физика и ее становление. становление физики. Ранние физические воззрения
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Создание классической механики: Гюйгенс и Ньютон[править | править код] В 1673 году вышла книга Христиана Гюйгенса «Часы с маятником». В ней Гюйгенс приводит (словесно) несколько важнейших формул: для периода колебаний маятника и для центростремительного ускорения; неявно используется даже момент инерции. Гюйгенс довольно точно измерил величину ускорения силы тяжести и объяснил, почему это ускорение (как обнаружил Жан Рише в 1676 году) уменьшается при смещении наблюдателя к югу[54]. В другой работе (1669 год) Гюйгенс впервые сформулировал, для частного случая ударного столкновения, закон сохранения энергии: «При соударении тел сумма произведений из их величин [весов] на квадраты их скоростей остается неизменной до и после удара». Общий закон сохранения кинетической энергии (которую тогда называли «живой силой») опубликовал Лейбниц в 1686 году[51].  Закон тяготения Ньютона Завершающим шагом в создании классической механики стало появление в 1687 году книги Ньютона «Математические начала натуральной философии». В ней введено понятие массы, изложены три закона механики и закон всемирного тяготения, на их основе решается большое число прикладных задач. В частности, Ньютон строго доказал, что все три закона Кеплера вытекают из ньютоновского закона тяготения; он также показал, что модель Декарта, которая объясняла движение планет эфирными вихрями, не согласуется с третьим законом Кеплера и неприменима к движению комет[55]. Наука динамика, созданная Ньютоном, позволяла принципиально определить движение любого тела, если известны свойства среды и начальные условия. Для решения возникающих при этом уравнений возникла и стала быстро развиваться математическая физика[56]. Свои рассуждения Ньютон сопровождает описанием опытов и наблюдений, убедительно подтверждающих его выводы. Кроме механики, Ньютон заложил основы оптики, небесной механики, гидродинамики, открыл и далеко продвинул математический анализ. Изложенные Ньютоном законы имеют всеобщий характер, так что исчезли основания для разделения физики на земную и «небесную», а система Коперника—Кеплера получила прочную динамическую основу. Этот успех подтверждал распространённое среди физиков мнение, что все процессы во Вселенной имеют в конечном счёте механический характер. Физические концепции Ньютона находились в резком противоречии с декартовскими. Ньютон верил в атомы, считал «поиск первопричин» вторичным методом, которому должны предшествовать эксперимент и конструирование математических моделей. По этой причине ньютоновская теория тяготения, в которой притяжение существовало без материального носителя и без механического объяснения, долгое время отвергалась учёными (особенно картезианцами) континентальной Европы; дальнодействующее тяготение отвергали, среди прочих, такие крупные учёные как Гюйгенс и Эйлер. Только во второй половине XVIII века, после работ Клеро по теории движения Луны и кометы Галлея, критика утихла[57]. Хотя метафизические фантазии кое-где встречались и в последующем, всё же, начиная с XVIII века, основным методом познания в физике становится метод Галилея и Ньютона — проведение опытов, выявление по их результатам объективных узловых физических понятий («сил природы», как выражался Ньютон), математическое описание взаимосвязи этих понятий (чаще всего в форме дифференциальных уравнений), теоретический анализ и опытная проверка полученной модели[58]. Оптика: новые эффекты[править | править код]  Опыт Ньютона по разложению белого света В области древней науки оптики в XVII веке был совершён целый ряд фундаментальных открытий. Был наконец сформулирован правильный закон преломления света (Снеллиус, 1621 год), а Ферма открыл основополагающий для геометрической оптики вариационный принцип[59]. В 1676 году Оле Рёмер получил первую оценку скорости света. Итальянский физик Гримальди обнаружил явления интерференции и дифракции света (опубликовано посмертно, в 1665 году), в 1668 году было открыто двойное лучепреломление, а в 1678 году — поляризация света (Гюйгенс)[59]. Продолжались споры сторонников корпускулярной и волновой природы света. Гюйгенс в «Трактате о свете» построил первую качественную и отчасти математическую модель световых волн — ещё несовершенную, так как она не могла объяснить ни дифракции, ни прямолинейного распространения света. Главным достижением Гюйгенса стал «принцип Гюйгенса», лежащий в основе волновой оптики — он наглядно объясняет ход распространения волны[60]. Важным этапом в развитии оптики и астрономии стало создание Ньютоном первого зеркального телескопа (рефлектора) с вогнутым сферическим зеркалом: в нём, в отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация. Ньютон также опубликовал теорию цветности, хорошо проверенную на опытах, и доказал, что белый солнечный свет есть наложение разноцветных составляющих. Свои