Кудрявцев Павел Степанович Курс истории физики
 Скачать 7.55 Mb.
|
Наука в России. М.В. Ломоносов Процесс развития капитализма происходил неравномерно и в каждой стране по-своему. Так, в молодой буржуазной республике США капиталистическая «свобода» и буржуазная демократия сочетались с рабовладением и работорговлей. В России в результате петровских реформ создавалась промышленность и развивалась внутренняя и внешняя торговля на основе крепостного строя и помещичьего хозяйства. Сильны были феодальные порядки в раздробленной Германии, Австрии и Италии. Характерно, что именно в этих странах наука отставала от английской и французской науки, а после победы французской революции наука в области точного естествознания во франции заняла ведущие позиции. Петр I хорошо понимал значение науки для интенсивно развивающегося государства. Во время своих заграничных поездок он знакомился с организацией науки в Лондоне и Париже. Он поддерживал контакт с виднейшим представителем немецкой науки Лейбницем, советовался с ним по вопросу организации высшего научного учреждения в России. К тому времени сложились два основных типа таких учреждений: Лондонское Королевское общество и Парижская Академия наук. Лондонское Королевское общество, хотя и называлось Королевским, было объединением частных лиц, вносивших членские взносы на расходы общества по постановке экспериментов, по изданию печатных материалов, переписке и т. д. Ньютон, как несостоятельный человек, был при избрании его членом общества освобожден от уплаты членских взносов по поданному им заявлению. Иное дело Парижская Академия. Она содержалась на средства короля, академики получали «пенсион» и, таким образом, являлись королевскими служащими. Петр I выбрал в качестве образца парижский вариант. Но ему хотелось, чтобы академия решала задачу подготовки национальных научных кадров. Его указ предписывал учредить при академии гимназию и университет. Однако академики не очень стремились выполнять педагогические обязанности, и академические учебные заведения влачили жалкое существование. В конце концов преподавание сосредоточилось в специальных средних и высших учебных заведениях, не связанных с академией. Так, в 1755 г. в Москве по инициативе Ломоносова был организован университет, ныне носящий имя своего великого основателя. Проблема подготовки национальных кадров в первые годы существования академии решалась плохо. Немало энергии потратил М.В.Ломоносов, чтобы добиться изменения положения к лучшему. В академии долгие годы ведущую роль играли немцы, и борьба русских и «иноязычных» ученых пронизывает всю историю Академии наук до Октября. Указ Петра I об учреждении Академии наук был подписан 28 января 1724 г. Ровно через год после подписания указа Петр I умер, и академия начала работать уже при его преемниках. Это время было очень неблагоприятным для успешного развития академии. Дворцовые перевороты, смена временщиков поглощали все внимание правящей верхушки, которую академия мало интересовала. Собравшиеся в 1725 г. в Петербурге ученые составили сильный научный коллектив, из которого особую известность получили Д. Бернулли (1700-1782) и Л. Эйлер (1707-1783). Даниил Бернулли и Леонард Эйлер были не только крупными математиками, но и естествоиспытателями, оставившими глубокий след в механике и физике. Широта научных интересов Эйлера поразительна: он занимался различными областями математики, механики, астрономии, физики, техники и даже сельского хозяйства. Его интересовали проблемы логики, философии, статистики. Каталог его сочинений содержит около 900 названий. Даниил Бернулли является автором знаменитой «Гидродинамики», вышедшей в 1738 г. Оттуда вошло в учебники известное «уравнение Бернулли»; здесь был дан вывод закона Бойля – Мариотта на основе кинетической модели газа. Широкой известностью пользовались в свое время физики Бильфингер и Крафт. Последний основал в академии физический кабинет, в котором сам начал экспериментировать. Ему принадлежит одна из первых калориметрических формул для определения температуры смеси горячей и холодной воды. Академия наук с 1728 г. начала издавать научный журнал «Commentarii», сразу завоевавший широкую известность в научных кругах. В «Комментариях» Петербургской Академии наук считали за честь печататься видные зарубежные ученые. Научное лицо Петербургской Академии наук с первых лет ее существования определилось: она начала работать как первоклассное научное учреждение. Однако неблагоприятные политические условия тяжело отразились на работе молодой академии. Один за другим академики уезжали за границу, уехали Бернулли и Эйлер, Герман и Крафт. Академическими делами самовластно распоряжалась академическая канцелярия, которой командовал пронырливый библиотекарь Шумахер. В таком состоянии нашел академию будущий первый русский академик Михаил Васильевич Ломоносов.  