Обзор французской науки в предреволюционный период

Прежде чем начать рассмотрение эволюции физики французской науки и явлений в рассматриваемый нами период, остановимся вкратце на достижениях французской науки в предреволюционный период, останавливаясь попутно на тех фактах истории физики, которые не были нами освещены в обзоре предыдущей главы.

Механика - небесная, теоретическая и практическая - стала первой отраслью физико-математических наук, в которой французская наука заняла ведущее место в революционный и послереволюционный период. Но пока были живы Эйлер, а Лагранж работал в Берлине, французская механика ещё не занимала такого места, хотя уже имела ряд блестящих достижений, в особенности в области небесной механики. Здесь в первую очередь надо упомянуть Даламбера, Клеро и молодого Лапласа.

Мы уже говорили о заслугах Даламбера в механике, здесь коротко упомянем о его достижениях в теоретической астрономии. Даламбер принял участие в разработке теории движения Луны, которой занимались одновременно с ним Эйлер и Клеро. Даламбером была разработана теория предварения равноденствий, причём ему удалось не только объяснить прецессию земной оси с 26-тысячелетним периодом, но и явление нутации, открытое в 1721 г. Даламбер же занимался и вопросом о фигуре Земли.

Соперником Даламбера в разработке вопросов теоретической астрономии был даровитый математик Клеро. Сын профессора математики Клеро родился в 1713 г. Уже девяти лет он изучал курс высшей математики Лопиталя. В тринадцатилетнем возрасте он представил Парижской академии мемуар "О четырёх кривых линиях, имеющих замечательные свойства". Восемнадцати лет от роду Клеро стал академиком. В 1743 г вышло его классическое сочинение "Теория фигуры Земли", а в 1765 г. "Теория Луны". Им впервые были написаны уравнения движения трёх тел. Кроме этих исследований, занявших важное место в истории теоретической астрономии, Клеро прославился своим исследованием кометы Галлея. Галлеем было установлено, что комета 1682 г. тождественна с кометами, наблюдавшимися ранее, и что, следовательно, она является периодической с периодом приблизительно 76 лет. Он предсказал её появление в 1758 г.

Клеро предпринял вычисление точного времени возвращения, так как в назначенный год она не появилась. Он показал, что вследствие того, что комета в своём движении проходила вблизи Сатурна и Юпитера, её движение возмущалось и период увеличился на год и восемь месяцев. Он предсказал её появление 4 апреля 1759 г. Клеро ошибся всего на 22 дня, она была замечена раньше крестьянином Паличем в Саксонии. Это был величайший триумф точной науки.

Кометы, которые издавна служили предметом суеверий, были подчинены строгим законам природы. Вольтер откликнулся на это событие стихами:

Кометы, которых боятся, словно ударов грома, 
Полно вам пугать народы, населяющие землю; 
Двигайтесь по гигантским эллиптическим путям...

Араго говорил: "Исполнившееся предсказание Клеро произвело на общество более действия, нежели все хитрые доказательства философа Бейля"^*. Так наука XVIII в. сливалась с деятельностью просветителей и материалистов.

^* (Бейль Пьер (1647-1706), автор "Исторического и критического словаря", французский философ, которого Маркс и Энгельс называли отцом французского просвещения, человеком теоретически подорвавшим всякое доверие к метафизике, возвестившим появление атеистического общества (Соч., т. III, стр. 156).'Его словарь вышел в Роттердаме в 1695-1697 гг.)

Но, несмотря на эти успехи, в системе Ньютона оставалось много загадочных мест, подрывавших веру в неизменный порядок вещей во вселенной, в гармоничный ход мировых часов. Уже сам Ньютон считал, что бог должен время от времени восстанавливать нарушенный порядок, и Эйлер склонялся к этому мнению. Дело в том, что движения планет обусловлены не только взаимодействием с Солнцем, но и взаимодействуют друг с другом. Эти взаимодействия чрезвычайно осложняют картину, возникают возмущения, не поддающиеся учёту, и нет ничего невероятного в том, что эти малые возмущения, накопляясь, со временем приведут к нарушению устойчивости солнечной системы, к её гибели.

Необходимо было выяснить, обеспечивает ли закон тяготения устойчивость системы. Лаплас занимался этим вопросом неоднократно и пришёл к положительному выводу. В 1773 г. он доказал, что при всех возмущениях большие полуоси орбит, а следовательно, и времена обращения остаются неизменными, а в 1784 г. доказал устойчивость остальных элементов.

Эта устойчивость обеспечивалась, по Лапласу, законом тяготения и начальными условиями:

а) обращение всех планет по одному направлению,

в) малый эксцентрицитет их орбит,

с) малое взаимное наклонение орбит.

