Кудрявцев Павел Степанович Курс истории физики
 Скачать 7.55 Mb.
|
Создание лабораторийВторая половина XIX в. отмечается важными изменениями в организации подготовки физиков. В это время сначала в Европе, а затем в Америке создаются физические лаборатории. В некоторых из лабораторий зарождаются научные школы. В прошлом физик работал в одиночку. Приборы обычно покупались на собственные деньги или изготовлялись самими учеными. Нередко лабораториями служили частные комнаты Опыты по разложению белого света Ньютон проделал в своей квартире в Кембридже. Вспомним, что физическим прибором ему служила призма, купленная на собственные деньги. Через сто пятьдесят лет в той же обстановке Стоке проводил свои оптические исследования. Рихман и Ломоносов исследовали атмосферное электричество с «громовыми машинами», построенными каждым у себя на квартире. Франклин для исследования атмосферного электричества соорудил в своем доме в филадель-фии железный изолированный стержень. Джоуль свои эксперименты по определению механического эквивалента теплоты проводил дома в Манчестере. «Лабораторией Гей-Люссаку служило сырое полуподвальное помещение.Ученый, предохраняясь от сырости..., работал в деревянных башмаках». Френель в селе Матье близ Канна, в доме матери, проводил исследования по дифракции с примитивными приборами и приспособлениями, сделанными для него сельским слесарем. Фуко экспериментировал в своем доме. Лаборатория Royal Institution, где работали Дэви, фарадей и Тиндаль (1820–1893), открытая в 1803 г., как вспоминал Тиндаль, «плохо вентилировалась, плохо освещалась и была совершенно неподходящей для ежедневной многочасовой работы. Это, вероятно, наихудшая лаборатория во всем Лондоне». И эта лаборатория оставалась почти 70 лет в первоначальном состоянии. Конечно, она не служила целям обучения экспериментальному искусству, вся аппаратура, которая в ней была, служила в основном целям исследователей-одиночек или только лекционным целям. Здесь фарадей в своих исследованиях обходился мотками проволок, кусками железа, магнитными стрелками. Причем все эти люди, подобно Максвеллу и Кельвину, не проходили какого-либо курса обучения практической физике. Его просто тогда не было. В тогдашних университетах преподавание велось в классическом духе, основное внимание уделялось гуманитарным и математическим наукам, физике отводилось мало места.Так, в Кембриджском университете до 70-х годов из физики читались только оптика, гидростатика, механика. Трипос (экзамен для соискателей ученой степени) включал в себя в основном математические науки. В Германии до 40-х годов XIX столетия делалось существенное различие между учреждением для учебных целей и учреждением для научных исследований. Так, в протоколе Тайного Совета от 22 июля 1807 г. правительство разъясняет университету, что «изобретение в научной области является делом ученых, а не делом учителей, которые как таковые, подобно судье, должны принимать во внимание не составление законов, а выполнение данных законов». Такое же положение было и в университетах России, где считалось, что главная задача преподавателя – читать лекции, а занятия наукой –вещь второстепенная и необязательная. В американских колледжах и университетах обучение сводилось к чтению лекций и штудированию учебников, а «лекционные демонстрации скорее создавали внешний блестящий эффект и не служили своим истинным целям». В середине XIX столетия бурное развитие промышленности, машиностроения, химической промышленности, металлургии и горного дела, электротехники, теплотехники, строительство железных дорог, возникновение пароходства и воздухоплавания – все это стимулировало развитие науки, новых форм ее организации. Все более усиливалась связь науки и техники. Так, в решении задач, связанных с прокладкой трансатлантического кабеля между Европой и Америкой, принимал участие Вильям Томсон. Эта грандиозная техническая задача была успешно решена в 1866 г. благодаря союзу ученых и техников. Вспомним лабораторию Реньо на Севрском . фарфоровом заводе, созданную для исследований, которые были нажны для развития тепловых машин. В свою очередь техника дает науке все более мощные средства познания тайн природы. Совершенствование воздушных насосов позволило получить такой вакуум, что сделало возможным опыты и измерения, которые раньше были неосуществимы. «При таких давлениях мы можем изучать свойства отдельных молекул, – писал Дж. Дж. Томсон, – в то время как при более высоких мы можем только изучать их поведение в плотной толпе...» К этому времени значительно усложнилась физическая теория и эксперимент. Новые задачи, стоящие перед физической наукой, требовали для своего решения все большего числа физиков. Итак, в