Биография Ломоносова достаточно хорошо известна, хотя в ней еще есть немало белых пятен. Только недавно установлено место его рождения; деревня Мишанинская, вблизи Холмогор, Архангельской губернии. День его рождения датируется «Михайловым днем» (8 ноября старого стиля) 20 ноября 1711 Г.Ломоносов был сыном крестьянина-помора Василия Дорофеева. Мы не знаем точно, под влиянием каких обстоятельств родилась у молодого сына рыбака страсть к науке. Сам Ломоносов называл «вратами своей учености» «Грамматику» Мелетия Смотрицко-го и «Арифметику» Леонтия Магницкого. В истории русской культуры и науки эти книги, из которых одна была своеобразной энциклопедией церковнославянского языка, а другая – энциклопедией математических наук, занимают видное место и характеризуют уровень науки и просвещения в России, достигнутый к началу XVIII столетия. Эти книги и, по всей вероятности, беседы с бывалыми людьми пробудили в Ломоносове жажду знания, и зимой 1730 г. он отправился в Москву учиться. В 1731 г. он поступил в тогдашнее высшее учебное заведение – Заиконоспасскую духовную академию в Москве. Впоследствии Ломоносов сам описывал трудные условия, в которых в течение пяти  лет проходило его учение.Рис.20.Страница'Арифметики'Магницкого Однако даровитого юношу не удовлетворяла церковная схоластика и жизненные перспективы по окончании академии. Одно время он подумывал ехать священником в экспедицию. Счастливый случай круто повернул его судьбу. Организованная при Петре I промышленность по добыче и переработке металлических руд остро нуждалась в специалистах. Предполагалось выписать их из-за границы. Но в академии и в сенате нашлись люди, понимавшие, что настало время приступить к подготовке собственных кадров. По представлению «командира академии» Корфа сенат издал указ об отборе из числа учащихся существовавших тогда учебных заведений наиболее способных для продолжения образования в академическом университете. Во исполнение указа было отобрано двенадцать молодых людей, в том числе и студент Заи-коноспасской академии Михаиле Ломоносов, прибывший в Петербург 1 января старого стиля 1736 г. За границу были посланы трое: Ломоносов, Виноградов и Рейзер – для подготовки из них специалистов горного дела. Сначала они должны были пройти общий курс наук в Марбурге у известного философа Христиана Вольфа. Выражаясь современным я зыком молодые люди должны были сначала пройти аспирантуру у Вольфа, а в дальнейшем – специальную подготовку по горному делу у Генкеля во фрейбурге.  Титульныйлист'Словаопроисхожениисвета'М.В.Ломоносова За границей Ломоносов пробыл пять лет. Это были напряженные и бурные годы его жизни. Он испытал немало жизненных приключений, которые иной раз могли окончиться для него весьма плачевно, но вместе с тем упорно и напряженно работал и вернулся в Россию в 1741 г. сложившимся ученым с определенными научными убеждениями и принципами. С этого времени и до конца своей жизни Ломоносов трудился над приведением академии в «доброе состояние», над созданием условий, способствующих «процветанию наук» в России. Его личная научная работа поистине всеобъемлюща. Он первый русский профессор химии (1745), создатель первой русской химической лаборатории (1748), автор первого в мире курса физической химии. В области физики он оставил ряд важных работ по кинетической теории газов и теории теплоты, по оптике, электричеству, гравитации и физике атмосферы. Он занимался астрономией, географией, металлургией, историей, языкознанием, писал стихи, создавал мозаичные картины, организовал фабрику по производству цветных стекол. Это был многогранный ученый, оставивший яркий след в разных областях науки, техники, литературы и искусства.  СтраницаизписьмаЛомоносовакЭйлеру,на которой данаформулировказакона сохранения К этому надо добавить неутомимую общественную и организаторскую деятельность М.В.