представления о свойствах света (не отвлекаясь на гипотезы о его природе) Ньютон изложил в капитальной монографии «Оптика» (1704), на столетие определившей развитие этой науки[61]. Электричество и магнетизм — первые исследования[править | править код] Экспериментальная основа знаний об электричестве и магнетизме к началу XVI века включала только электризацию трением, свойство магнетита притягивать железо и способность намагниченной стрелки компаса указывать направление север — юг. Около XV века (возможно, и раньше) европейские мореплаватели выяснили, что стрелка компаса указывает не точно на север, а направлена к нему под некоторым углом («магнитным склонением»). Христофор Колумб обнаружил, что величина магнитного склонения зависит от географических координат, а картографы показали, что причиной этого эффекта является существование у Земли магнитных полюсов, не совпадающих с географическими. Некоторое время эффект пытались использовать для решения важнейшей задачи определения долготы в открытом море, но безуспешно[62]. В 1558 году итальянский алхимик Джамбаттиста делла Порта в труде «Натуральная магия» отметил несколько новых свойств магнита: магнитное воздействие не проникает за железную пластину достаточной величины, а при нагревании магнита до некоторой высокой температуры его магнитные свойства пропадают и при остывании не восстанавливаются[63].  Электростатическая машина, гравюра 1750 года В 1600 году врач английской королевы Уильям Гильберт опубликовал результаты своих 17-летних экспериментальных исследований электрических и магнитных явлений. Он подтвердил, что Земля является магнитом. Гильберт продемонстрировал, что при любом разрезании магнита у полученных фрагментов всегда два полюса. Для изучения электрических явлений Гильберт изобрёл электроскоп, с помощью которого разделил все вещества на «электрики» (то есть электризуемые, в современной терминологии — диэлектрики) и «не-электрики» (например, проводники, заряды на которых через руки экспериментатора уходили в землю). Именно У. Гильберт придумал термин «электричество»[62]. Отто фон Герике в 1672 году опубликовал собственные результаты экспериментов. Он изобрёл довольно мощную электростатическую машину (вращающийся шар из серы, электризуемый прижатой рукой) и впервые отметил явление бесконтактного переноса электризации от заряженного тела другому, расположенному неподалёку (или соединённому с первым телом льняной ниткой). Герике первым обнаружил, что наэлектризованные тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться[64]. Декарт построил первую теорию магнетизма: вокруг магнита циркулируют потоки винтообразных эфирных частиц двух типов, с противоположной резьбой. Эти потоки вытесняют воздух между двумя магнитами, в результате чего они притягиваются; аналогично Декарт объяснил притяжение железа к магниту. За электростатические явления аналогично ответственны частицы лентообразной формы[65]. Модель Декарта, за неимением лучшей, просуществовала почти до конца XVIII века[62]. Рождение теории газов и другие достижения[править | править код]  Роберт Бойль В 1647 году Блез Паскаль испытал первый барометр (изобретённый Торричелли) и предположил, что давление воздуха падает с высотой; эта гипотеза была доказана его зятем Флореном Перье (Florin Périer) в следующем году. Точную формулировку связи давления с высотой открыл Эдмунд Галлей в 1686 году, причём из-за отсутствия понятия экспоненциальной функции он изложил эту зависимость следующим образом: когда высота увеличивается в арифметической прогрессии, атмосферное давление падает в геометрической. В 1663 году Паскаль опубликовал закон распространения давления в жидкости или газе[59][66]. Отто фон Герике в 1669 году изобрёл воздушный насос, провёл серию эффектных опытов («магдебургские полушария») и окончательно опроверг мнение Аристотеля, что «природа боится пустоты». Существование атмосферного давления, открытого Торричелли в 1644 году, с этого момента наглядно доказано. Опыты Герике заинтересовали английских физиков Роберта Бойля и Роберта Гука, которые значительно усовершенствовали насос Герике и сумели сделать с его помощью множество новых открытий, включая связь между объёмом и давлением газа (закон Бойля — Мариотта). В других трудах Бойль утверждает, что материя состоит из мелких частиц (корпускул, в современной терминологии — молекул), определяющих химические свойства вещества, и химические реакции сводятся к перестановке таких частиц. Он также обосновал кинетический характер теплоты, то есть её глубокую связь с хаотическим движением частиц тела: при нагревании скорость этих частиц увеличивается[67]. Книга Бойля «Новые физико-механические эксперименты касательно упругости воздуха» получила широкую известность, исследованием свойств газов и их практическим применением занялись крупнейшие физики Европы. Дени Папен построил первый набросок парового двигателя («котёл Папена») и «паровую повозку»[68]. Папен также