Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск




вычисление определенного интеграла онлайн



предыдущая главасодержаниеследующая глава

ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ

Современниками Галилея, Кеплера и Ньютона было немало первоклассных ученых-естествоиспытателей. Мы вынуждены ограничиться кратким изложением работ только шести из них: Торричелли, Мариртта, Паскаля, Бойля, Гюйгенса и Линнея.

Итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли (1608 - 1647) получил математическое образование в Риме под руководством Бенедетти Кастелли. Одно из сочинений Торричелли, «Трактат о движении тяжелых тел», заинтересовало Галилея, он приблизил к себе Торричелли, доверил ему обработку своих трудов. В последующие годы жизни Галилея, когда этот великий ученый стал слепым, режим его жизни судом инквизиции был несколько облегчен. Его наиболее преданные ученики, в том числе Торричелли, мог ли не расставаться с ним.

После смерти Галилея, последовавшей в 1642 г., Торричелли занял его место на должности математика герцога Тосканы и профессора математики Пизанского университета.

Жизнь Торричелли оборвалась рано - он умер в возрасте 39 лет. Тем не менее его имя прочно вошло в историю науки. Торричелли известен работами в области математики, механики, гидравлики, но наибольшую известность он завоевал тем, что путем очень простого опыта наглядно показал существование давления воздуха на поверхность Земли (т. е. продемонстрировал «тяжесть» воздуха), изобрел простейший барометр, позволяющий, как показывает само его название, измерять атмосферное давление, и, наконец, получил пространство, являющееся, как тогда казалось, совершенно пустым,- торричеллеву пустоту.

Рис. 7. Прибор Торричелли
Рис. 7. Прибор Торричелли

Хорошо известный прибор Торричелли представлен на рис. 7. В запаянную с одного конца стеклянную трубку налита ртуть. Затем трубка перевернута так, чтобы открытый ее конец оказался в ванночке с ртутью. Все остальное ясно из рисунка. Столб ртути (высотой около 760 мм, в зависимости от погоды и геометрической высоты местности) уравновешивает атмосферное давление воздуха и, следовательно, может служить «стрелкой» барометра. В верхней части образуется торричеллева пустота.

В следующей главе будет показано, что торричеллева пустота еще не совсем пустота; это не только не математический вакуум, но еще и не физический вакуум. Ртуть в приборе Торричелли удобна потому, что это - жидкость, обладающая большим удельным весом (тяжелая), и, следовательно, столбик барометра будет не слишком высоким. Если бы ртуть заменить водой, то столбик барометра имел бы длину не 760 мм, а свыше 10 м.

Французский физик Эдм Мариотт (1620 - 1684) был разносторонним ученым. Он занимался оптикой, дифракцией света, гидравликой, но более всего известен своими исследованиями свойств газов. Возможно, мы и не упомянули бы его имени в этой книге (к сожалению, нет возможности назвать имена всех или хотя бы большинства заслуживающих этого ученых), но имя Мариотта так часто встречается в школьных и вузовских учебниках физики, что у читателей, возможно, могли бы возникнуть вопросы: а где же Мариотт? Почему нет Мариотта? Тем более что Мариотт действительно заслуженный ученый. В одно время с Р. Бойлем (о работах которого будет сказанно ниже) и независимо от него Мариотт установил вакон, согласно которому объем газа при постоянной температуре обратно пропорционален его давлению, или произведение удельного объема газа на его давление при неизменной температуре есть величина постоянная, т. е. при t=idem pv=const, где р - давление газа, v - удельный объем, t - температура.

Этот хорошо известный закон носит название закона Бойля - Мариотта и во многих случаях - но далеко не всегда - удовлетворительно выполняется. Остается добавить, что Мариотт был одним из первых членов Парижской Академии наук.

Английский химик и физик Роберт Бойль (1627 - 1691) родился и провел свое детство в замке Лисмор (Ирландия), в семье герцога Корского - богатого и удачливого авантюриста. Он закончил известный колледж в Итоне на р. Темзе, совершил путешествие по Италии, Франции, несколько лет учился в Женеве. Как и многие его сверстники (Паскаль, Стено (Николаус Стено (1638 - 1686) - разносторонний датский ученый, основоположник геотектоники.) ), Бойлъ попал под влияние религии. Но жизненная линия Бойля этим не определилась. Он вел аскетический образ жизни (может быть, этому содействовало его слабое здоровье), не участвовал в войне (а именно в это время в Англии велась гражданская война, республиканцы во главе с Кромвелем наносили королевской армии одно поражение за другим) - все его интересы были связаны с наукой.

Вернувшись в Англию, Бойлъ активно участвовал в деятельности так называемой «невидимой коллегии» - некоем прообразе Королевского общества,- обосновавшейся в Оксфорде, но проводившей свои заседания то в Оксфорде, то в Лондоне, за что она и получила свое наименование.

В 1663 г. официально было основано Лондонское королевское общество, одним из главных инициаторов образования которого был Бойль. В 1680 г. Бойль, получивший в 1665 г. степень почетного доктора физики Оксфордского университета и с 1668 г. обосновавшийся в Лондоне, был избран президентом Королевского общества, но отказался от этого поста.