Лапласу удалось разрешить загадку возмущений Юпитера и Сатурна, объяснить вековое ускорение Луны, рассчитать движение спутников Юпитера. Наблюдения обнаружили непрерывное ускорение Луны и Юпитера и замедление Сатурна. Сохранение этих ускорений означало бы конечное падение Юпитера на Солнце и удаление Сатурна из солнечной системы.

Лаплас показал, что при расчёте движений в формулах разложения в ряд неправильно отбрасывали следующие члены разложения, которыми нельзя было пренебречь. При более точных расчётах эти вековые ускорения исчезали. Вернувшись в 1784 г. к этим расчётам, Лаплас доказал периодичность возмущений и вычислил период, который оказался равным приблизительно 913 годам. Сами эти возмущения являются следствием простого числового соотношения периодов Юпитера и Сатурна: пять периодов Юпитера почти точно равны трём периодам Сатурна. "Почти" играет очень важную роль: при точной соизмеримости возмущения были бы не периодическими, а вековыми.

Не менее блестящим достижением Лапласа было объяснение векового ускорения Лупы, открытого Галлеем в 1693 г. Это ускорение объясняется периодическими пульсациями орбиты Земли, Луна получает ускорение, когда орбита Земли приближается к кругу, и замедление - при её вытягивании. Таким образом, вековое ускорение Луны на самом деле является периодическим. Этот расчёт был выполнен Лапласом в 1787 г.

В год революции (1789) Лаплас закончил расчёт движений спутников Юпитера. Эти движения ещё Галилей предполагал использовать как точные часы для мореплавателей, и, как известно, запаздывания затмений одного из спутников привели Рёмера к определению величины скорости света. Однако точные законы движения спутников оставались неизвестными. Эти законы носят название законов Лапласа.

Приведём формулировку третьего закона: "без учёта вековых возмущений период обращения первого спутника, сложенный с удвоенным периодом третьего, даёт утроенный период второго".

"... Каждое исследование Лапласа,- говорит Араго,- открывало во вселенной и на нашей земле условия порядка и неизменности". И действительно, Лаплас, более чем кто-либо из других исследователей, способствовал укреплению принципа механического детерминизма, который он выразил в замечательных словах.

"Разумное существо, которое в каждый данный момент знало бы все движущие силы природы и имело бы полную картину состояния, в котором природа находится, могло бы - если бы только его ум был в состоянии достаточно проанализировать эти данные - выразить одним уравнением как движение самых больших тел мира, так и движение мельчайших атомов. Ничего не осталось бы для него неизвестным, и оно могло бы обозреть одним взглядом как будущее, так и прошлое". ("Опыт философии теории вероятности").

Но этот механистический детерминизм толкал Лапласа к анализу "начальных условий", к раскрытию мистической тайны ньютоновского первого толчка и диалектический ход развития был таким, что именно Лапласу, вслед за Кантом, пришлось пробить брешь в окаменелом мировоззрении, торжеству которого он так много содействовал, и стать автором первой космогонической гипотезы.

Расцвет гения Лапласа приходится на революционный и послереволюционный период. Но уже сейчас складываются основные направления его научной деятельности. Лаплас - это прежде всего автор "небесной механики", контуры которой несомненно вырисовывались в его уме в предреволюционную эпоху. В этот же период мы видим Лапласа в роли экспериментатора. В сотрудничестве с Лавуазье он занимается тепловыми измерениями. Они сконструировали - о чём мы уже говорили в предыдущей главе - ледяной калориметр, и им принадлежит наиболее точный в то время метод измерения линейного коэффициента расширения твёрдых тел.

Лавуазье

В практической механике в этот период мы должны отметить два важных факта. Это, во-первых, появление замечательного произведения Л. Карно "Опыт о машинах вообще" (1783), во-вторых, исследования Кулоном явлений кручения, результаты которых опубликованы в "Парижских мемуарах" в 1784 г., приведшие его к построению знаменитых крутильных весов и установлению зависимости модуля кручения от диаметра проволоки. Независимо от него, на британских островах крутильные весы строит Кавендиш, соперник Кулона как в механических, так и электрических исследованиях. Выходя из рамок хронологического порядка, мы скажем здесь, что крутильные весы Кавендиша дали ему возможность выполнить классические исследования по определению гравитационной постоянной и плотности земли. Эти исследования Кавендиша проведены им в 1797-1798 гг.