новых условиях необходимо было предусмотреть новые формы и темпы подготовки ученых. Старые образовательные учреждения были не в состоянии выполнить эту роль, перестройка их была необходима. И с сороковых годов XIX столетия начинают создаваться физическиелабо-ратории как новая форма организации коллективных методов исследования в физике. Лидерство в перевооружении физики заняла Германия, которая с 40-х годов переживала национальный и культурный подъем. Из феодальной страны Германия превращалась в капиталистическую империю, разгромившую Австрию и францию, сплотившую под эгидой Пруссии княжества раздробленной со времен реформации страны. Первая физическая лаборатория была создана в Геттингенском университете В. Вебером, который был приглашен туда в 1831 г. Гауссом. Вебер привлек студентов к подготовке лекционных опытов. Наиболее способным он предложил небольшие физические исследования. Позднее он ввел практические занятия для желающих. В 1837 г. Вебер был вынужден покинуть университет, протестуя в числе других профессоров университета против нарушения королем Эрнстом-Августом Ганноверской конституции. Руководство физическим отделом университета было передано Листингу. При нем научная и педагогическая деятельность заметно упала, но зато произошло некоторое увеличение площади, занятой под физический отдел. В 1849 г. Вебер возвратился в Гет-тинген, где вновь начался подъем научно-педагогической деятельности физического отдела университета. При Вебере происходит деление физического отдела на кафедры экспериментальной и теоретической физики Первой заведовал Вебер, второй –Листинг. Цели и задачи обеих кафедр были одинаковы, разница заключалась лишь в том, что Вебер читал экспериментальную физику, а Листинг–теоретическую. Помещения физического отдела университета были тогда очень малы. В лаборатории Вебер проводил работы в области геомагнетизма и гальванизма, электрических колебаний, совместно с Рудольфом Кольраушем (1809– 1858) он определил отношение электростатических и магнитных единиц. В лаборатории Вебера работали ученые из различных стран мира. Здесь работал наш замечательный физик А. Г. Столетов, английский ученый Артур Шустер (1851-1934) и др. Новый поворот в развитии физического отдела Геттингена был связан с приходом в него в качестве экстраординарного профессора физики сына Рудольфа Кольрауша – Фридриха Коль-рауша (1840-1910), ученика Вебера. Ему было поручено устройство физического практикума и руководство им. Свой богатый опыт педагогической деятельности в Геттингене Кольрауш обобщил в книге, ставшей всемирно известным первым пособием по практической физике. Итак, в Геттингенском университете Вебером была создана одна из первых физических лабораторий, в которой в основном проводились исследования в области электромагнетизма. Вскоре маленькая лаборатория была расширена и превратилась в физический институт. Здесь появился первый учебник по практической физике, с выходом которого практические занятия по физике начали распространяться по всем университетам и политехническим институтам мира. Впоследствии физический институт так разросся, что дал начало пяти новым подотделам института, в которых работали многие известные ученые, такие, как Нернст (1864–1941), Вихерт (1861-1928), Клейн (1849-1925), Рикке (1845–1915) и др., было подготовлено много ученых не только из Германии, но и из других стран мира. В 40-х годах в Берлине университетский профессор Генрих Густав Магнус оборудовал несколько комнат в своем доме под физическую лабораторию и принимал студентов для работы в ней. Университет оплачивал расходы по содержанию лаборатории. Лаборатория Магнуса была устроена со всеми возможными в частном доме удобствами. У Магнуса учились молодые исследователи не только из Германии, но и из Америки, Англии, России: Видеман (1826-1899), Варбург (1846-1931), Тиндаль, Гиббс, А.Г.Столетов, М. П.Авенариус и др. Тематика исследований у Магнуса была самой разнообразной. Гельмголыд, например, изучал процессы гниения и брожения; Кундт исследовал распространение звука в твердых телах. В 1843 г. Магнус положил начало физическим коллоквиумам. Ошибочно было бы считать, что лаборатория Магнуса была единственной частной физической лабораторией при Берлинском университете. Почти каждый профессор физики Берлинского университета имел в своей квартире лабораторию, где студенты выполняли практические работы. Так, профессор Эрман (1806–1877) имел в своей квартире лабораторию, где студенты могли производить магнитные наблюдения. Лекционный курс профессора Квинке (1834–1924) дополнялся практическими занятиями, проводившимися у него на дому. Но лаборатория Магнуса имела наибольшую известность как в Германии, так