Дальнейшие успехи экспериметальной физики

Церковь сожжением Бруно, запрещением учения Коперника и осуждением Галилея рассчитывала запугать ученых и остановить распространение новых идей. Ей действительно удалось кое-кого запугать. Так, Декарт, закончивший свою «Космогонию», услыхав об осуждении Галилея, отказался ее печатать. Но остановить распространение нового научного движения не удалось Следуя примеру Галилея, ученые всех стран интенсивно занимались экспериментальными исследованиями и развитием научных понятий, подготовляя тем самым почву для физического обоснования системы Коперника, которое и было дано в конце XVII в. Ньютоном. Мы рассмотрим здесь новые успехи экспериментальной физики, достигнутые после Галилея.

При этом следует прежде всего отметить достижения, связанные с открытием Торричелли. Перипатетики все еще упорно держались за старую «боязнь пустоты» и придумывали всевозможные объяснения опыту Торричелли Один из основателей Лондонского Королевского общества — Роберт Бойль (1627—1691) — выдающийся химик и экспериментатор, опровергая мнение перипатетиков, что ртуть в трубке Торричелли удерживается невидимыми нитями, решил исследовать упругость воздуха. Взяв (U-образную трубку, запаянный конец которой был короче открытого, он подливал в открытый конец ртуть, показывая, что ртутный столб уравновешивает избыточную упругость сжатого воздуха. Помощник Бойля Тоунли, рассматривая запись высот ртути в открытом и закрытом коленах, подметил обратную пропорциональность между избыточной высотой ртутного столба и объемом воздуха в закрытом колене. Бойль, тщательно исследовав эту закономерность при давлениях выше и ниже атмосферного, установил закон, носящий ныне его имя. Свои опыты он описал в сочинении «Защита доктрины, относящейся к упругости и весу воздуха», вышедшем в 1662 г.

Через 14 лет вышло сочинение французского аббата Мариотта (1620-1684) «Опыт о природе воздуха», в котором Мариотт независимо от Бойля описал аналогичные опыты, приведшие его к тому же выводу. История оказалась благожелательной к Мариотту и, несмотря на очевидный приоритет Бойля, соединила его имя с именем последнего Закон Бойля — Мариотта ныне известен каждому школьнику, хотя правильнее его было бы назвать законом Бойля — Тоунли Бойль неутомимо экспериментировал. Его опытам с упругостью воздуха предшествовало изобретение воздушного насоса. С помощью насоса он обнаружил понижение ртутного столба при откачивании воздуха, более раннее закипание воды при пониженном давлении (понижение точки кипения), прекращение действия сифона в вакууме и т. д. Эти опыты были описаны в сочинении «Новые физико-механические опыты, касающиеся упругости воздуха», вышедшем в 1660 г.

Через три года после проведения опытов с воздушным насосом и через год после открытия газового закона Бойль опубликовал работу «Опыты и рассуждения, касающиеся цветов», где описывал интерференционные явления в тонких пленках (мыльных и тонких стенках стеклянных шаров). Бойль отошел от перипатетического представления о цветах как некоторых специфических качествах тел и объяснил цвета количеством отраженного света.

Большие заслуги Бойль имеет в химии. Его сочинение «Скептический химик» рассматривается как начало новой, научной химии в противовес алхимии. Бойль ввел новое понимание элемента, отличное от аристотелевского и алхимического. Ему также принадлежит заслуга введения атомистики в химию. Вместе с тем Бойль разделял многие ошибочные представления своего времени, и Ломоносов, проверяя опыты Бойля, опроверг его утверждение об увеличении веса металлов при обжигании. Произведя опыты с накаливанием металлов в запаянных сосудах, Ломоносов установил, что общий вес металлов и сосуда остается неизменным и что «мнение Роберта Бойля ложно». Этими опытами Ломоносов впервые установил закон сохранения веса веществ при химических реакциях и предварил опыты Лавуазье, из которых вытекала правильная теория горения.

Воздушный насос — предшественник современных вакуумных насосов — был сконструирован в пятидесятых годах XVII в. магдебургским бургомистром Отто Герике (1602—1686), который, приняв доктрину о существовании пустоты, поставил своей целью получение пустоты в достаточных количествах, чтобы можно было экспериментировать с нею. Вначале он пытался получить пустоту откачиванием воды из бочки, но это, понятно, не удалось, место воды немедленно занимал воздух. Заменив бочку медным шаром и откачивая из него воздух насосом, Герике убедился, что по мере разрежения поршень насоса с трудом вытягивался физически сильным рабочим. Герике укрепил цилиндр насоса на треножнике, привинченном к полу, и снабдил рукоятку поршневого штока рычагом. С этим насосом он провел ряд эффектных опытов, иллюстрирующих огромную силу атмосферного давления, в том числе и знаменитый опыт с магдебургскими полушариями, который он демонстрировал перед членами рейхстага 8 мая 1654 г.