Ломоносова. Он активный член академической канцелярии, издатель академических журналов, организатор университета, руководитель ряда отделов академии. Эта разносторонняя кипучая деятельность, связанная с борьбой против «недругов наук российских», надломила силы Ломоносова. Он скончался 4 апреля 1765 г., не прожив и пятидесяти четырех лет. Проследим основные этапы научного пути Ломоносова. Это поможет нам не только понять историческое значение Ломоносова-ученого, но и ознакомиться с идеями и проблематикой науки первой половины XVIII в. Первыми научными трудами Ломоносова были сочинения, посылаемые им из Германии в Академию наук в качестве отчета о своих научных занятиях. 15 октября 1738 г. Ломоносов отправил в академию вместе с рапортом перевод оды фенелона и написанную на латинском языке «Работу по физике о превращении твердого тела в жидкое в зависимости от движения предсуществующей жидкости». В марте 1739 г. «студент математики и философии Михаиле Ломоносов» представил в Академию наук физическую диссертацию «О различии смешанных тел, состоящем в сцеплении корпускул». В Марбурге же Ломоносов начал большое сочинение «Элементы математической химии», рукопись которой, хранящаяся в архиве Академии наук, помечена 1741 г. Это сочинение осталось незаконченным, общий план задуманного Ломоносовым большого труда содержится в конце рукописи. Вообще следует подчеркнуть, что законченных и опубликованных трудов по физике и химии у Ломоносова немного, большая часть осталась в виде заметок, фрагментов, неоконченных сочинений и набросков. В Полном собрании сочинений Ломоносова в первых четырех томах, содержащих работы по физике, химии, астрономии и приборостроению, опубликовано 85 работ, из них законченных и опубликованных при жизни Ломоносова 27, в том числе одна переводная книга «Вольфианская физика» и одна переводная брошюра («Описание появившейся в начале 1744 года кометы»). Таким образом, при жизни Ломоносова было завершено и опубликовано менее трети его работ. В то же время, начиная с 1741 г., ежегодно публиковались оды и стихи Ломоносова, несколько изданий выдержали «Риторика» и «Грамматика» Ломоносова, выходили его исторические и географические труды. Вполне естественно, что Ломоносов долгое время был известен прежде всего как поэт и писатель и при слабом развитии истории естествознания в России фигурировал в учебниках истории словесности как один из первых русских писателей. Только Пушкин правильно расставил ударения на деятельности Ломоносова, подчеркнув его роль как ученого и просветителя, назвав его «первым русским университетом». Возвращаясь к началу научного пути Ломоносова, следует подчеркнуть, что как его студенческие работы, так и в особенности «Элементы математической химии» предопределяют дальнейший ход развития его научных воззрений. Ломоносов начинал свой научный путь в эпоху становления химии как науки, кристаллизации ее основных понятий и методов. Химия XVII в. еще не освободилась от алхимических представлений и была своеобразным искусством приготовления веществ, нужных для практических целей. Алхимики искали средств превращения обычных веществ в благородные металлы, создания удивительного вещества– «философского камня». Теория четырех элементов Аристотеля позволяла надеяться на достижение этих целей. Комбинируя первичные «качества» и подбирая сочетания «элементов», можно было надеяться получить вещество с любыми свойствами. Неудачи алхимиков в достижении больших целей привели к замене недостижимых целей более практическими, к изготовлению лекарственных средств, к поискам полезных для технологических целей рецептов. В этих поисках был накоплен огромный эмпирический материал, для обработки которого элементы Аристотеля были совершенно недостаточной базой. Химики вводили новые «элементы», подсказываемые химической практикой. К аристотелевским элементам они добавляли ртуть, являющуюся, как они думали, началом металлического блеска, серу, служащую началом горючести, и соль – началом растворимости. Эти «философские» элементы не отождествлялись с конкретными – ртутью и серой, они являлись носителями указанных «начал». Металлургическая практика стимулировала особый интерес к металлам и их окислам. Процесс восстановления металлов из их руд нуждался в теоретическом истолковании. В 1703 г. врач прусского короля Георг Эрнест Шталь (1660–1734) предложил гипотезу особого горючего вещества–флогистона. Шталь считал флогистон невесомым и даже допускал для него отрицательный вес. Металл, по Шталю, представляет собой соединение особого землистого вещества и флогистона, который выделяется при процессах окисления, а в процессе восстановления поглощается. «Гипотеза Сталя, – писал Д. И. Менделеев в «Основах химии»,– отличается большой простотой, она в середине XVIII века нашла себе многих сторонников». Ее принимал и М.