обнаружил, что температура кипения воды зависит от атмосферного давления (1674 год)[59]. Из других важных открытий XVII века следует назвать закон Гука (1678), связывающий растяжение упругого тела с приложенной силой. XVIII век[править | править код] Общая характеристика физики XVIII века[править | править код]  Схема паровой машины Главным достижением техники XVIII века стало изобретение паровой машины (1784 год), вызвавшее перестройку многих промышленных технологий и появление новых средств производства. В связи с быстрым развитием металлургии, машинной и военной промышленности интерес к физике растёт. Начинается выпуск не только сводных, но и специализированных научных журналов, количество и тиражи научных изданий показывают постоянный рост. Повысился престиж науки, лекции видных учёных привлекают толпы любознательного народа[69][70]. Физики-экспериментаторы в этот период уже располагали множеством измерительных инструментов приемлемой точности и средствами изготовления недостающих приборов. Смысл термина «физика» сузился, из сферы этой науки были выделены астрономия, геология, минералогия, техническая механика, физиология. Картезианство, не подтверждаемое опытом, быстро теряет сторонников; Даламбер в 1743 году иронически назвал картезианцев «почти не существующей сектой». Ускоренными темпами развивались механика и учение о теплоте. Во второй половине века начинается интенсивное изучение электричества и магнетизма. В рамках ньютоновской системы мира с большим успехом формируется новая небесная механика. Характерной особенностью физики XVIII века является тот факт, что все разделы физики, а также химии и астрономии, развивались независимо, попытка Декарта создать единую целостную систему знаний была признана неудачной и на время оставлена. Однако носителями природных сил по-прежнему считались декартовские «тонкие материи» — невидимые, невесомые и всепроникающие (теплород, электрическая и магнитная жидкости)[71][69]. Первоначально теоретическая и прикладная физика развивались в значительной степени независимо — например, в изобретении очков не участвовали теоретики-оптики. С XVIII века взаимодействие теории с практикой начинает становиться более интенсивным, хотя в разных разделах физики ситуация разная — в более развитых разделах взаимодействие более заметно. Например, термодинамика делала только первые шаги, и паровая машина была построена без помощи теоретиков, а вот развитие оптического приборостроения в XVIII веке уже существенно опирается на хорошо развитую теорию[71]. Механика[править | править код]  Леонард Эйлер  Жозеф Луи Лагранж  Даниил Бернулли  Пьер Луи де Мопертюи Создание аналитической механики начал Эйлер в 1736 году; позднее (1760) он исследовал не только движение материальной точки, но и произвольного твёрдого тела. Д’Аламбер в монографии «Динамика» (1742) и Лагранж в «Аналитической механике» (1788) объединили статику и динамику единым подходом (основанным на «принципе д’Аламбера») и завершили превращение теоретической механики в раздел математического анализа. Дальнейшее развитие теоретической механики происходит в основном в русле математики[72][73].  «Колыбель Ньютона» — наглядная иллюстрация закона сохранения импульса Вопрос о том, какая величина (импульс {\displaystyle mv}  или «живая сила» {\displaystyle mv^{2}} ) сохраняется при движении, вызвал горячие споры, продолжавшиеся до середины XVIII века, когда де Меран и д’Аламбер обосновали (для механических столкновений) как закон сохранения импульса, так и закон сохранения энергии[74]. В 1746 году Эйлер и Даниил Бернулли (независимо) обнаружили новый фундаментальный закон механики: закон сохранения момента импульса. Мопертюи и Эйлер ввели в научный обиход понятие действия и основанный на нём исключительно плодотворный вариационный принцип. С конца XIX века становится ясно, что вариационный принцип наименьшего действия выходит далеко за рамки механики, он фундаментален и пронизывает всю физику[75].Вторую после Декарта попытку охватить единой механической теорией все законы природы предпринял рагузский учёный Руджер Бошкович в монографии «Теория натуральной философии, сведенная к единому закону сил, существующих в природе» (1759). Первоэлементами материи, согласно Бошковичу, являются неделимые и непротяжённые материальные точки, которые могут, в зависимости от расстояния, притягиваться друг к другу или отталкиваться (вблизи они всегда отталкиваются, а в значительном удалении — притягиваются). С помощью этой гипотезы Бошкович качественно объяснил множество физических явлений. Несмотря на общую метафизичность, работы Бошковича, отличавшиеся идейным богатством, в XIX веке оказали большое влияние на развитие физики, в частности, на формирование у Фарадея концепции физического поля[76][77]. Создание динамики жидкостей и газов связано с пионерской работой Даниила Бернулли «Гидродинамика» (1738). В этой работе Бернулли с механических позиций исследовал разнообразные виды