изданиях, а вслед за этим подробно реферировалась в зарубежной научной литературе.
В конце декабря 1753 г. Л. Эйлер писал из Берлина по поводу речи Ломоносова: Сочинение г. Ломоносова об этом предмете я прочел с величайшим удовольствием. Объяснения, данные им относительно столь внезапного возникновения стужи и происхождения последней от верхних слоев воздуха в атмосфере, я считаю совершенно основательными. . . Прочие догадки столько же остроумны, сколько и верноподобны и выказывают в г. авторе счастливое дарование к распространению истинного познания естествоведения, чему образцы, впрочем, и прежде он представил в своих сочинениях25
Возникновение атмосферного электричества Ломоносов связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха, происходящими в результате различия давления и температур в верхних и нижних слоях атмосферы. Электрические заряды, вызывающие грозовые процессы, являются следствием трения частиц потоков воздуха. Ученый старался открыть закономерности возникновения электричества в атмосфере, чтобы потом использовать их в практике отвратить от храмин наших гром26.
Схема образования вертикальных воздушных потоков в атмосфере.
Рисунок М. В. Ломоносова, 1753 г.
Изучая атмосферное электричество, Ломоносов обратил внимание на характер электрических разрядов, разделив их на три вида, отличающихся определенными особенностями: Первый в искре с треском, которая часто с излучиною и, по разности материи, разного цвету примечена, особливо когда натуральная электрическая сила в металлический прут приведена была из облака. Второй род шипящий и холодный пламень. . . без треску. Третий род-бледный и слабый свет, который в весьма редком воздухе или в месте, воздуха отнюдь не имеющем, нал ртутью в барометре показывается. 27
называемые огни св. Ильма, появляющиеся иногда на острых концах возвышающихся над землей и водой острых предметов: башен, скал, корабельных мачт. Третьим родом электрических разрядов Ломоносов считал вечерние зарницы и северные сияния, возникающие в сильно разреженных верхних слоях атмосферы.
В Обзоре важнейших открытий, которыми постарался обогатить естественные науки Михайло Ломоносов, написанном в 1764 г, ученый подводил итоги своей работы в области изучения электричества. В своем слове об электрических явлениях, подчеркивал он, происходящих в воздухе, на основании открытого, объясненного и доказанного им опускания верхней атмосферы в нижнюю, даются вполне приемлемые если не угодно назвать их несомненными объяснения внезапных холодов, сил молний, северных сияний, хвостов великолепных комет и т. д. 28
Ломоносов явился одним из основоположников опытного естествознания в России. Он высоко ценил данные эксперимента, обеспечивающие возможность более глубокого познания явлений природы и разработки более правильных научных гипотез и теорий. Именно практику, эксперимент он считал лучшим средством для установления истины. Ныне ученые люди, а особливо испытатели натуральных вещей, писал Ломоносов в предисловии к Вольфианской экспериментальной физике, мало взирают на родившиеся в одной голове вымыслы и пустые речи, но больше утверждаются на достоверном искусстве. Главнейшая часть натуральной науки физика ныне уже только на одном оном свое основание имеет. Мысленные рассуждения произведены бывают из надежных и много раз повторенных опытов 29.
Выдающийся русский физик, друг и соратник Ломоносова по исследованиям в области электрических явлений Г. В. Рахман также был большим сторонником опытного знания. С 1744 г. , уже будучи академиком, Рахман возглавлял Физический кабинет Петербургской академии наук. С самого начала своих исследований по электричеству 1745 г. Рахман уделил основное внимание количественному методу изучения электрических явлений. Он создал специальную экспериментальную установку, основу которой составляли электростатическая машина и два прибора, предложенные самим Рахманом, предназначавшиеся для количественного определения величины электрического заряда.
состоял из вертикально подвешенной льняной нити полуметровой длины, прикрепленной верхним концом к вертикальной металлической линейке. В нижней части прибора находилась дугообразная шкала с нанесенными на ней делениями. По углу отклонения нити можно было измерить величину электрического заряда. Подобный указатель, писал Г. В. Рахман, является надежным прибором для распознавания больше или меньше градус электричества в той или иной электрической массе. Однако, указывал он далее, его прибор пригоден лишь для относительных измерений, так как сила взаимодействия между нитью и линейкой при возрастающем отклонении нити убывает по некоторому, пока еще неизвестному закону 30.