В.Ломоносов в сочинениях «О металлическом блеске» (1745) и «О рождении и природе селитры» (1749). флогистические воззрения встречаются в некоторых, его физико-химических заметках, в «Курсе истинной физической химии» (1752–1754), «Слове о рождении металлов» (1757), «Слове о происхождении света» и других сочинениях. В сочинениях Ломоносова, в частности в «Слове о происхождении света», фигурирует и концепция трех элементов: ртути, соли и серы. Это и не удивительно. Ломоносов учился химии по распространенным тогда учебникам Бургаве, Шталя и Штабеля. Его учитель химии и горного дела Генкель был ограниченным эмпириком и не мог передать Ломоносову основательных химических воззрений. Во времена Ломоносова были известны только два газа: воздух и углекислый газ. Водород, кислород и азот были открыты после его смерти. В этих условиях создать правильную теорию горения было просто невозможно. Поразительно, что молодой Ломоносов увидел недостатки в современной ему науке и наметил правильные теоретические основы химии. В сочинении «О действии химических растворителей вообще», написанном в 1743 г., опубликованном в 1750 г., Ломоносов отмечает, что, несмотря на длительные труды многих людей, химия «все еще покрыта глубоким мраком и подавлена своей собственной громадой». «От нас, – продолжает Ломоносов,– скрыты подлинные причины удивительных явлений, которые производит природа своими химическими действиями, потому до сих пор нам неизвестны более прямые пути, ведущие ко многим открытиям, которые умножили бы счастье человеческого рода». Из этой цитаты, между прочим, видно, что теория, которая открыла бы пути «ко многим открытиям», имеет и важное практическое значение, поскольку научные открытия умножают «счастье человеческого рода». В науке, по мнению Ломоносова, теория и практика неразрывно связаны. Уже в одной из своих первых работ – «Элементы математической химии» – Ломоносов утверждает: «Истинный химик должен быть теоретиком и практиком». В этой работе Ломоносов называет химию наукой, а не искусством, какой она еще считалась и фактически была в те времена. Ломоносов в противоположность этому общепринятому взгляду на химию высказывает твердое убеждение, что «занимающиеся одной практикой – не истинные химики». «Истинный химик, – говорит Ломоносов,– ...должен быть также и философом». В основе химических явлений, по Ломоносову, лежит движение частиц – «корпускул». Поэтому, «кто хочет глубже постигнуть химические истины», тот должен «изучать механику». «А так как знание механики предполагает знание чистой математики, то стремящийся к ближайшему изучению химии должен быть сведущ в математике». Так при самом зарождении химической науки Ломоносов, сам только начинавший свой научный путь, ясно понял, что химическая теория должна строиться на законах механики и математики. Современная теоретическая химия основывается на квантовой механике, для понимания которой нужно глубокое знание математики, и тем самым воочию подтверждает правоту учения Ломоносова. 6 сентября 1751 г. Ломоносов вновь высказал свои идеи об основаниях химической науки в своем знаменитом «Слове о пользе химии», произнесенном на публичном собрании Академии наук. Это слово Ломоносов произнес, будучи академиком, организатором первой в России химической лаборатории, лектором первого в мире курса физической химии. Здесь Ломоносов вновь подчеркнул, что для успеха химической науки «требуется весьма искусный химик и глубокий математик в одном человеке». «Химия руками, математика очами физическими по справедливости назваться может». Ломоносов в своем «Слове» раскрывает важную роль в общественном прогрессе химии, физики и металлургии. Он указывает на большое практическое значение химии. «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие!» – восклицает Ломоносов. Вместе с тем он лишен ограниченности специалиста и предостерегает слушателей, чтобы они не думали, что