Книга Герике «Новые магдебургские опыты о пустом пространстве» вышла в свет в 1672 г. с замечательными иллюстрациями, изображающими различные опыты, проведенные Герике. Книга с иллюстрациями давала яркое представление о силе атмосферного давления, и мысль о возможности использования этой силы неизбежно возникала у многих людей.

Герике был искусным экспериментатором. Он усовершенствовал барометр, термометр, построил первую электрическую машину. Машина Герике представляла собой шар из серы, вращающийся на железной оси. Вращающийся шар натирался рукой. Герике впервые наблюдал электрическое отталкивание, электрическую проводимость, незначительные электрические разряды, сопровождающиеся потрескиванием. К сожалению, Герике не приводил в действие свою машину в темноте, обнаруженное при этом свечение, несомненно, привлекло бы внимание его к электрическим опытам.

Рис. 11. Опыт с магдебуургскими полушариями

Рис. 12. Титульный лист 'Новых опытов' Герике

Колокол с тарелкой для воздушного насоса был введен Христианом Гюйгенсом. Гюйгенс же сконструировал ртутный манометр для измерения низких давлений. Известный изобретатель парового котла (а также паровой машины) Дени Папен (1647—1714) заменил в насосе кран клапаном. Первая пароат-мосферная водоподъемная машина была спроектирована в 1698 г. Севери. Оптика продолжала свое дальнейшее развитие после Галилея и Декарта Ученик Галилея математик Кавальери (1598—1647) установил для двояковыпуклых и двояковогнутых линз соотношение:

где R1, и R2 — радиусы сферических поверхностей, ограничивающих линзы, причем R2 — радиус поверхности, на которую падает пучок параллельных лучей, формула Кавальери представляет собой частный случай выражения фокусного расстояния линзы для п = 1,5. Общая формула линзы была получена Эдмундом Галлеем (1656-1742) только в 1693 г.

Декартовское обоснование закона преломления подверг критике знаменитый математик Пьер ферма (1601—1665), который в противовес Декарту вывел закон преломления на основе принципа наименьшего времени распространения света. Этот принцип в истории физики сыграл большую роль. В 1648 г. чешский ученый Иоханнес Маркус Марци (1595—1667) описал явление призматических цветов. Он поставил призму перед отверстием камер-обскуры и получил на задней стороне камеры спектр, который правильно объяснил тем, что каждому цвету соответствует своя преломляющая способность. Он же показал, что отдельный монохроматический участок в дальнейшем призмой не разлагается Таким образом, Марци был непосредственным предшественником оптических открытий Ньютона

В 1665 г. вышло в свет сочинение ученого-иезуита Гримальди (1618— 1663), сыгравшее важную роль в истории оптики. В этом сочинении впервые описано явление дифракции и высказано мнение о волновой природе света. В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин (1625—1698) описал двойное лучепреломление в исландском шпате. Другой датский ученый — Оле Рёмер (1644—1710), работавший в Парижской обсерватории, составляя таблицы затмений спутников Юпитера, обнаружил периодическое запаздывание этих затмений и объяснил их конечностью скорости света. В это же время появилось на латинском языке сочинение Гюйгенса о свете, исправленное автором и переизданное на французском языке в 1690 г. «Трактат о свете» Гюйгенса вошел в историю науки как первое научное сочинение по волновой оптике. В этом «Трактате» сформулирован принцип распространения волны, известный ныне под названием принципа Гюйгенса; на основе этого принципа выведены законы отражения и преломления света, развита теория двойного лучепреломления в исландском шпате, исходя из представлений, что скорость распространения света в кристалле в различных направлениях различна и поэтому форма волновой поверхности будет не сферической, а эллипсоидальной.

Теория распространения и преломления света в одноосных кристаллах—замечательное достижение оптики Гюйгенса. Гюйгенс описал также исчезновение одного из двух лучей при прохождении их через второй кристалл при определенной ориентировке его относительно первого. Таким образом, Гюйгенс был первым физиком, установившим факт поляризации света.

Цветов Гюйгенс в своем трактате не рассматривает, равно как и дифракцию света. Его трактат посвящен только обоснованию отражения и преломления (включая и двойное преломление) с волновой точки зрения. Вероятно, это обстоятельство было причиной того, что теория Гюйгенса, несмотря на поддержку ее в XVIII в. Ломоносовым и Эйлером, не получила признания до тех пор, пока Френель в начале XIX в. не воскресил волновую теорию на новой основе.