движения жидкостей и газов, дал фундаментальный закон Бернулли, впервые ввёл понятие механической работы. Многие рассуждения Бернулли опираются на закон сохранения энергии («живой силы»). Работы Бернулли продолжили Эйлер, который в 1755 году опубликовал основы аналитической механики жидкостей, д’Аламбер и Клеро. Эйлер разработал общую теорию турбин, мельничных колёс и иных механизмов, приводимых в движение текущей водой; важные практические усовершенствования по этой теме выполнил английский инженер Джон Смитон (1759). В этот период всё больше утверждается общее мнение, что все физические процессы — в конечном счёте проявления механического движения вещества[72]. Электричество и магнетизм[править | править код]  Бенджамин Франклин  Шарль Огюстен де Кулон  Луиджи Гальвани  Алессандро Вольта В первой половине XVIII века единственным источником электричества служила электризация трением. Первый существенный вклад в электростатику сделал Стивен Грей, исследовавший передачу электричества от одного тела к другому. Проведя серию опытов, он открыл электростатическую индукцию и заодно доказал, что электрические заряды располагаются на поверхности электризуемого тела. В 1734 году французский учёный Шарль Франсуа Дюфе показал, что существуют два вида электричества: положительное и отрицательное (сам он использовал термины «стеклянное» и «смоляное»). Дюфе также впервые высказал предположение об электрической природе грома и молнии и о том, что электричество играет скрытую, но значительную роль в физических процессах. Из-за скудной опытной базы никаких серьёзных теорий о сущности электричества в этот период не появилось[78][79].  Эксперимент Бенджамина Франклина с молнией Перелом наступил в 1745 году, когда был изобретён более мощный источник электричества — лейденская банка. Параллельное соединение этих конденсаторов давало кратковременный, но достаточно сильный электрический ток. Сразу во многих странах началось изучение свойств электротока. Наиболее глубокие исследования выполнил американский политик и физик-любитель Бенджамин Франклин; его книга «Опыты и наблюдения над электричеством» произвела сенсацию и была переведена на многие европейские языки. Франклин убедительно доказал гипотезу Дюфе об электрической природе молнии и объяснил, как защититься от неё с помощью изобретённого им громоотвода. Он стал первым, кто сумел превратить электричество в механическое движение, правда, весьма кратковременное (на период разряда лейденской банки). Франклин предположил (1749 год), что существует какая-то связь электричества с магнетизмом, так как был зарегистрирован случай, когда молния поменяла полюса магнита[78]. Франклин предложил и первую теорию: электричество, по его мнению, есть особая субстанция из мельчайших частиц, подобная жидкости («флюид»). Она притягивается к обычному веществу и может входить внутрь его, но отталкивается сама от себя. Разные материалы могут вместить в себе разное количество электричества, при этом они становятся окружены некой «электрической атмосферой». Положительный и отрицательный заряды, по этой теории, вызваны избытком или недостатком электрической субстанции соответственно. Теория Франклина не объясняла, однако, почему отрицательно заряженные тела, лишённые электричества, отталкиваются так же, как и положительно заряженные, поэтому многие физики склонялись к мнению, что «электрических жидкостей» всё-таки две[80]. Мнения учёных о модели Франклина разделились: была резкая критика, но были и сторонники, среди которых — видный немецкий физик Эпинус. Эпинус был известен тем, что открыл пироэлектричество и предсказал закон Кулона за 20 лет до Кулона. Эпинус также предположил, что разряд лейденской банки имеет колебательный характер. Эйлер в особую электрическую жидкость не верил и приписывал электрические явления процессам сгущения/разрежения в эфире[78].  Вольта демонстрирует своё изобретение Наполеону в Париже (1800) Конец века ознаменовался двумя этапными событиями в истории электричества. В 1785 году появился первый из мемуаров Кулона, в них был описан и обоснован точными опытами закон Кулона, и его сходство с законом всемирного тяготения позволило в короткий срок (к 1828 году) завершить математические основы электростатики, применив в ней ранее разработанные аналитические методы[81]. В 1791 году итальянский врач Луиджи Гальвани опубликовал трактат об открытом им «животном электричестве»: лапка лягушки, подвешенная латунным крючком к железной решётке, самопроизвольно подёргивалась. Итальянский физик Алессандро Вольта вскоре обнаружил, что лягушка в этом опыте служит только индикатором тока, а фактическим источником является контакт двух разнородных металлов в электролите. Проведя ряд опытов, Вольта сконструировал в 1800 году мощный источник постоянного тока — «вольтов столб», первую электрическую батарею. С его помощью были сделаны решающие открытия электромагнитных свойств в следующем, XIX веке[78]. В деле изучения