Замечательная работа Карно, о которой почему-то умалчивается в истории физики, является значительной вехой в истории развития учения об энергии. Карно исследует вопрос о полезном действии машин вообще (его сын, о котором мы будем говорить ниже, исследовал вопрос о полезном действии тепловых машин) и приходит к мысли оценивать это действие количеством исчезнувшей живой силы. Он показал, что эта потеря будет тем больше, чем резче меняются скорости. Здесь же он останавливается на вопросе о вечном двигателе и указывает, что всякая машина вследствие трения непременно остановится, вычисляя даже время, в течение которого израсходуется запас живой силы. Отсюда видно, какое важное, принципиальное значение имела эта работа.

В год, предшествующий революции, вышла "Аналитическая механика" Лагранжа - замечательный венец вековой работы, проделанной механиками-геометрами после Ньютона. Мощь аналитических методов даёт возможность Лагранжу расширить круг задач, рассматриваемых в механике. Так, в статике он кроме точки и неизменяемой системы рассматривает равновесие нитей. Применяя принцип Даламбера и принцип возможных перемещений, Лагранж получает уравнения динамики как первого, так и второго рода. Им начато изучение малых колебаний.

Вслед за механикой внимание учёных попрежнему привлекает природа тепла. Эти вопросы занимают и Вольтера и будущего знаменитого революционера Марата. Исследования природы тепла теснейшим образом связываются с химическими исследованиями, и здесь мы должны в первую очередь отметить гениального Лавуазье (1743-1794). Мы уже упоминали о его калориметрических и дилатометрических измерениях, выполненных вместе с Лапласом. Но бессмертная заслуга Лавуазье заключается в установлении научных основ современной химии: закона сохранения масс (вслед за Ломоносовым), теории горения, анализа и синтеза воды.

Рис. 177. Лаборатория Лавуазье

В 1772 г. Лавуазье с линзой в 33 дм в диаметре, изготовленной известным Чиригаузеном, математиком, физиком и крупным стеклозаводчиком, произвёл опыт сжигания алмаза. Ему удалось установить, что в отсутствии воздуха алмаз выдерживает высокую температуру, не сгорая, а только темнея. Далее, повторив опыт сжигания алмаза солнечными лучами в замкнутом сосуде и исследуя выделившийся газ, он установил его тождественность с углекислотой, открытой ранее Блэком и названной им "сгущённым газом". Эти опыты привели Лавуазье к мысли, что горючее начало не является флогистоном, а имеет своим источником воздух или "по крайней мере, что это субстанция, извлечённая из атмосферного воздуха".

В 1774 г. Пристли и почти одновременно с ним шведский химик Шееле открыли кислород, который последним был назван "дефлогистрованным воздухом". В том же 1774 г. вышли "Физико-химические этюды" Лавуазье, в которых он описывает опыты с металлами и минералами, подвергающимися прокаливанию. В этих опытах он обнаружил увеличение веса прокаливаемого металла засчёт воздуха. Однако к выводу, что это горючее начало тождественно с кислородом, он пришёл позднее. Знаменитый опыт по разложению окиси ртути поставлен был им в 1775 г. по совету Пристли. В 1777 г. в "Мемуарах" академии Лавуазье помещает ряд статей по горению, направленных против теории флогистона. Но Лавуазье, покончив с флогистоном, оказался не в состоянии покончить с теплородом. В "Трактатах о теплоте" Лавуазье и Лаплас считают, что калориметрические факты и факты изменения агрегатного состояния тел под действием теплоты заставляют принять существование тонкой отталкивающей теплотворной жидкости (calorique).

Успехи химии были теснейшим образом связаны как с развитием металлургии, так и с развитием пневматики. В XVIII в. открыли угле-кислоту, кислород, водород (1766 г., Кавендиш) и другие газы. В Англии на почве успехов химии и физики газов был учреждён Пневматический институт, в котором начал свою научную деятельность Дэви. Успехи пневматики позволили установить состав воды. В 1781 г. Варлтир, пропуская искру в сосуде, содержащем водород и воздух, обнаруживает капли воды на стенках сосуда. Затем Кавендиш при помощи искры сжигает водород в кислороде (1783) и получает воду. Пристли в апреле того же года устанавливает, что вес капелек воды равен сумме весов кислорода и водорода. Уатт, анализируя опыты Кавендиша и Пристли, приходит к выводу, что вода состоит из водорода и кислорода. Монж во Франции, не зная об опытах Кавендиша, занимается теми же исследованиями. Наконец, Лавуазье в сотрудничестве с Лапласом и Менье производит не только синтез, но и анализ воды и находит её точный состав. Так окончил своё существование один из четырёх аристотелевских элементов. Да и другой элемент - воздух - оказался смесью. Возникало новое представление об элементах и новая химия - химия Ломоносова - Лавуазье - Дальтона.