Дж. Бернал пишет: «Бойль, несомненно, представлял собой центральную фигуру в Королевском обществе начального периода его существования, подобно тому как Ньютон был центральной фигурой в период его расцвета» (Бернал Дж. Наука в истории общества, с. 254. ).

Ближайшим другом и первым помощником Бойля долгое время был разносторонний ученый и блестящий экспериментатор Роберт Гук (1635 - 1703) - сын священника с острова Уайт. Дж. Бернал пишет: «Если бы Гук имел более обеспеченное общественное положение и не страдал от своего уродства и хронических болезней, он не был бы таким обидчивым, мнительным и сварливым человеком и его выдающаяся роль в истории науки получила бы полное признание. Если Бойль представлял собой душу Королевского общества, то Гук был его глазами и руками. Он был величайшим физиком-экспериментатором до Фарадея и, подобно ему, не имел математических способностей Ньютона и Максвелла. Гук интересовался механикой, физикой, химией и биологией. Он изучил упругость и открыл то, что называется законом Гука: ut tensia sic via (растяжение пропорционально силе) (Закон Гука устанавливает линейную зависимость между упругой деформацией твердого тела и приложенным механическим напряжением. Например, для стержня длиной I и поперечным сечением s при растяжении продольной силой F удлинение стержня Δl=Fl/sE, где Е - модуль Юнга.) ; он изобрел круговой пружинный маятник, применение которого сделало возможным создание точных часов и хронометров...» (Бернал Дж. Наука в истории общества, с. 255. ).

Возвращаясь к Бойлю, следует сказать, говоря словами Дж. Бернала, что он не имел ни данных крупнейших экспериментаторов Гука и Фарадея, ни выдающихся математических способностей Ньютона и Максвелла. Тем не менее он сделал для науки очень много. По своим научным интересам и знаниям Бойль был ученым-энциклопедистом.

Так в чем же основная заслуга Бойля? Бойль положил начало преобразованию химии в самостоятельную науку. Он дал определение элементу вещества как простому телу, которое уже не может быть разделено на другие, более простые тела. Другими словами, химический элемент, по Бойлю, это предел качественного деления вещества. Бойль категорически отвергал господствовавшее со времен Аристотеля утверждение, что огонь якобы является универсальным анализатором тел, что с его помощью (при горении) можно только разделять тела на более простые, но нельзя получать тел более сложного состава.

Бойль считал несостоятельным исходящее еще от Аристотеля утверждение о четырех стихиях (огне, воздухе, воде и земле). Он также не признавал учения Парацельса (Парацельс (1493 - 1541) - один из основателей школы ятрохимиков (врачей-химиков). )о трех началах: сере, ртути и соли. В своих исследованиях Бойль использовал методы количественного и качественного анализа, ввел в практику исследований взвешивание. Одним словом, Бойль, как уже сказано, начал преобразование химии в науку.

Одновременно с Мариоттом и независимо от него Бойль, как уже говорилось, открыл газовый закон, известный теперь как закон Бойля - Мариотта.

Французский ученый Блез Паскаль (1623 - 1662) был математиком, физиком, писателем и религиозным философом. Он родился в г. Клермон-Ферране, в семье математика Э. Паскаля. В 1655 г. Блез Паскаль поселился в янсенистском (Янсенизм - религиозно-философское течение в католицизме, воспринявшее некоторые черты кальвинизма и резко выступавшее против иезуитов. Ведет начало от голландского богослова Янсения.) монастыре в Пор-Рояле, представлявшем тогда собой центр буржуазной оппозиции против католической церкви и абсолютизма.

Еще в детском возрасте Паскаль проявил большие способности к математике, развитию которых способствовал его отец. В области математики Паскаль считал себя учеником геометра и архитектора Жирара Дезарга, идеи которого после его смерти получили признание, но который при жизни не пользовался почти никакой известностью. Паскаль работал в области арифметики, теории чисел, алгебры и теории вероятностей. В трактате «О характере делимости чисел» он изложил признаки делимости одних чисел на другие, в том числе с использованием суммы цифр делимого. Имеют большое значение математические труды Паскаля, в которых он изложил способ определения числа сочетаний из n чисел по т, привел основные положения теории вероятностей, дал интегральные методы определения площадей фигур, объемов тел и их поверхностей.

Физические работы Паскаля пользуются широкой известностью до настоящего времени, а его закон гидростатики, согласно которому произведенное внешними силами давление на поверхность жидкости передается жидкостью одинаково во всех направлениях, изучается даже в школе (рис. 8).

Рис. 8. Прибор, иллюстрирующий закон гидростатики Паскаля
Рис. 8. Прибор, иллюстрирующий закон гидростатики Паскаля

В «Трактате о тяжести массы воздуха» Паскаль привел данные о том, что плотность воздуха становится тем меньше, чем на более высоком уровне от поверхности Земли производятся измерения, и что показания барометра зависят, кроме того, от состояния воздуха - его температуры и влажности и поэтому барометр может служить прибором для предсказания погоды.