магнетизма прогресс был менее заметен. Появились несколько феноменологических теорий, претендовавших на объяснение свойств магнитов. Эйлер в 1744 году опубликовал свою теорию магнетизма, предположив, что он вызван некой «магнитной жидкостью», струящейся в магните и железе через особые «магнитные поры». Аналогичная жидкость фигурировала в альтернативной теории Франклина и Эпинуса. Последний, однако, считал эту жидкость общим носителем электричества и магнетизма. Кулон присоединился к Эпинусу и отверг теории, в которых участвует «поток магнитной жидкости», поскольку он не может объяснить стабильность направления стрелки компаса. Он предположил (1784 год), что притяжение и отталкивание магнитов вызвано силой, подобной ньютоновскому тяготению[78]. Теплота[править | править код] Представление о «тонкой материи огня», переносящей тепло, в XVIII веке сохранилось и даже расширилось. В существование теплорода, носителя теплоты, верили многие физики, начиная с Галилея; однако другой лагерь, в который входили Роберт Бойль, Роберт Гук, Даниил Бернулли, Леонард Эйлер и М. В. Ломоносов, придерживался молекулярно-кинетической гипотезы: тепло есть движение внутренних микрочастиц. Обе гипотезы носили качественный характер, и это не позволяло осуществить их сравнение и проверку (понятие о механическом эквиваленте теплоты, решившее спор, возникло только в следующем веке). Некоторые учёные считали, что тепло, электричество и магнетизм представляют собой видоизменения одной и той же эфирной материи. Истинную природу процесса горения как реакции окисления раскрыл только Лавуазье в 1780-е годы[82].  Соответствие шкал Цельсия (слева) и Фаренгейта  Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) В начале века немецкий физик Габриель Фаренгейт изобрёл термометр (на ртутной или спиртовой основе) и предложил шкалу Фаренгейта (точнее, первый её вариант, позднее им же скорректированный). До конца века появились и другие варианты температурной шкалы: Реомюра (1730 год), Цельсия (1742 год) и другие. С этого момента открывается возможность точного измерения количества тепла. Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) в ряде тонких опытов показал, что нагрев или охлаждение тел не влияет на их вес. Он также обратил внимание на значительный нагрев при сверлении металла; сторонники теплорода объясняли этот эффект повышением плотности теплорода в детали при отделении от неё стружек, однако Румфорд показал, что теплоёмкость стружек такая же, как у заготовки. Тем не менее гипотеза теплорода сохранила многочисленных сторонников даже в начале XIX века[82]. Фаренгейт исследовал проблему: какая температура установится в результате смешения двух порций неодинаково нагретой воды. Он предполагал, что температура смеси будет средним арифметическим из температур компонентов, но опыты опровергли это предположение. Хотя этим вопросом занимались многие физики, проблема оставалась нерешённой до создания в конце века теории теплоёмкости и ясного осознания, что температура и теплота — не одно и то же[82]. Окончательным аргументом в пользу такого заключения стали опыты Джозефа Блэка, обнаружившего (1757), что плавление и парообразование, не изменяя температуры, требуют значительной дополнительной теплоты. В 1772 году Йохан Вильке ввёл единицу измерения тепла — калорию[83]. В 1703 году французский физик Гийом Амонтон, исследовав зависимость упругости воздуха от температуры, сделал вывод, что существует абсолютный нуль температуры, значение которого он оценил как −239,5 °C. Ламберт в 1779 году подтвердил результат Амонтона, получив более точное значение −270 °C[84]. Итогом накопленных за XVIII век знаний о свойствах тепла можно считать «Мемуар о теплоте» Лавуазье и Лапласа, в нём, помимо прочего, есть теория теплоёмкости и её зависимости от температуры, исследуется расширение тел при нагревании[85]. Акустика[править | править код] Создание математического анализа дало возможность исчерпывающим образом изучить колебания струны, поэтому в XVIII веке акустика, подобно механике, становится точной наукой. Уже в начале века Жозеф Совёр установил длину волны всех музыкальных тонов и объяснил происхождение обертонов (открытых в 1674 году), а Эйлер в труде «Опыт новой теории музыки» (1739) дал полную аналитическую теорию колебаний струны. Немецкий физик-экспериментатор Эрнст Хладни в конце века детально исследовал колебания стержней и пластин («фигуры Хладни»); теоретическое объяснение его наблюдений дали в XIX веке Лаплас, Пуассон и другие математики[86][87]. Оптика[править | править код]  Люминесценция минералов в ультрафиолетовых лучах В оптике, под влиянием ньютоновской критики, волновая теория света в течение XVIII века почти потеряла сторонников, несмотря на решительную поддержку Эйлера и некоторых других авторитетов. Из новых достижений можно упомянуть важное для астрономов изобретение фотометра (1740, Бугер, усовершенствован Румфордом в 1795 году). Ламберт разработал