он якобы «всечеловеческой жизни благополучие» видит в одной химии. «Имеет каждая наука равное участие в блаженстве нашем», – указывает Ломоносов. Ломоносов является одним из основателей научной химии, глубоко понимавшим ее задачи и назначение. Он первым заговорил о физической химии как науке, объясняющей химические явления на основе законов физики и использующей физический эксперимент в исследовании этих явлений. Тем самым он опередил свою эпоху более чем на сто лет. Практическую часть химии, то, что относится «к наукам экономическим, фармации, металлургии, стекольному делу и т. д.», Ломоносов предлагает отнести «в особый курс технической химии», опять-таки опередив свое время. В химических работах Ломоносова важную роль играет атомистика, которая служит краеугольным камнем его научного мышления. Ломоносов является одним из основателей механической теории теплоты и кинетической теории газов. В своих работах на эту тему он сводит теплоту и упругость газов к движениям «нечувствительных частиц». Как химик-практик, Ломоносов не мог еще отказаться от флогистона, но, как физик-теоретик, он категорически выступил против концепции теплорода, считая ее рецидивом аристотелевского «элементарного огня». Заметим, что автор кислородной теории горения Лавуазье еще считал теплород (calorique) одним из химических элементов. В физике концепция теплорода господствовала целое столетие после опубликования классической работы Ломоносова «Размышления о причине теплоты и холода» (опубликована в 1750 г. на латинском языке в «Новых Комментариях»). В научной системе Ломоносова важное место занимает «всеобщий закон» сохранения. Впервые он формулирует его в письме к Леонарду Эйлеру от 5 июля 1748 г. Здесь он пишет: «Но все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю от бодрствования, и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому». Печатная публикация закона последовала через 12 лет, в 1760 г., в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел». Здесь в русском переводе конец читается так: «Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». Это, по-видимому, первая в истории физики формулировка закона «сохранения силы». До введения Ранкиным термина «энергия» закон сохранения энергии именовался законом сохранения силы. У Ломоносова он является частным случаем всеобщего закона сохранения. Недостатком формулировки Ломоносова является отсутствие точной количественной меры силы. Во времена Ломоносова спорили о двух мерах механического движения: mv и mv2, еще только вырабатывались понятия калориметрии, в области электричества и магнетизма вообще еще не было количественных характеристик, и поэтому отсутствие количественной формулировки сохранения силы у Ломоносова вполне естественно. Ломоносов сделал важный шаг, введя для количественной характеристики химических реакций весы. В отчете о своих работах за 1756 г. он записывает: «Между разными химическими опытами, которых журнал на 13 листах, деланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать: прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере». Все замечательно в этой сухой фразе отчета: первая в мире опытная проверка закона сохранения веса при химической реакции, опытное опровержение ошибочного мнения крупного авторитета и первый значительный шаг к теории горения Лавуазье. Ломоносов здесь показал, так же как и в своей теории теплоты, конкретное применение всеобщего закона сохранения. В истории закона сохранения энергии и массы Ломоносову по праву принадлежит первое место. Ломоносов был пионером во многих областях науки. Он открыл атмосферу Венеры и нарисовал яркую картину огненных валов и вихрей на Солнце. Он высказал правильную догадку о вертикальных течениях в атмосфере, правильно указал на электрическую природу северных сияний и оценил их высоту. Он пытался разработать эфирную теорию электрических явлений и думал о связи электричества и света, которую хотел обнаружить экспериментально. В эпоху господства корпускулярной теории света он открыто поддержал волновую теорию «Гугения» (Гюйгенса) и разработал оригинальную теорию цветов. Это был яркий и независимый ум, взгляды которого во многом опередили эпоху. Ему не удалось полностью реализовать свои обширные научные замыслы, но того, что он сделал, оказалось достаточно, чтобы обеспечить ему почетное место в пантеоне науки. |