Философские взгляды Паскаля противоречивы. С одной стороны, он считал, что человека охватывает страх, как только он понимает, что находится между двумя бсконечностями: бесконечностью Вселенной и бесконечностью (огромной сложностью) ее любого элемента-большого и. малого. Паскаль видел необходимость смирения, ограниченность разума, веры. Но, с другой стороны, Паскаль был не согласен с тем, что человек обречен на незнание Вселенной, в которой он живет. Его силы малы, считал Паскаль, но они есть. Пожалуй, можно сказать, выражаясь современным языком, что оптимизм Паскаля не был сбалансирован с его пессимизмом.

«Письма провинциалу», выпущенные Паскалем в свет под псевдонимом Л, Монтальта, по мнению многих литераторов, являются шедевром французской сатирической прозы. В них дана резкая критика лицемерия иезуитов. Письма подверглись осуждению со стороны церкви.

Выдающийся голландский математик, механик и физик Христиан Гюйгенс (1629 - 1695), современник Галилея и Ньютона, родился в Гааге, в семье писателя и политического деятеля. Образование получил в нидерландских университетах городов Лейдена и Бреды.

Его первые научные статьи касаются вопросов математики. Одца из них была посвящена строгому определению числа я - отношения длины окружности к диаметру; другие касались вычисления длины дуг окружности, эллипса, гиперболы.

Гюйгенсу была свойственна одна очень важная черта научного творчества: связь сложнейших вопросов теории и практики, например разработка новой волновой теории света и совершенствование конструкции телескопа, новые астрономические наблюдения и изобретение часов с маятником (что, кстати, пытался сделать Галилей), дающих возможность измерять время с гораздо более высокой, нужной для астрономии точностью.

Обратимся, однако, к более систематическому обзору работ Гюйгенса. Совместно с Гуком ему удалось установить удобные постоянные точки для термометра - точку таяния льда и точку кипения воды, что было важным шагом в изготовлении простейших термометров.

Работа, проделанная Гюйгенсом по совершенствованию объективов астрономических труб, главным образом в части увеличения их светосилы (Светосила - характеристика оптической системы - отношение освещенности изображения, создаваемого оптической системой, к яркости изображаемого предмета ), позволила ему сделать важные астрономические наблюдения. Гюйгенс открыл один из крупнейших спутников среди планет Солнечной системы - спутник планеты Сатурн, носящий название Титан и имеющий, как теперь известно, атмосферу, состоящую из метана. Он определил также, пользуясь телескопом, имеющим в три раза большую степень увеличения, чем телескоп Галилея, что Сатурн имеет тонкое кольцо вокруг своей поверхности. Гюйгенс, кроме того, установил и дал описание туманности в созвездии Ориона и полос на поверхностях Юпитера и Марса.

Работы Гюйгенса по математике и астрономии сделали его имя широко известным. Гюйгенс посетил Лондон, познакомился со многими английскими учеными и в 1663 г. был избран первым иностранным членом Лондонского королевского общества. По приглашению французских ученых Гюйгенс в 1665 г. приехал в Париж и оставался там около 16 лет, будучи избран членом Французской академии наук, занимаясь главным образом маятниковыми часами и в целом вопросами физики и математики движения маятника. Опубликованная Гюйгенсом в Париже книга «Маятниковые часы» (второе издание, гораздо более полное и во многом отличавшееся от первого, вышедшего в Голландии на 15 лет ранее включала много интересных вопросов: свойства циклоиды (рис. 9), представляющей собой плоскую кривую, образующуюся точкой окружности (например, точкой Р) катящейся без скольжения по прямой; определение центра качания физического маятника (Физический маятник - тело, совершающее под действием тяжести колебания вокруг оси, не совпадающей с центром тяжести маятника. В отличие от физического маятника математический маятник представляет собой материальную точку, совершающую колебания под действием силы; такой маятник может быть приблизительно сделан в виде тяжелого груза малых размеров, подвешенного на тонкой нити.) (рис. 10), Книга «Маятниковые часы», как и все творчество Гюйгенса (о нем уже говорилось), отличалась необычайной слитностью теории и практики (техники). Примерно такой же характер носила последняя перед отъездом из Парижа работа Гюйгенса: он начал разработку проекта некоторого подобия планетария - машины, которая должна была с помощью зубчатых колес и других механических устройств имитировать Солнечную систему в движении.

Рис. 9. Плоская кривая циклоида
Рис. 9. Плоская кривая циклоида

Рис. 10. Математический (а) и физический (б) маятники
Рис. 10. Математический (а) и физический (б) маятники

В 1681 г. Гюйгенс возвратился в Голландию. Главной причиной этого были трудности, переживаемые протестантами во Франции, которые могли коснуться и Гюйгенса. Вероятно, наиболее крупным делом среди тех дел, которые он совершил после возвращения в Голландию, было создание волновой теории света, изложенной в книге «Трактат о свете», напечатанной в 1690 г.

Говоря о работах Ньютона, в которых рассматривается физическая природа света, мы уже упоминали о том, что в настоящее время признается, что свет обладает свойствами как потока частиц (корпускулярными свойствами), так и волн (волновыми свойствами). Мы должны будем еще раз вернуться к этому вопросу, когда доведем наше повествование до физики сегодняшних дней.