метрологию оптики — дал строгие определения понятий яркости и освещённости, сформулировал зависимость освещённости поверхности от её площади и угла наклона, выяснил закон падения интенсивности света в поглощающей среде[88]. Джон Доллонд в 1757 году создал первый ахроматический объектив, оказавшийся особенно полезным для создания телескопов-рефракторов и микроскопов. В конце века Джон Гершель в опытах по дисперсии открыл инфракрасные лучи, передающие тепло и по своим свойствам аналогичные видимому свету. Расположенное с другого конца видимого спектра ультрафиолетовое излучение вскоре открыл Иоганн Вильгельм Риттер (1801 год)[89]. XIX век[править | править код] Общая характеристика физики XIX века[править | править код] Промышленная революция и потребности военной техники стимулировали приоритетное развитие как экспериментальной, так и теоретической физики. Задачей физики всё более становится не объяснение природных сил, а управление ими. Точные измерительные приборы появились практически во всех областях, и результаты физических опытов в XIX веке носят преимущественно количественный характер. Разработана математическая теория погрешностей измерения, позволяющая оценить достоверность наблюдаемых физических величин. Тем не менее для истолкования огромного экспериментального материала в первой половине XIX века всё ещё часто привлекаются качественные метафизические понятия и надуманные гипотезы: теплород, электрическая и магнитная жидкости, «звуковая материя» и т. д. В течение века на их месте появляются новые понятия и физические модели: волновая теория света, кинетическая теория тепла, закон сохранения энергии[90], электромагнитная теория Максвелла, периодическая система элементов, основанная на атомизме. К концу века все эти теории, совместно называемые «классической физикой», получают общее признание и широкое практическое применение. Возникает также прикладная физика, ориентированная на эффективное решение конкретных технологических задач; влияние практики на теоретические исследования становится особенно активным после появления электротехники и двигателя внутреннего сгорания во второй половине XIX века[91][92]. Важной особенностью периода стало постепенное укрепление мнения, что не все явления природы основаны на механическом движении. Уже второе начало термодинамики не допускало механического обоснования, поскольку из него вытекала необратимость ряда процессов, а попытки объяснить электромагнетизм как колебания эфирной среды натолкнулись на непреодолимые трудности, разрешившиеся только в XX веке с появлением теории относительности и упразднением эфира как среды-носителя[93]. В XIX веке появились много новых разделов физики, прежде всего — связанные с электромагнетизмом, а также термодинамика, статистическая физика, статистическая механика, теория упругости, радиофизика, метеорология, сейсмология. Волновая теория света[править | править код]  Томас Юнг  Огюстен Жан Френель  Арман Ипполит Луи Физо Через сто лет после появления «Начал» ньютоновская критика волновой теории света была признана большинством учёных не только в Англии, но и на континенте. Частично это объяснялось тем, что полная математическая теория волновых колебаний была создана только в начале XIX века (Фурье). Свет считался потоком каких-то мелких корпускул[94].  Опыт Юнга по интерференции Первый удар по корпускулярной (эмиссионной) теории света нанёс Томас Юнг, врач, специалист по физиологической оптике. В 1800 году он, выступая перед Королевским обществом, перечислил непреодолимые затруднения эмиссионной теории: почему все источники света испускают корпускулы с одинаковой скоростью и как получается, что часть света, падающего на тело, обычно отражается, а другая часть проходит внутрь тела? Юнг также указал, что убедительного объяснения явлениям преломления света, дифракции и интерференции Ньютон не дал. Взамен Юнг разработал волновую теорию интерференции (и ввёл сам этот термин) на основе сформулированного им принципа суперпозиции (наложения) волн, аналогично объяснялась дифракция. «Опыт Юнга» впоследствии вошёл в учебники. По результатам своих опытов Юнг довольно точно оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах. Он также построил правильную теорию цветового зрения и аккомодации[94]. Волновая теория Юнга была встречена враждебно. Как раз в это время (1808 год, Малюс, Лаплас и другие) было глубоко изучено явление двойного лучепреломления и поляризации света, воспринятое как решающее доказательство в пользу эмиссионной теории. Но тут в поддержку волновой теории выступил Огюстен Жан Френель, в то время дорожный инженер-строитель. Рядом остроумных опытов он продемонстрировал чисто волновые эффекты, совершенно необъяснимые с позиций корпускулярной теории, а его мемуар, содержащий всестороннее исследование с волновых позиций, точные количественные измерения и детальную математическую модель всех известных тогда свойств света (кроме поляризации), победил