и за рубежом. В лабораторию Магнуса приходило все больше и больше учеников. Многим приходилась отказывать из-за недостатка помещений. В 1863 г. лабораторию переносят в здание университета. Она становится не частной, а государственной лабораторией, достигнув своего расцвета при знаменитом преемнике Магнуса– Гельмгольце. В отличие от Магнуса ф. Нейман в созданной им в Кенигсберге лаборатории умело сочетал экспериментальную и теоретическую физику. При создании лаборатории Нейман столкнулся с немалыми трудностями. О н обращался к официальным властям с просьбой финансировать физическую лабораторию в дополнение к его семинару по математической физике. Официальные власти отказали, и в 40-х годах Нейман организовал лабораторию на собственные средства. Учеников у Неймана было меньше, чем у Магнуса. Они, прежде чем перейти к экспериментам, проходили большую теоретическую подготовку по механике и математической физике. Среди великих его учеников был Густав Роберт Кирхгоф. Впоследствии Кирхгоф сам становится руководителем физической лаборатории в Гейдельберге, сменив на этом посту Ф. Г. Жолли (1809-1884). Жолли создал лабораторию в двух небольших частных комнатах в 1846 г. В лаборатории Жолли Кирхгоф и Бунзен провели исследования, приведшие к открытию спектрального анализа. В лаборатории Кирхгофа был создан один из лучших курсов экспериментальной физики, привлекавший учеников из различных стран мира. Этот курс расширил преемник Кирхгофа Квинке. В новом Страсбургском университете, основанном в 1872 г., уже заранее было предусмотрено строительство физического института. Его директор Кундт создал очень удобный для обучения и исследования институт, который долго служил прототипом для многих институтов, аудиторий, лабораторий различных стран. Здесь под руководством Кундта была подготовлена плеяда тонких экспериментаторов, таких, как рентген, Лебедев, Пашен, Рубенс, Винер, Голицын и др. Вслед за Страсбургским институтом в 1875 г. создаются физические институты в Лейпциге, Мюнхене, Бонне, Бреслау, Фрайбурге и других городах. Вскоре каждый немецкий университет обзавелся хорошо оборудованной физической лабораторией. Создание лабораторий повлекло за собой развитие старых и основание новых мастерских физических приборов. В 70-х годах XIX в. Великобритания, ведущая капиталистическая держава мира, начала терять былое могущество и отставать от своих более молодых соперниц – Германии и США. Это отставание сказалось и на темпах строительства лабораторий. Среди пионеров экспериментального обучения в Великобритании были профессораВ.Томсон (Кельвин), Клифтон, фостер, Адаме, Б. Стюарт. В 1846 г. 22-летний Томсон занял пост профессора натурфилософии в университете Глазго. Для проведения серии экспериментов по электродинамике он пригласил себе в помощь нескольких студентов. До 1870 г. лабораторией Томсону и его студентам служили старые лекционные комнаты и заброшенный винный подвал, а после переезда университета в новое здание в 1870 г. Томсону были предоставлены просторные помещения для экспериментальной работы. Мы еще вернемся к лаборатории В.Томсона, Гельмгольца и других. А пока продолжим рассказ о создании физических лабораторий. В Оксфорде в 1867 г. в небольшой комнате, выделенной университетом, профессор Клифтон начал обучение экспериментальной физике. В 1872 г. вступила в строй спланированная Клифтоном Кларендонская лаборатория. Она послужила прототипом для многих лабораторий мира. Д. К. Максвелл посе-тил ее, когда планировал Кавендишскую лабораторию в Кембридже. В октябре 1867 г. профессор К. фостер в университетском колледже в Лондоне в небольшой комнате также начал занятия по экспериментальной физике. Он писал: «Я убежден, что не может быть нормального обучения физике отдельно от практической работы, студенты должны иметь личное знакомство с явлением до того, как они смогут с пользой рассуждать о нем». Мысль фостера об обязательном практическом обучении для всех студентов была претворена В. Адамсом в Кинг-колледже. В 1871 г. в Оуэн-колледже (Манчестер) занятия в физической лаборатории начали проводиться под руководством Бальфура Стюарта. У него учились искусству экспериментировать известный английский физик А. Шустер и знаменитый Дж. Дж. Томсон, открывший электрон. Вначале экспериментальная работа проводилась в нескольких маленьких комнатах с немногочисленной аппаратурой, а с 1898 г. было выстррено новое здание лаборатории, оборудованное лучшей аппаратурой того времени. В Кембридже обучение экспериментальному искусству начало проводиться с 1874 г. в здании знаменитой Кавендишской лаборатории. Она была выстроена на частные средства и сыграла огромную роль в развитии физики. Достаточно сказать, что ее