Во времена Ньютона и Гюйгенса, а также на протяжении XVIII и XIX вв. существовали два наиболее распространенных представления о природе света, казалось явно противоречащие друг другу,- корпускулярное и волновое. Приводились основанные на опыте доводы как в пользу первого, так и в пользу второго представления. Ньютон рассматривал свет как поток корпускул. Об этом уже говорилось, и мы не будем повторять его соображений и доводов.

Гюйгенс, современник Ньютона, был сторонником другого представления о природе света - волнового. Следовательно, свет, по Гюйгенсу, представляет собой, об этом говорилось выше, как и всякая волна, перенос энергии, но не перенос массы. Но волна может образоваться только в какой-то среде. Значит, если волновая теория света верна, какая-то среда должна заполнять и межпланетное пространство. Чтобы выйти из этого затруднения, Гюйгенсу пришлось воспользоваться представлением об эфире - гипотетической субстанции, заполняющей всю Вселенную; в эфир как бы погружена Вселенная. Причем о структуре эфира ничего не было известно. Можно было только предполагать, что, поскольку скорость распространения света очень велика - в вакууме 300 тыс. км/с, упругость эфира должна быть колоссальной.

Какие же имеются преимущества и какие отрицательные стороны у волновой теории света по сравнению с корпускулярной?

Отрицательной стороной волновой теории света, до тех пор пока не была выяснена его электромагнитная природа (что было сделано намного позднее и о чем речь идет ниже), была необходимость ввести новую субстанцию - эфир, в которую должна быть как бы погружена вся Вселенная, а структура и свойства которой неизвестны. Более того, до тех пор пока мы рассматриваем всо процессы и явления с точки зрения механики, т. е. пытаемся свести все процессы и явления в конечном итоге к механическим (а во времена Ньютона и Гюйгенса и значительно позже поступали именно так), очень трудно ответить на такой вопрос: почему взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях существует (свет проходит через вакуум, т. е. через эфир, с одной скоростью, а, например, через воду или стекло с другой), а в механических, когда через эфир проходят, например, планеты, такого взаимодействия нет?

Вместе с тем введение гипотетического мирового эфира, на чем настаивал Гюйгенс, снимало необходимость введения огромного числа разновидностей световых корпускул (каждый цвет, по Ньютону, отвечает одному виду корпускул). Многообразие цветов волновая теория света объясняет тем, что световые волны различной длины соответствуют различным цветам. Так как в эфире скорости волн всех длин одинаковы, то мы видим только «суммарный» белый цвет. При прохождении света через иную среду, например через стекло, показатель преломления зависит от длины световой волны, поэтому происходит разложение света в спектр.

Имя Гюйгенса известно также в связи с открытым им принципом (принцип Гюйгенса), имеющим большое значение в понимании волновых процессов.

Соперничество между корпускулярной и волновой теорией света продолжалось еще долго и закончилось в пользу волновой теории в начале XIX в.- после того как английский врач Томас Юнг (1773 - 1829) и французский физик Огюстен Жан Френель (1788 - 1827) показали, что свет способен огибать препятствия, не делая четких теней, что противоречит корпускулярной теории, а достаточно малые препятствия вообще не отбрасывают никакой тени, что согласуется с волновой теорией. Однако вопрос о природе света и после этого еще нельзя было считать окончательно решенным - оставалась еще необходимость в признании «светоносного эфира», обладавшего несовместимыми качествами высокой разреженности и высокой упругости.

В последнем произведении Гюйгенса - «Космотеорос», опубликованном после его смерти и переведенном примерно через 20 лет после выхода в свет по указанию Петра I на русский язык, высказывается предположение о том, что во Вселенной имеется множество обитаемых миров.

Описание развития исследований в области естественных наук в XVIII в. мы начинаем с великого математика и физика, члена Петербургской Академии наук Леонарда Эйлера (1707 - 1783).

Заслуги Эйлера в создании современной науки могут быть сравнимы только с заслугами Ньютона. Весь аппарат классической механики, включая формулировки основных ньютоновских законов движения, мы изучаем, пользуясь эйлеровской трактовкой. Всего им было написано более 800 работ по различным разделам математики, механики, физики, астрономии и техники.

Леонард Эйлер родился в Базеле (Швейцария), в семье пастора, который и был его первым учителем математики. Образование получил в Базельском университете.

В 1727 г. по приглашению Екатерины I он приехал в Петербург и занял должность адъюнкта по высшей математике в только что учрежденной Петербургской Академии наук. В 1733 г. Эйлер становится академиком. Занимается преимущественно механикой. В 1729 - 1732 гг. им было написано около 30 статей по механике. В 1736 г. вышли в свет два тома его труда «Механика, или Наука о движении в аналитическом изложении». Эта работа явилась первым большим сочинением, где математический анализ был применен к науке о движении.