на конкурсе Парижской академии наук 1818 года. Френель обобщил принцип Гюйгенса и сумел строго объяснить прямолинейность распространения световой волны[94]. Курьёзный случай описывает Араго: на заседании комиссии академиков Пуассон выступил против теории Френеля, так как из неё следовал нелепый вывод: при определённых условиях в центре тени от непрозрачного кружка мог появиться ярко освещённый участок. На одном из следующих заседаний Френель и Араго продемонстрировали членам комиссии этот эффект, получивший название «пятно Пуассона»[95]. С этих пор формулы Френеля для дифракции, преломления и интерференции вошли во все учебники физики. И Юнг, и Френель рассматривали свет как упругие продольные колебания эфира, плотность которого в веществе выше, чем в вакууме[94].  Поляризация света: поворот фильтра блокирует поляризованный свет Оставалось понять механизм поляризации. Ещё в 1816 году Френель обсуждал возможность того, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Это легко объяснило бы явление поляризации. Однако поперечные колебания ранее встречались только в несжимаемых твёрдых телах, в то время как эфир считали близким по свойствам к газу или жидкости. Исследование отражения поляризованного света убедило Френеля, что гипотеза о поперечности световых волн справедлива, после чего он представил мемуар с описанием новых опытов и полную теорию поляризации, сохраняющую значение и в наши дни[96]. Следующие почти сто лет обозначены триумфальным успехом волновой теории во всех областях. Классическая волновая оптика была завершена, поставив в то же время труднейший вопрос: что же такое эфир и каковы его свойства?[94] Сильнейшее влияние на развитие физики имел опыт Физо (1849—1851), который показал, что скорость света в воде на четверть меньше, чем в воздухе (согласно эмиссионной теории, она должна быть больше, иначе не объяснить преломление света)[97]. Возникновение электродинамики и электротехники[править | править код]  Ханс Кристиан Эрстед  Андре Мари Ампер  Майкл Фарадей К концу XVIII века в активе физики электромагнитных явлений были уже теория атмосферного электричества Франклина и закон Кулона. Стараниями Пуассона, Гаусса и Грина в первой четверти XIX века электростатика была в основном разработана, см. уравнение Пуассона (1821). Пуассон ввёл также, кроме электрического, магнитный потенциал, позволяющий рассчитать статическое магнитное поле[98][99]. Теоретической основой этих результатов считалось существование двух типов «электрической жидкости», положительной и отрицательной; каждая из них притягивает частицы другого типа и отталкивает — своего собственного. Тело заряжено, если один из типов этой жидкости преобладает; проводниками являются те материалы, которые не оказывают электрическим жидкостям сопротивления. Сила притяжения или отталкивания подчиняется закону обратных квадратов[98]. Как уже сказано выше, в 1800 году Вольта собрал первый «вольтов столб», при помощи которого исследовал ток в замкнутых цепях. Благодаря этим первым батареям постоянного тока вскоре были сделаны два выдающихся открытия: электролиз: в том же 1800 году Никольсон и Карлайл (William Nicholson, Anthony Carlisle) разложили воду на водород и кислород, а Дэви в 1807 году открыл калий и натрий. электрическая дуга: В. В. Петров (1802) и Дэви.  Опыт Ампера: два параллельных проводника притягиваются, если направление токов одинаково Главные сенсационные события начались в 1820 году, когда Эрстед обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Сообщение Эрстеда вызвало всеобщий взрыв интереса. Уже через два месяца Ампер сообщил об открытом им явлении взаимодействия двух проводников с током; он также предложил термины «электродинамика» и «электрический ток»[C 4]. Ампер высказал предположение, что все магнитные явления вызваны внутренними токами внутри материи, протекающими в плоскостях, перпендикулярных оси магнита[98]. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм (ещё в старых терминах), построили в том же году Био, Савар и позже Лаплас (см. Закон Био — Савара — Лапласа)[98]. Незамедлительно последовал новый каскад открытий: первый электродвигатель (1821 год, Фарадей) термоэлемент (1821 год, Зеебек) первый чувствительный гальванометр для измерения величины тока (1825 год, Л. Нобили) закон Ома (1827) В 1826 году Ампер издал монографию «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Он открыл электромагнит (соленоид), высказал идею электрического телеграфа. Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники. Максвелл назвал Ампера «Ньютоном электричества»[98]. Первые метрологические стандарты, установившие единицы измерения электричества и магнетизма, разработали в 1830-е годы Гаусс и Вебер. Начинается практическое применение электричества. В этот же период, благодаря Д. Ф. Даниэлю и Б. С. Якоби, появилась гальванопластика, преобразившая типографское дело, ювелирные технологии, впоследствии — выпуск аудиозаписей на пластинках. В 1830-е годы были разработаны первые образцы электротелеграфа, в 1844 году в США введена в действие первая в мире коммерческая телеграфная линия, а несколько лет спустя их число в США и Европе измерялось десятками[100].  