руководителями были в разное время Максвелл, Рэлей, Дж. Дж. Томсон, Резерфорд. Из всех английских лабораторий систематическое обучение было только в Кинг-колледже. С гораздо большим размахом систематическое лабораторное обучение было введено в 1869 г. в Массачусетском институте технологии в Бостоне профессором Э. С. Пикерингом. Основателем Массачусетского института технологии был В. Б. Роджерс. Он признавал важность новых образовательных учреждений в условиях экономического роста страны, освоения-Запада, роста индустрии, транспорта, сельского хозяйства. Роджерс придавал большое значение обучению в лабораториях. При организации лабораторных занятий главной трудностью, с которой столкнулся Пикеринг, было «дать возможность двадцати или тридцати студентам одновременно выполнять эксперименты без дублирования аппаратуры и предотвратить опасность повреждения тонкой аппаратуры». Эти трудности были успешно преодолены. В США обучение практической физике в технических учебных заведениях было поставлено лучше, чем в колледжах и университетах. Так, до 1871 г. Гарвард-колледж не имел приборов для технических измерений. «Большинство лабораторий в этой стране были выстроены и оборудованы за последние пятнадцать лет» (имеется в виду примерно 1895–1910 гг.– С. К.), – писал американский историк науки ф. Кэджори. франко-прусская война подорвала экономическое могущество франции, уступавшей по объему промышленного производства только Англии. Это не могло не сказаться и на развитии науки. Мы уже рассказывали об одной из первых лабораторий во франции – Севрской лаборатории Реньо для термодинамических исследований. Но Реньо во франции был в особых условиях. Он занимался вопросами термодинамики, так как промышленность остро нуждалась в более совершенных тепловых машинах. Этим и объясняется то, что ему были созданы хорошие условия для исследовательской работы. Вообще же французские ученые выражали неудовольствие отсутствием лабораторий и средств для проведения исследований. 31 июля 1868 г. французским Министерством образования было выпущено два декрета, утверждающих необходимость проведения практических занятий и создания лабораторий для студентов и специальных лабораторий для научных исследований. В этом же году профессор Жамен (1818–1886) открыл лабораторию в Сорбонне. До самой смерти он был главой этой лаборатории. Профессор Адаме, посетивший францию в 1868 г., нашел, «что единственной лабораторией, где велось систематическое обучение практической физике, была лаборатория Жамена в Сорбонне, где студенты уже занимались определением физических констант и где аппаратура была только та, которую использовал профессор в собственных исследованиях». Под руководством Жамена в лаборатории работало несколько русских и румынских физиков. В 1894 г. она была передана новому «факультету науки» и реконструирована. Ее директором был назначен Липпман (1845–1921). Лаборатория стала знаменитой благодаря его исследованиям, приведшим к открытию цветной фотографии. И все же, несмотря на то что франция вслед за Германией и Англией начала обучение экспериментальной физике, она в значительной мере отставала в этом деле от передовых стран. Лабораторий во франции было мало, средства, отпускавшиеся на нужды экспериментальных исследований, были очень скудны, действующие лаборатории были так переполнены, что там не оставалось места для исследовательской работы, физическую науку во франции развивали лишь гениальные исследователи-одиночки. Так, Де Метц, посетивший многие лаборатории Европы и работавший в Сорбонне в 1886 г., писал: «...между инструментами и приспособлениями физических лабораторий Сорбонны я ничего не видел нового, в особенности интересного, если не считать абсолютного электрометра Пеллата... Такое явление обусловливается скудностью отпускаемых сумм... Общее впечатление, произведенное на меня физическими лабораториями Сорбонны, было не в пользу последней. Ничего крупного, ничего выдающегося!.. В современном своем состоянии физические лаборатории при Сорбонне не могут быть поставлены наряду с лучшими учреждениями этого рода в Европе». Мария Склодовская-Кюри, учившаяся в Сорбонне с 1891 г., прошла курс практического обучения по физике, но первое свое исследование по определению магнитных свойств металлов она не смогла провести в перегруженных лабораториях Сорбонны. С.И.