В 1741 г. Эйлер был вынужден покинуть Петербург и отправился по приглашению Фридриха II в Германию, где был назначен президентом Берлинской академии. Б Берлине в 1765 г. им была закончена вторая часть задуманного труда, которая вышла под названием «Теория движения тел твердых или жидких». В берлинский период Эйлером написаны трактаты по механике корабля («Морская наука», 1949), небесной механике и баллистике, капитальные труды по математике - «Введение в анализ» (два тома, 1748), «Дифференциальное исчисление» ;(два тома, 1755).

В 1766 г. после длительных переговоров Эйлер возвратился в Петербургскую Академию наук. Екатерина II писала по этому поводу: «...я уверена, что Академия возродится из пепла от такого важного приобретения, и я заранее поздравляю себя с тем, что возвратила России великого человека». Остальную часть своей жизни Эйлер прожил в России. Его страсть к науке была поразительной. В 1738 г. он потерял правый глаз в результате перенапряжения при работе над географическими картами России. В 1771 г. после удачной операции Эйлер раньше времени возвратился к чрезвычайно интенсивной работе, в результате чего почти совершенно ослеп, однако продолжал до конца своей жизни работать с прежним напряжением, диктуя свои работы ученикам. Во второй петербургский период Эйлером были написаны «Введение в алгебру» (два тома, 1770), «Диоптрика» (три тома, 1769), «Новая теория движения Луны» (1772), «Интегральное исчисление» (1782) и др. После смерти Эйлера около 250 статей остались ненапечатанными, и Петербургская академия наук публиковала их в своих «Известиях» в течение последующих 40 лет.

Вслед за математикой и физикой в XVIII в. получили мощный импульс к развитию и другие области естествознания, в первую очередь химия и биология. Прогресс биологии связан прежде всего с именем известного шведского естествоиспытателя натуралиста Карла Линнея (1707 - 1778). Линней родился в Швеции, в г. Рохульте, в семье небогатого священника. Изучал естественные и медицинские науки в университетах Лунда и Упсалы. Одним из учителей Линнея был известный шведский астроном и физик, предложивший свою температурную шкалу, Андерс Цельсий (1701 - 1744). В 1732 г. Линней совершил поездку по Лапландии, целью которой было ознакомление с растительным миром северной Скандинавии, а результатом - труд «Флора Лапландии». По возвращении из Лапландии Линней поселился в Голландии, в г. Гарткали, где получил вполне устроившее его предложение одного состоятельного цветовода-любителя взять иод свое руководство богатый ботанический сад. Годы работы в гарткальском ботаническом саду были для Линнея очень плодотворными. В Швецию Линней прибыл в 1738 г. известным врачом и ученым, автором ряда книг. Сначала по возвращении в Швецию Линней занимался медицинской практикой в Стокгольме, затем возглавил кафедру университета в Упсале, преподавал медицинские науки и естествознание. Линней был одним из организаторов и первым президентом Шведской академии наук, а также иностранным почетным членом Петербургской Академии наук. За заслуги в области науки Линней получил дворянское звание и переменил фамилию па фон Линне.

XVIII век отличен от других, в частности тем, что большое распространение в науке и культуре получил сбор коллекций и составление классификаций. Коллекционировались и классифицировались в первую очередь различные виды растений и животных, геологические объекты, литературные, художественные, исторические и другие произведения. Естественно, что при этом требовалась (по крайней мере, была очень желательной) определенная система классификации. Вероятно, мы не ошибемся, если скажем, что создание единой системы классификации было особенно необходимо и в то же время являлось особенно сложным делом для различных видов животных и растений, а также для геологических объектов.

Энергичный, обладавший систематизаторским складом ума, Линней предпринял попытку классифицировать животных, растения и минералы мира. Работа Линнея практически была завершением длительного этапа труда больвюго числа естествоиспытателей разных стран. Наиболее значительный успех был достигнут Линнеем и его многочисленными помощниками в области классификации растений. Было также много сделано по классификации животных. Меньше всего результатов было получено Линнеем в классификации минералов. Во всяком случае, нельзя сказать, что классификация минералов Линнея имеет такое же значение и получила столь широкое признание и распространение, как классификация животных и особенно классификация растений.

В основном произведении Линнея «Система природы», вышедшем при его жизни двенадцатью изданиями, была установлена определенная градация (соподчинение) между разновидностями растений и животных: класс, отряд (порядок), род, вид, вариация. Всех животных Линней разделил на 6 классов: млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, черви, насекомые. Человек фигурирует в этой классификации животного царства как представитель класса млекопитающих, отряда приматов (от латинского primatus - первое место, старшинство) (Человек современного вида (Homo sapiens,- человек разумный) появился на Земле не позднее 40 тыс. лет назад, а но некоторым данным - еще раньше.) .

Все растения были разделены Линнеем на 24 класса. В настоящее время известно около 500 тыс. видов живущих в нашу эпоху на Земле растений, которые делятся на низшие и высшие. Сам Линней описал около 1500 новых видов растений.

Большой заслугой Линнея считается введение им так называемой бинарной системы наименований растений и животных, т. е. такой системы, когда название животного или растения состоит из двух слов, одно из которых характеризует род животного (растения), а второе - вид, например Lepus europanes - заяц-русак.