Христиан Гюйгенс, сын образованного голландского дворянина Константина Гюйгенса, родился 14 апреля 1629 г. Отец преподал ему начала математики и механики, но решил сделать сына юристом и, когда Христиан достиг шестнадцатилетнего возраста, направил его изучать право в Лейденский университет. Занимаясь в университете юридическими науками, Гюйгенс в то же вр\.мя увлекался математикой, механикой, астрономией, практической оптикой. Искусный мастер, он самостоятельно шлифовал оптические стекла и усовершенствовал трубу, с помощью которой открыл кольца и спутники Сатурна.

Кольца Сатурна были впервые замечены Галилеем в виде двух боковых придатков, «поддерживающих» Сатурн. Но труба Галилея не обладала необходимой разрешающей способностью и достаточным увеличением. Когда кольца стали видны как тонкая линия, он их не заметил и больше о них не упоминал. Гюйгенс, во всей своей научной деятельности продолжавший дело Галилея, разгадал загадку Сатурна и впервые описал его знаменитые кольца.

Одним из важнейших открытий Гюйгенса было изобретение часов с маятником. Он запатентовал свое изобретение 16 июня 1657 г. и описал его в небольшом сочинении, опубликованном в 1658 г. Теоретические основы своего изобретения Гюйгенс изложил в сочинении «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium»), вышедшем в 1673 г. В этом сочинении Гюйгенс устанавливает, что свойством изохронности обладает циклоида, и разбирает математические свойства циклоиды. Как уже говорилось, маятник Гюйгенса в отличие от галилеевского был циклоидальным.

Исследуя криволинейное движение тяжелой точки, Гюйгенс, продолжая развивать идеи, высказанные еще Галилеем, показывает, что тело при падении с некоторой высоты по различным путям приобретает конечную скорость, не зависящую от формы пути, а зависящую лишь от высоты падения, и может подняться на высоту, равную (в отсутствие сопротивления) начальной высоте. Это положение, выражающее по сути дела закон сохранения энергии для движения в поле тяжести, Гюйгенс использует для теерии физического маятника. Он находит выражение для приведенной длины маятника, устанавливает понятие центра качания и его свойства.

Формулу математического маятника для циклоидального движения и малых колебаний кругового маятника он выражает следующим образом. «Время одного малого колебания кругового маятника относится к времени падения по двойной длине маятника, как окружность круга относится к диаметру, откуда следует: Т= 2п/(l/g)1/2 — (в современных обозначениях).

Существенно, что Гюйгенс в конце своего сочинения дает ряд предложений (без вывода) о центростремительной силе и устанавливает, что центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально радиусу окружности. Этот результат подготовил ньютоновскую теорию движения тел под действием центральных сил.

В 1663 г. Гюйгенс был избран членом Лондонского Королевского общества, а в 1666 г. членом только что организованной Парижской Академии наук. Гюйгенс жил в Париже до 1681 г., когда после отмены Нантского эдикта он, как протестант, вернулся на родину.

Будучи в Париже, он хорошо знал Рёмера и активно помогал ему в наблюдениях, приведших к определению скорости света. Гюйгенс первый сообщил о результатах Рёмера в своем трактате.

Рис.13. Опыт Герике с электрической машиной

Заметим, что скорость света впервые попытался определить Галилей Два наблюдателя, снабженные фонарями с задвижками, располагались в темную ночь на таком расстоянии друг от друга, на каком еще был виден свет фонаря. Когда первый наблюдатель открывал задвижку, второй, увидев свет, открывал свою.

Конечно, этот эксперимент ничего не дал, хотя в принципе метод был совершенно правилен.

Декарт считал, что свет распространяется мгновенно. Этот вывод он обосновал тем, что конечная скорость света неизбежно должна приводить к искажению положения небесных светил. Такая аберрация действительно была обнаружена Джеймсом Брадлеем (1693—1762) в 1728 г. и дала новый метод определения скорости света.

По возвращении на родину Гюйгенс продолжал заниматься оптическими проблемами и изготовлением оптических стекол. Он уделял внимание также космологическим и математическим проблемам. Умер он 8 июля 1695 г. Из механических исследований Гюйгенса, кроме теории маятника и центростремительной силы, известна его теория удара упругих шаров, представленная им на конкурсную задачу, объявленную Лондонским Королевским обществом в 1668 г. Теория удара Гюйгенса опирается на закон сохранения живых сил, количество движения и принцип относительности Галилея. Она была опубликована лишь после его смерти в 1703 г.