Вавилов писал о положении науки во франции в период французской революции: «Музей и Политехническая школа больше не подготовляют ученых будущего, как они это делали раньше, научное исследование в загоне и находится в вопиющих материальных условиях. За 30 лет Германия покрылась сетью богатых лабораторий, и каждый день появляются новые. А франция? франция еще не взялась за дело. У нее отсутствует предусмотрительность. Она покоится в тени своих старых трофеев». Отмена крепостного права разорвала путы, сковывающие развитие капитализма в России. После падения крепостного права темпы развития промышленности в России начинают возрастать. И все Же экономическая отсталость России сказалась и на отставании ее в деле создания физических лабораторий. Для русских физиков местом деятельности служили физические кабинеты. Здесь хранилась аппаратура, которую применяли на лекционных демонстрациях, и проводились единичные экспериментальные исследования. В России были ученые, понимавшие важность практического обучения. Так, В.В.Петров в 1795 г. организовал первый физический кабинет при Медико-хирургической академии. Его желание организовать научно-исследовательскую работу для студентов, превратить кабинет в лабораторию не осуществилось. Э.Х. Ленц в 40-х годах XIX в. пытался преобразовать физический кабинет Академии наук в физическую лабораторию, привлекая молодых исследователей для работы в нем. Но учеников у Ленца было немного, кроме того, после смерти Ленца исследовательская деятельность в физическом кабинете Академии наук затухла. Но дело, начатое Ленцем, не пропало бесследно. Его ученики, продолжая традиции своего учителя, организовывали физические лаборатории в различных высших учебных заведениях. Первая лаборатория в России создается при Петербургском университете Ф. Ф. Петрушевским (1828-1904) в 1865 г. В первые пять лет число работающих в ней не превышало десяти человек; в 1870 их было 18, в 1875 - уже 76, а в 1878 – 115. Надо отметить, что введение Петрушевским лабораторного практикума в университете шло в одно время с введением подобного практикума за границей. Лаборатория испытывала большие трудности из-за недостатка помещения, приборов и средств, отпускаемых на ее нужды. Петрушевский и его ученик И.И.Боргман (1849-1914) боролись за создание физической лаборатории, отвечающей современным требованиям. Благодаря их хлопотам средства на постройку нового здания физического института были отпущены, и 9 сентября 1901 г. физический институт был открыт. В новом помещении появилась возможность значительно расширить физический практикум и также проводить многочисленные физические исследования. В лаборатории Петрушевского было подготовлено много известных русских ученых и педагогов. Учениками Петрушевского были А.С.Попов, И.И. Боргман, Н. Г. Егоров (1849-1919), В. К. Лебединский (1868–1937), Н.П.Слугинов (1854–1897) и ряд других замечательных русских и советских физиков. Ученики лаборатории распространили практические занятия по физике в большей части России. В 1867 г. Д.А. Лачинов (1842-1902) создает физическую лабораторию в Петербургском земледельческом институте. В 70-х годах М.П. Авенариус организовывает физическую лабораторию в Киевском университете, а А. Г. Столетов – в Московском университете. В лаборатории Московского университета был выполнен ряд замечательных ра бот, сыгравших большую роль в развитии физики, и подготовлено много способных учеников, занявших впоследствии посты заведующих кафедрами физики многих университетов России (Р.А.Колли, Н.Н.Шиллер, П.А.Зилов, Н.П.Кастерин, Д. А. Гольдгаммер, В. А Михельсон). Столетов провел в своей лаборатории актиноэлектрические исследования, принесшие ему мировую славу. Он привлек в лабораторию П. Н.Лебедева, впоследствии создавшего замечательную школу русских физиков, прославившего родную науку исследованиями светового давления. После смерти Столетова заведующим физическим кабинетом был избран Н.А.Умов. Понимая важность создания физического института – не воплощенной при жизни мечты Столетова, Умов прилагает много энергии для претворения ее в жизнь. Над созданием проекта института работала комиссия во главе с Умовым, в которую входили П.Н.Лебедев и А.П.Соколов. Институт был выстроен в 1903 г. Именно в стенах этого института достигла своего расцвета школа физики П. Н.Лебедева. Итак, одновременно с лабораториями за границей в России появились физические лаборатории в Петербургском и Московском университетах. Но экономическая отсталость России, реакционность правительства мешали развитию лабораторий. Мизерность отпускаемых на нужды лабораторий средств, недооценка важности научных исследований вынуждали руководителей физических лабораторий вести постоянную борьбу за каждую комнату для экспериментальной работы, за каждый прибор, за каждого ученика, что отнимало много времени и сил. И все же в таких условиях передовые русские физики Ф. Ф. Петрушевский, Д.А.Лачинов, М.П.Авенариус, Н.А.УМОВ, А.Г.Столетов, П.Н.Лебедев обогатили не только русскую науку, но и внесли фундаментальный вклад в развитие физики. |