Вероятно, не было и не может быть на свете ученого, даже самого крупного, который в чем-то не ошибался бы, в чем-то не испытывал сомнений, у Линнея были свои заблуждения. Он считал виды животных и растений неизменными, хотя в последний период своей жизни как будто бы начал проявлять в этом вопросе некоторые сомнения. Классификация Линнея кое-где была искусственной. Необходимо было ее дальнейшее совершенствование. Но кто бы мог потребовать от него большего?

Из других биологов XVIII - начала XIX в. мы остановимся кратко только на трудах французского естествоиспытателя Жана Батиста Ламарка (1744 - 1829).

Ламарк получил образование в Высшей медицинской школе в Париже, но наибольший интерес он проявлял к вопросам ботаники. Известность Ламарку принес трехтомный труд «Французская флора», вышедший из печати в 1778 г. Ламарк был избран членом Парижской академии наук, стал профессором зоологии. Он был сторонником Великой французской революции. Королевский ботанический сад по его предложению и по решению Конвента был в 1793 г. преобразован в Музей естественной истории, в котором Ламарк длительное время занимал кафедру низших животных. В возрасте около 76 лет Ламарк полностью ослеп. Тем не менее до конца своей жизни он продолжал активную научную деятельность.

Главная научная идея Ламарка была, можно сказать, противоположна взглядам Линнея: если Линней считал виды растений и животных неизменными, то Ламарк утверждал, что в мире растений и животных происходит непрерывная эволюция, причиной которой являются изменения окружающей их среды, в которую он включал климат, пищу и многое другое.

Известный русский естествоиспытатель-дарвинист К. Л. Тимирязев так пишет о Ламарке: «Из предшественников Дарвина должно упомянуть о Ламарке, не потому только, что никакая история, не только биологии, но и научной мысли вообще, не была бы полна без упоминания о его заслугах, но потому еще, что это учение за последние годы особенно охотно выдвигается вперед явными и тайными врагами дарвинизма, как нечто более глубокое и упраздняющее за ненадобностью учение Дарвина.

Широкий, свободный от религиозных предрассудков ум Ламарка не остановился перед разрешением указанной нами задачи во всей ее совокупности (К. Л. Тимирязев имеет в виду объяснение и доказательства не только того, что весь растительный и животный мир имеет некоторое сродство, некоторое единство и достиг современного его состояния в результате естественной эволюции, по также объяснение и доказательства того, почему растительный и животный мир достиг именно того состояния (не в точности, конечно), в котором он в данное время находится (т. е. как объяснить естественную гармонию со средой этого состояния).- Примеч. авт.).) К сожалению, смелость замысла не соответствовала успеху осуществления, и причиной тому был, конечно, не недостаток сведений, так как Ламарк совмещал в себе почти все современные ему знания в области ботаники и зоологии, а именно отсутствие той творческой мысли, которая внезапно озаряет новым лучом света уже известную обширную область накопившихся фактов (К. Л. Тимирязев имеет в виду прежде всего под отсутствующей творческой мыслью важнейший фактор эволюции - естественный отбор,- Примеч. авт. ). По отношению к факту отсутствия переходов между современными видами и т. д. (тому, что мы называли мозаичиостыо общей картины органического мира) Ламарк ограничился указанием на искусственность всех классификационных единиц и выражением надежды, что, может быть, переходы найдутся где-нибудь в малоисследованных частях земного шара. Первая мысль, т. е. что все группы: виды, роды, семейства и т. д.- только искусственные создания человеческого ума, плохо вязалась с основной идеей и несомненным фактом естественной системы, выражающей не наилучшее только изобретение ума, а нечто реально существующее, помимо его желания налагаемое на него извне самою действительностью. Что же касается надежды найти связующие формы, затаившиеся где-то в неисследованных уголках земли, то она, конечно, была совершенно голословной. Л в итоге частный вопрос о наличности обособленных видовых форм оставался неразрешенным. Не более успешно (хотя в известном, ограниченном смысле и более плодотворно) было воззрение Ламарка на свойство того процесса, результатом которого являлась главная особенность организмов - их изумительное совершенство, их гармония с условиями существования» (Цит. по: Таннери П. Исторический очерк развития естествознания в Европе (1300-1900 гг.). М.; Л., 1934, с. 274. ).

Пожалуй, несколько более просто приблизительно те же мысли К. А. Тимирязева можно изложить следующим образом.

Ламарк исходил из того, что растительные и животные организмы - весь живой мир на Земле находится в состоянии эволюции. Причиной эволюции является изменение условий жизни, окружающей среды. Изменения, происходящие во внешней среде (в климате, пище, почве, тепле, свете и т. д.), вызывают, по Ламарку, у организмов наследственные изменения. Из поколения в поколение эти изменения накапливаются - образуются новые формы живых существ. Процесс изменения растений и животных под действием окружающей среды, по Ламарку, различен. Растения под действием внешней среды претерпевают непосредственные изменения. Так, например, традесканция - один из сортов многолетних трав - сильно изменяет вид листьев и стебля в зависимости от того, растет ли она на сухом месте или в болоте под слоем воды.