Вторым прибором, применявшимся Рахманом для измерения электрической силы, являлись небольшие весы, подвешенные на железной подставке. Одна чашка весов, сделанная из железа, находилась вблизи самой подставки и уравновешивалась маленьким грузом. Когда подставка наэлектризовывалась, железная чашка весов притягивалась к ней с большей или меньшей силой, определяющейся степенью наэлектризованности всего аппарата. Таким образом, ученому удалось как бы взвесить электрическую силу, т. е. установить ее количественное значение.
Ломоносов принимал деятельное участие в экспериментальных исследованиях Рахмана. Оба ученые впервые, использовав указатель Рахмана, предприняли попытку определения градуса электричества, порождаемого молнией. В своих домашних лабораториях они соорудили так называемые громовые машины, представлявшие собой простые громоотводы, железный стержень которых соединялся не с землей, а с указателями электричества. Ломоносов и Рахман понимали, сколь опасны эти исследования для их жизни. Но устранить опасность, считал Рахман, может лишь тот, кто путем многих, предварительных опытов и наблюдений выяснил, почему и при каких обстоятельствах молния становится опасной. . . Очевидно, что в нынешнее время и физикам представляется возможность проявить своего рода отвагу и смелость в рискованном деле.31Аналогичного мнения придерживался и Ломоносов. В научном отчете за 1752 г. он писал: . . . чинил наблюдения электрической силы на воздухе с великою опасности. 32
Как известно, первое практически пригодное устройство для защиты зданий от ударов молнии, прообраз современного громоотвода, было предложено американским ученым В. Франклином в 1752 г. Это устройство состояло из заостренного металлического стержня, возвышавшегося над зданием и обязательно соединенного проволокой с землей, для отвода электрического заряда в землю. Франклин доказал, что электрический заряд, получаемый путем трения, в принципе аналогичен заряду атмосферного электричества, т. е. имеет с ним только количественное различие. Исследования американца Франклина продолжил французский ученый Т. Ф. Далибар, которому удалось извлечь электричество из облаков во время грозы с помощью воздушного змея и получить электрические искры, похожие на разряд статического электричества. Об этих исследованиях сообщали журналы и газеты того времени, в том числе я Санкт- Петербургские ведомости. М. В. Ломоносов приветствовал смелые опыты Франклина и Далибара в своей поэме О пользе Стекла, опубликованной в конце 1752 г.
Рисунок В. В. и Л. Г. Петровых, 1959 г.
Методы грозозащиты, предложенные В. Франклином, встретили немало противников. Не только церковники, но и многие ученые считали установку громоотводов на городских и сельских зданиях крайне опасной затеей. Даже много лет спустя, в 1780 1784 гг. , во Франции проходил получивший широкую огласку судебный процесс против человека, установившего на своем доме громоотвод. Его обвиняли в притягивании молнии на головы своих сограждан. И только блестящая защитительная речь малоизвестного адвоката, в будущем видного деятеля Великой французской революции, Максимильена Робеспьера позволила суду вынести оправдательный приговор33.
Макет комнаты в квартире М. В. Ломоносова, где была установлена его "громовая машина"
Гибель Г. В. Рахмана привела к почти повсеместному прекращению исследований грозового разряда. Представители церкви и реакционеры от науки торжествовали, видя в случившемся божью кару. Однако не таким был Ломоносов. В 1753 г. он писал: Не думаю, чтобы внезапным поражением нашего Рахмана натуру испытывающие умы устрашились и электрической силы в воздухе законы изведывать перестали; но паче уповаю, что все свое рачение на то положат, с пристойною осторожности, дабы открылось, коим образом здравие человеческое от оных смертоносных ударов могло быть покрыто 34.
35 Поражаемость грозовым разрядом отдельных участков земной поверхности он связывал с состоянием атмосферы, прежде всего с ее температурой и влажностью, а также с проводимостью земных пород. Остановившись на методах укрытия от грозы, ученый описывал два способа отвращения громовых ударов, которые не без успеху, как кажется, употреблены быть могут. Один состоит в выставленных и надлежащим образом подпертых электрических стрелах, другой в потрясении воздуха. Первым электрическую громовую силу отводит в землю, вторым электрическое движение в воздухе приводит в замешательство и в слабость 36.