Рис. 178. Подъем монгольфьера

Открытия в физике и химии газов привели также к возникновению воздухоплавания. Владельцы бумажной фабрики братья Жозеф (1740- 1810) и Этьен (1745-1799) Монгольфье 5 июля 1783 г. наполнили тёплым воздухом баллон из полотна, подбитого бумагой, который поднялся на высоту до 2000 м. Этот опыт вызвал сенсацию. В том же году братья подняли на воздух первых "пассажиров" - овцу, утку и петуха.

Рис. 179. Электрометры

Химик и физик Шарль (1746-1823) наполняет водородом шар из шёлковой ткани, который поднялся в воздух 27 августа 1783 г., однако на высоте выше тысячи метров взорвался. 21 ноября 1783 г. Пилятр де Розье (1756-1785) вместе с маркизом д'Арланд впервые совершили полёт на монгольфьере над Парижем. 1 декабря Шарль, изготовив оболочку из изобретенной им непроницаемой шёлковой прорезиненной ткани, поднялся сам с пассажиром, а 3 декабря того же года инженер Менье (1754-1783), талантливый математик и физик, пред-ставил в академию доклад о воздухоплавании, в котором разрабатывает проект не только аэростата, но и дирижабля с винтовым управлением с экипажем в 30 человек. Этот талантливый учёный, сотрудничавший с Лавуазье в опытах анализа воды, погиб, сражаясь за революционную Францию.

Рис. 180. Конденсаторы Вольта

Мы уже упоминали, что воздухоплавание было применено в 1794 г. во Франции. Интересно, что первый аэростат был построен в Рязани подъячим Крякутным в 1731 г. 1, который 1 сам и предпринял первый полёт^*.

^* (Т. е. на 50 лет раньше Монгольфье.)

Однако полёт изобретателя окончился плачевно, ему пришлось бежать из города, так как жители хотели закопать его живым в землю за сношения с нечистой силой.

Обзор дореволюционной физики мы закончим электричеством. В рассматриваемый период эмпирические искания завершаются установлением количественных закономерностей электрических и магнитных взаимодействий. Измерительная техника обогатилась замечательным электрометром с конденсатором Вольта и крутильными весами Кулона.

Рис. 181. Электрофор Вольта

В 1772 г. Генли конструирует электрометр, а в 1779 г. Кавало заключает электроскоп Кантона в стеклянную банку. За четыре года до этого Вольта изобрёл электрофор. С помощью этого простого прибора он продемонстрировал почти неограниченную возможность извлечения электричества из наэлектризованного диска. Прибор был так им и назван "electrcforo perpetuo". В 1781 г. Вольта заменяет в электроскопе Кавало - Кантона нити с шариками сухими соломинами, и это простое видоизменение повысило чувствительность прибора. Через год Вольта снабдил электрометр конденсатором, и прибор мог быть с успехом использован для измерения малых напряжений. В 1785 г. Беннет сконструировал электроскоп с золотыми листочками.

Увлечение атмосферным электричеством принимало забавный характер. Изготовляли специальные "громоотводные костюмы", кавалеры при приближении грозовых туч обнажали шпаги и поднимали их кверху. Однако имелись и солидные научные достижения. Соссюр присоединил к элетроскопу Кавало металлический стержень с остриём для исследования атмосферного электричества. Вольта присоединил к стержню горящую свечу. Этот зонд в соединении с его чувствительным электрометром оказался прекрасным средством изучения электрического поля земли. Но не только ионизирующая способность пламени была замечена Вольтой. Вместе с Лавуазье и Лапласом он обнаружил электризацию при испарении. Это явление связывалось с возникновением заряда в тучах: метеорологические процессы, по мнению Вольта, приводят к электризации мнению Вольта, приводят к электризации атмосферы. Ломоносовские идеи получили таким образом дальнейшее развитие.