У животных организмов процесс изменения под влиянием окружающей среды происходит, по Ламарку, иным образом. Изменяется поведение, привычки животных. Нагрузка на некоторые органы животных увеличивается, а отдельным органам приходится даже выполнять новью для них функции. Деятельность других органов, наоборот, ослабляется. В результате усиленного действия некоторых органов животного они развиваются и даже изменяются. Малофункционирующие или лишенные деятельности органы, наоборот, уменьшаются и даже могут атрофироваться. Например, у водяных птиц, которые много плавают, между пальцами образуются перепонки. Кроты проводят большую часть жизни под землей, в темноте, и поэтому глаза у них не развиты.

Ламарк считал, как уже сказано, что такие, приобретенные непосредственно под влиянием внешней среды, изменения являются наследственными и служат причиной образования новых видов. Но передача но наследству приобретенных таким образом изменений ни Ламарком, ни кем-либо из его последователей доказана не была. Поэтому взгляды Ламарка о том, как происходит эволюция растительного и животного мира, являются необоснованными.

Кроме того, и это также очень важно, во взглядах Ламарка на эволюцию растительного и животного мира отсутствует понятие естественного отбора, которое по современным научным представлениям является важнейшим. Только изменчивость организмов (наследственная изменчивость - мутации) в сочетании с естественным отбором может привести к эволюции, в результате которой возникают новые виды, приспособленные к условиям их существования. Об этом будет сказано в следующей главе, когда речь пойдет о великом учении Дарвина, о дарвинизме.

Необходимо еще раз отметить, что Ламарк был пионером эволюционного учения. В этом его большая заслуга перед наукой.

Вторая половина XVIII в., когда жил один из основоположников химии, французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743 - 1794), относится ко времени становления химии как самостоятельной теоретической науки и важной области практической деятельности. К началу XVIII в. были накоплены обширные знания свойств и превращений различных веществ. Большое значение имел быстрый рост горнорудной и собственно химической промышленности - красильного производства, гончарного дела, обработки кож, изготовления спиртных напитков и других ее отраслей.

Лавуазье родился в Париже, в семье прокурора парижского парламента и богатого коммерсанта. В 1761 г., в возрасте восемнадцати лет, он окончил колледж Мазарини - среднее учебное заведение, в котором учились дети аристократов. Лавуазье получил высшее образование в Парижском университете, юридический факультет которого окончил в 1763 г. Одновременно он изучал физику, химию и другие естественные науки. Далее жизнь Лавуазье протекала, так сказать, одновременно по двум руслам. С одной стороны, усиленные занятия химией и другими естественными науками, блестящие открытия, увековечившие его имя, избрание в Парижскую академию наук. С другой стороны, участие в Компании откупов (Откуп - исключительное право, предоставлявшееся феодальным государством за плату откупщикам (компаниям откупщиков) на сбор некоторых налогов, монопольную продажу некоторых товаров. ), что принесло Лавуазье много денег, но в 1794 г. вместе с другими откупщиками привело на гильотину.

Одним из главных вопросов, занимавших Лавуазье, была проблема горения. Доминирующей точкой зрения па существо процесса горения к тому времени оставалась теория флогистона. Согласно этой теории, все тела, могущие гореть, содержат некоторое вещество или, лучше сказать, субстанцию (Субстанция, (лат. subslanlia - сущность, то, что лежит в основе) - объективная реальность, то, что существует само по себе; так называли, например, теплород, флогистон.) , которую они утрачивают при горении. Этой субстанции дали наименование флогистона (греч. phlogislos - воспламеняемый, горючий) . По этой теории хорошо горят тс тела, которые содержат много флогистона. И наоборот, тела, содержащие мало флогистона, должны гореть плохо. Тела, имеющие много флогистона, могут передавать его телам с малым количеством флогистона, т. е. могут осуществляться процессы дефлогистации и флогистации (которые мы сегодня, с позиций современной теории горения, назвали бы соответственно процессами окисления и восстановления).

Для того чтобы показать, в чем действительно состоит процесс горения, Лавуазье должен был проделать большое число опытов, основанных (это было для пего всегда характерно) па точных измерениях. Еще до Лавуазье было проведено немало работ, содействующих правильному пониманию существа процесса горения. Английский химик Джозеф Пристли (1733 - 1804), шведские химики Карл Шееле (1742 - 1768) и Торберн Бергман показали, что воздух имеет сложный состав. Тот же Пристли и другой известный английский физик и химик, Генри Кавендиш (1731 - 1810), именем которого названа научно-исследовательская лаборатория Кембриджского университета, исследовали различные газы, в том числе компоненты воздуха. В 1774 г. великий русский ученый М. В. Ломоносов путем точных опытов, основанных на взвешивании, установил принцип сохранения вещества, имеющий огромное значение, в частности для изучения процесса горения.

Лавуазье не был знаком со многими из ранее проделанных работ, и многое ему пришлось делать самостоятельно, заново. Все его опыты имели количественный, систематический характер. Лавуазье посредством прямого эксперимента доказал, что горение есть не что иное, как соединение сгорающих веществ с кислородом - одним из газов, составляющих воздух. Он произвел сжигание алмаза (С) в среде чистого кислорода (О2) с получением двуокиси углерода (С02), а также большое число других опытов, раскрывающих сущность процесса горения.