Первый из упомянутых способов подтверждает изобретенный Франклином громоотвод, хотя Ломоносов вначале не считал абсолютно необходимым устанавливать его на наиболее высоких зданиях и связывать с землей проводником электричества. Развивая второй способ борьбы с молнией, ученый рекомендовал разбивать громовые тучи колокольным звоном и не токмо колокольным звоном, но и часто пушечного пальбою во время грозы воздух трясти не бесполезно, дабы он великим дрожанием привел в смятение электрическую силу и оную умалил 37. В то время это предложение Ломоносова казалось наивным, но в наши дни взрывная волна артиллерийских снарядов и ракет все шире используется для того, чтобы разогнать тучи и предотвратить дождь или град.
Широкое развитие в середине XVIII в. экспериментальных исследований в области электричества стимулировало попытки теоретического обоснования электрических явлений. Над этим работали не только отдельные ученые, но и научные учреждения. Не стояла в стороне и Петербургская академия наук. В мае 1753 г. по предложению Ломоносова была объявлена конкурсная задача по теории электричества сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную ее теорию 38.
внимание на необходимость объяснения природы проводников и изоляторов, указывалось на возможность существования тончайшей электрической материи, которая беспрепятственно сквозь скважины тел ходит.
Через два года Петербургская академия получила 13 законченных исследований. Первой премии была удостоена работа Л. Эйлера, находившегося в то время в Берлине. По существующим правилам член Петербургской академии наук не мог принять участие в конкурсе. Однако соблазн поработать над интересной проблемой был столь велик, что Л. Эйлер все же представил Рассуждение о физической причине электричества, приписав эту работу своему сыну Иоганну. Однако после объявления результатов конкурса он сам же раскрыл вынужденную мистификацию39. В Рассуждении. . . Эйлера тонкой материей, создающей электрические силы, является эфир. Все электрические явления он объясняет упругостью эфира или, говоря более точно, нарушением равновесия в эфире при его проникновении в поры вещества. Проводники электричества, по мнению Эйлера, обладают открытыми порами, а изоляторы закрытыми. При электризации происходит сгущение или разрежение эфира.
под названием Теория электричества, изложенная математически. В этой работе, подобно Эйлеру, Ломоносов не признает популярной в то время особой электрической материи, приписывая все электрические свойства материальной среде эфиру. Однако он не согласен с эйлеровской моделью, объясняющей явления электричества лишь сгущением и разрежением эфира. Теория Ломоносова в своей основе является кинетической, электрические явления, по мнению ученого, основываются на вращении частичек эфира. Электрические явления, писал он, притяжение, отталкивание, свет и огонь состоят в движении. Движение не может быть возбуждено без другого двигающегося тела40. В последующей работе Ломоносов объяснял механизм электризации стекла посредством трения: Чрез трение стекла производится в эфире коловратное движение его частиц. . . От поверхности стекла простирается оное движение по удобным к тому особливо водяным или металлическим скважинам 41
Эфирная теория электричества, разработанная Ломоносовым, сыграла прогрессивную роль в развитии науки об электричестве.
В XIX в. ее основные положения получили дальнейшую разработку и воплотились в эфирной теории электрического поля, о важном значении которой писал Ф. Энгельс: Эфирная теория указывает, с одной стороны, путь, как преодолеть грубое первоначальное представление о двух противоположных электрических жидкостях: с другой же стороны, она дает надежду выяснить, что является собственно вещественным субстратом электрического движения, что собственно за вещь вызывает своим движением электрические явления42 .
Полагая, что эфир служит непременным агентом как световых, так и электрических явлений, Ломоносов приходит к замечательной идее о существовании глубокой внутренней связи между светом и электричеством, пишет историк науки Б. С. Сотин43. Однако правильность этого предположения мог подтвердить только опыт. Его осуществление и намечал ученый. Надо поставить опыт, считал Ломоносов, будет ли луч иначе преломляться в стекле или воде наэлектризованной 44.
электрического и магнитного полей. Открытие Керра подтвердило предсказанную Ломоносовым связь между световыми и электрическими явлениями, обосновало электромагнитную теорию света.
Взгляды Ломоносова на характер распространения света и электричества полностью совпали с аналогичными представлениями замечательных физиков XIX в. Дж. Максвелла и А. Г. Столетова. Та теория, которую я предлагаю, писал Максвелл, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или магнитные тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которого и производятся наблюдаемые электромагнитные явления. . . Мы поэтому имеем некоторое основание предполагать исходя из явлений света и тепла, что имеется какая-то эсЬионая среда, заполняющая пространство и пронизывающая все тела, которая обладает способностью быть приводимой в движение передавать это движение. . . 45
Полностью разделяя эти воззрения, русский физик А. Г. Столетов 18391896 отмечал, что электромагнитная энергия, лежащая в основе электрических и магнитных явлений, есть энергия всепроникающего эфира, зависящая от его частичных деформаций и движений, подробности которых нам еще не известны. Одна из форм распространения этой энергии есть то, что издавна известно нам, как луч света и тепла 46.