Рис. 182. Весы Кулона

Кулон пошёл по другому пути конструкции электроизмерительных приборов. Этот путь был продиктован исследованиями кручения. Шарль Огюстен Кулон родился 14 июня 1736 г. Завершив образование в Париже, он работал военным инженером на острове Мартиника по крепостным сооружениям. Вернувшись в Париж, он ведёт напряжённую исследовательскую работу в области практической механики. Его интересуют вопросы сопротивления материалов, он изучает законы трения, законы кручения. За его работы по кручению он был избран в 1781 г. членом академии. Когда академия опубликовала конкурсную задачу на лучшую конструкцию корабельного компаса, Кулон приступил к исследованию электрических и магнитных сил. В его электрометре использован принцип крутильных весов (рис. 182). Стеклянный цилиндр имеет на окружности измерительную градусную шкалу. В крышке цилиндра имеются центральное и боковое отверстия. В центральное отверстие пропущена серебряная нить,закреплённая на измерительной головке и проходящая по оси высокого стеклянного цилиндра, заканчивающегося упомянутой головкой. Нить несёт лёгкое стеклянное коромысло, заканчивающееся шариком и противовесом. В боковое отверстие пропускается стерженёк, несущий наэлектризованный шарик. В первом мемуаре 1785 г. Кулон исследует отталкивательную силу и находит, что при угловых расстояниях между шариками a и d (которые первоначально при контакте получают одинаковые заряды) 36°, 18°, 9°, нить закручивалась соответственно на 36°, 144° и 576°, т. е. силы росли обратно пропорционально квадратам расстояний. Во втором мемуаре Кулон нашёл закон взаимодействия магнитных полюсов. Исследуя распределение электричества в проводниках, Кулон осуществил классический опыт с шаром и накладными полушариями.

Рис. 183. Опыт Кулона

На шар А (рис. 183) накладываются с помощью изолирующих ручек полушария В и С, и система заряжается. Затем полушария отодвигаются, и исследуется электрическое состояние как их самих, так и шара. Шар оказывается незаряженным, тогда как полушария наэлектризованы. Если же зарядить сначала шар А, а затем наложить полушария, то результат оказывается тем же самым: электричество с шара перетечёт на полушария. Кулону была ясна связь этого факта с законом квадратов. Но ему не было известно, что уже в 1771 г. Генри Кавендиш подобным экспериментом определял закон взаимодействия электричеств. Исследования Кавендиша оставались неизвестными до тех пор, пока их не опубликовал Максвелл, повторивший измерения Кавендиша с современной ему точной аппаратурой. Идея метода Кавендиша такова.

Рис. 184. К опыту Кавендиша

Представим себе проводящую сферу acbd (рис. 184) и плоскостью ab рассечём её на два сегмента acb и adb. Электричество в точке р будет испытывать действие как со стороны верхнего сегмента, так и со стороны нижнего сегмента. На верхнем сегменте размещается электричества меньше, чем на нижнем, но зато его заряды ближе к точке p, и если силы элементарных зарядов действуют как r^-2, то действие в точке р верхнего сегмента в точности скомпенсирует действие нижнего сегмента, и точка р окажется незаряженной. Иное будет при другом законе r^-n. Если n<2, то компенсация расстоянием для верхнего сегмента окажется недостаточной, действие нижнего сегмента будет больше, положительное электричество из р потечёт на верхний сегмент, точка зарядится отрицательно. При n>2, наоборот, на верхнем сегменте будет избыток электричества, из точки р потечёт отрицательное электричество, она зярядится положительно.

Рис. 185. К опытк Кавендиша

Таким образом, исследуя электризацию внутренних точек, можно определить n в законе элементарного взаимодействия, который можно к предположить в виде Опыт Кавендиша несколько иной по сравнению с опытом, произведённым позднее Кулоном. Внутренний шар А (рис. 185) отделён изоляционным кольцом от внешнего шара, составленного из двух полушарий. В верхней части внешнего полушария имеется отверстие, закрываемое металлической крышечкой с с припаянной к ней металлической проволочкой l. Вначале крышечка закрывает отверстие, и проволочка l устанавливает проводящий контакт внешней и внутренней сфер. Система заряжается. С помощью шёлковой ниточки снимают крышечку, уничтожают контакт и исследуют заряд внутренней сферы. Опыты Кавендиша дали, что n = 2 ± ¹/₅₀. Максвелл, повторяя опыт Кавендиша, показал, что Таким образом, закон Кулона оправдывается с высокой степенью точности, какой, разумеется, не могла быть в его первоначальных опытах, и его закон, собственно говоря, был гениальной экстраполяцией данных опыта. Кулон сам чувствовал это, когда предпринял косвенную проверку закона.

¹ (Генри Кавендиш (Henry Cavendish, 1731-1819) - богатый лорд, прославившийся многими химическими и физическими исследованиями (состав воды, определение гравитационной постоянной и плотности земли, закон электрических взаимодействий - его важнейшие научные результаты). Однако он не любил публиковать свои исследования и прослыл чудаком и нелюдимым.)

Открытие Кулона послужило толчком к поискам элементарных законов взаимодействий. Теоретики первой половины XIX в. напряжённо ищут форму универсального элементарного закона. О роли среды в кулоновских законах ничего не говорится. Законы представляют собой перенесение методов ньютоновского описания в электростатику и магнитостатику. Тем самым был открыт путь математического анализа этих областей физики.