Опыт Фарадея: при движении соленоида с током внутри проволочной катушки в ней возникает индуктивный ток Майкл Фарадей в 1831 году открыл электромагнитную индукцию, тем самым доказав, что связь электричества и магнетизма взаимна. В результате серии опытов Фарадей сформулировал (словесно) свойства электромагнитного поля, позже математически оформленные Максвеллом: электрический ток оказывает магнитное действие перпендикулярно своему направлению, а изменение магнитного потока генерирует электродвижущую силу и вихревое электрическое поле[101]. Фарадей построил первый электродвигатель и первый электрогенератор, открыв путь к промышленному применению электричества. Фарадей открыл законы электролиза, ввёл термины: ион, катод, анод, электролит, диамагнетизм, парамагнетизм и другие. В 1845 году Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в веществе, помещённом в магнитное поле. Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны. Позже Фарадей исследовал самоиндукцию, открытую в 1832 году американским учёным Генри, свойства диэлектриков, разряды в газах[101]. Развитие теории и применений электротехники продолжалось. В 1845 году Кирхгоф установил законы распределения токов в сложных электрических цепях. В 1874 году Н. А. Умов исследовал понятие потока энергии в произвольной среде, а в 1880-е годы Пойнтинг и Хевисайд развили эту теорию применительно к электромагнитному полю[102]. Промышленные модели электродвигателей и электрогенераторов со временем становились всё более мощными и технологичными; постоянный ток был заменён на переменный. К концу века неисчерпаемые возможности электричества, благодаря совместным усилиям физиков-теоретиков и инженеров, нашли самое широкое применение. В 1866 году запущен трансатлантический электротелеграф, в 1870-е годы изобретён телефон, в 1880-е годы начинается широкое применение ламп накаливания[103]. Теория электромагнитного поля[править | править код] Силы, введённые Ампером, как и у Ньютона, считались дальнодействующими. Это положение решительно оспорил Майкл Фарадей, который с помощью убедительных опытов показал: электрические и магнитные силы перетекают непрерывно от точки к точке, образуя соответственно (взаимосвязанные) «электрическое поле» и «магнитное поле». Понятие «поля», введенное Фарадеем, стало его главным вкладом в физику. Однако учёные того времени, уже свыкшиеся с дальнодействием ньютонового притяжения, теперь уже к близкодействию относились с недоверием[104].  Статуя Джеймса Максвелла в Эдинбурге После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма (Ампер, Пуассон и др.) существенно неполны. Вскоре появилась теория Вебера, основанная на дальнодействии. Однако к этому моменту вся физика, кроме теории тяготения, имела дело только с близкодейственными силами (оптика, термодинамика, механика сплошных сред и др.). Гаусс, Риман и ряд других учёных высказывали уверенность, что свет имеет электромагнитную природу, откуда следовало, что теория электромагнитных явлений тоже должна быть близкодейственной[101]. Важным обстоятельством стала и глубокая разработка к середине XIX века теории дифференциальных уравнений в частных производных для сплошных сред — по существу был готов математический аппарат теории поля. В этих условиях и появилась теория Максвелла, которую её автор скромно называл математическим пересказом идей Фарадея[105].  Уравнения Максвелла в векторной форме В первой работе (1855—1856) Максвелл дал ряд уравнений в интегральной форме для постоянного электромагнитного поля на основе гидродинамической модели (силовые линии соответствовали трубкам тока жидкости). Эти уравнения вобрали всю электростатику, электропроводность и даже поляризацию. Магнитные явления моделируются аналогично. Во второй части работы Максвелл, уже не приводя никаких аналогий, строит модель электромагнитной индукции. В последующих работах Максвелл формулирует свои уравнения в дифференциальной форме и вводит ток смещения. Он доказывает существование электромагнитных волн, скорость которых равна скорости света, предсказывает давление света. Завершающий труд Максвелла — «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873 год) содержит полную систему уравнений поля в символике Хевисайда, который предложил наиболее удобный для этого аппарат — векторный анализ. Современный вид уравнениям Максвелла позже придали Герц и Хевисайд[105][106]. Единство природных сил, которое не сумел доказать Декарт, было восстановлено. Гипотезы об электрической и магнитной жидкостях ушли в прошлое, вместо них появился новый физический объект — электромагнитное поле, объединяющее электричество, магнетизм и свет. Первоначально это поле трактовали как механические процессы в упругом эфире[102].  Генрих Герц |