Следует напомнить читателям, что, по современным воззрениям, гипотетической среды мирового эфира, которому приписывались свойства переносчика электромагнитных взаимодействий, не существует. Электромагнитные волны распространяются в пространстве благодаря наличию электрического или магнитного полей. Законы распространения электромагнитных волн изучаются электродинамикой движущихся сред. Тем не менее как определенную дань прошлому об эфире говорят и поныне. Вспмните, например, слова дикторов радиопередач: "В эфире - Новости". . .
М. В. Ломоносов предвидел безграничные возможности, которые открывает электричество перед человечеством. В одном из прибавлений к Вольфианской экспериментальной физике он пророчески писал об электрических опытах, которые великую надежду к благополучию человеческому показующие 47.
и с движением элементарных частичек вещества. Ученый исследовал причины и характер тяготения, сконструировал многие приборы и инструменты для экспериментальной работы в области физики, астрономии, химии и других наук.
Неоднократно подчеркивая в своих научных трудах задачи наиболее полного познания законов природы и совершающихся в ней процессов, Ломоносов прежде всего имел в виду их практическую значимость для человечества. К этому, по его мнению, должны быть направлены и стремления всех наук, тесно взаимодействующих между собой. Ученый обращал внимание на то, что блаженства человеческие увеличены и в высшее достоинство приведены быть могут яснейшим и подробнейшим познанием натуры, которого источник есть натуральная философия, обще называемая физика. Она разделяет смешение, различает сложение частей составляющих натуральные евши, усматривает в них взаимная действия и союз, показывает оных причины. . . 48.
Труды Ломоносова в области физики явились крупным вкладом в эту важнейшую науку о природе. Они развивались и дополнялись учеными двух последующих столетий и способствовали тому, что в первой половине XX в. физика стала общепризнанным лидером естествознания.
Примечания
1. Вавилов С. И. Собр. соч. М. , 1956,
см. в ст. Вавилова В. и. Физический институт, Физическая лаборатория , Физический институт Академии наук СССР за 220 лет. Собр. соч. , т. 3, с. 468-490; Он же. Очерк развития физики в Академии наук СССР за 220 лет. Там же, с. 530-539.
4. Там же, с. 470.
5. Там же, с. 470.
6. Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. М. ; Л. , 1951, т. 2, с. 41.
7. См: Маркс К. , Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. , т. 20, с. 594.
9. Там же, с. 229.
10. Там же, с. 231-233.
11. Там же, т. 2, с. 21.
12. Там же, с. 83-85.
14. Там же, с. 39.
15. Там же, с. 5355.
16. Там же. М. ; Л. , 1952, т. 3, с. 389.
17. Маркс К. , Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. ,
19. Там же. М. ; Л. , 1957, т. 10, с. 466- 467.
20. Там же, т. 3, с. 318-319.
21. Там же, с. 332.
22. Там же, с. 438.
24. Там же, т. 10, с. 482.
25. М. В. Ломоносов в воспоминаниях и характеристиках современников. М. ; Л. , 1962, с. 118-119.
26. Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. М. ; Л. , 1959, т. 8, с. 521.
27. Там же, т. 3, с. 57.
29. Там же, т. 1, с. 424.
31. Там же, с. 357.
32. Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. , т. 10, с. 390.
34. Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. , т. 3, с. 23.
35. Там же, с. 75.
36. Там же, с. 77.
37. Там же, с. 79.
39. Дорфман Я. Г. . Всемирная история физики. . . , с. 290.
40. Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. , т. с. 283.
41. Там же, е. 330.
42. Маркс К. , Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. , т. 20, с. 439.
44. Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. , т. 3, с. 241.
45. Максвелл Дж. К. Динамическая теория электромагнитного поля. Избр. соч. по теории электромагнитного поля. М. , 1952, с. 253.
46. Столетов А. Г. Собр. соч. М. ; Л. , 1941, т. 2, с. 234.
47. Ломоносов М. В. Полн. собр. соч. , т. 3, с. 439.