Лавуазье показал, что все химические превращения одних (исходных) веществ в другие (продукты процессов) сводятся к изменению сочетаний элементов, т. е. веществ, далее не разделяемых химическим путем (Современное определение химического элемента таково: совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра ). К уже известным элементам (углероду, сере, фосфору, металлам) он присоединил новые: кислород, водород и азот.

Следует, пожалуй, заметить, что, говоря о составе сложных химических веществ, предложенном Лавуазье, более точно пользоваться наименованием простые вещества вместо применяемого теперь термина «элементы». Дело заключается в том, что Лавуазье считал (как и другие ученые того времени) химически неделимыми некоторые вещества (например, свободные сложные химические радикалы - сложные частицы, обладающие неспаренными электронами), которые в дальнейшем удалось химически разделить.

Химические соединения были разделены в своем больпшнстве на три группы: кислоты, основания и соли (Современные определения кислот, оснований и солей следующие: кислоты - химические соединения, которым в водном растворе свойственна диссоциация с образованием положительных ионов водорода (Н+, точнее, Н3О+); основания - химические соединения, характеризующиеся диссоциацией в водном растворе с образованием иона ОН-; основания, растворимые в воде, называются щелочами; соли - класс химических соединений, обычно кристаллического строения, ионной структуры.) . Есть некоторое, вероятно чисто внешнее, сходство между тем, что проделал Лавуазье в химической классификации веществ и терминологии, и тем, что было сделано Линнеем в биологии.

Лавуазье определил сущность процессов дыхания и пищеварения. В результате проведенных им опытов было показано, что в организме происходит процесс, аналогичный обычному процессу горения. При этом «горючим веществом» служит пища, а кислород поступает в организм из воздуха при дыхании. В результате этих опытов и их обобщения был составлен общий химический баланс организма.

Лавуазье вместе с уже упоминавшимся известным французским ученым Лапласом были проделаны опыты по определению скрытых теплот (Скрытая теплота, или, как теперь чаще говорят, теплота фа-зового перехода, есть количество тепла, которое необходимо подвести (отвести) для равновесного перехода единицы массы вещества из одной фазы в другую, например при испарении или конденсации, плавлении или замерзании, возгонке или переходе пара непосредственно в твердое тело. ), а также теплот горения различных веществ. Этими опытами были положены начала термохимии - весьма важной для практики науки, изучающей тепловые явления, сопровождающие химические реакции. Лавуазье и Лаплас создали так называемый ледяной калориметр - прибор, позволяющий измерять количество тепла (это назначение калориметра любого типа, любой конструкции) путем измерения количества воды, образовавшейся в результате таяния льда при известной величине его скрытой теплоты таяния.

Совместно с французским инженером Ж. Мёнье Лавуазье установил, что вода представляет собой соединение кислорода и водорода. Со всеми возможными предосторожностями (учитывая взрывной характер реакции) Лавуазье произвел синтез воды из этих двух газов. Одновременно с Лавуазье и независимо от него синтез воды из кислорода и водорода был проведен Кавендишем.

Отнюдь не претендуя на то, что нами перечислены все достижения Лавуазье в области химии, мы хотим сделать только одно важное дополнение к сказанному. Лавуазье является автором опубликованного в 1789 г. «Начального учебника химии» - вероятно, первой систематической книги такого рода.

Важный шаг в развитии химии вслед за Лавуазье был сделан известным английским химиком, физиком и метеорологом Джоном Дальтоном (1766 - 1844). Нам представляется более удобным рассказать о научных исследованиях Дальтона в настоящей главе (Конечно, нельзя представлять себе дело так, что рядом с Лавуазье и Дальтоном не было других выдающихся ученых. Совсем нет, дело обстояло как раз наоборот, такие ученые были, и мы о них кое-что рассказали и еще расскажем. Но необходимо считаться с объемом книги.) .

Дальтон родился в бедной семье ткача-квакера (Квакеры - члены религиозной христианской общины, основанной в Англии в середине XVII в.; квакеры отрицают институт священников, проповедуют пацифизм.) . Он учился в сельской школе, много занимался самообразованием и уже приблизительно в пятнадцатилетнем возрасте стал преподавателем в той же школе, где ранее учился. Знакомство с любителем-метеорологом Робинсоном увлекло Дальтона с ранних лет метеорологией (это увлечение сохранилось у Дальтона на всю жизнь) и пробудило в нем интерес к конструированию различных приборов. Осенью 1781 г. Дальтон - учитель в школе г. Кендала, а через 4 года - директор школы. В Кендале Дальтон проработал около 12 лет. За это время, помимо занятии в школе, он много времени отдавал метеорологии, усиленно изучал математику, читал публичные лекции, выступал с научными статьями. Его имя становилось все более известным. В 1793 г. Дальтон переехал в г. Манчестер, стал преподавать в колледже и давать частные уроки. Вскоре его избрали секретарем, а затем председателем Манчестерского литературного и философского общества. Его научные интересы становились все шире. В 1816 г. Дальтона избрали членом-корреспондентом Французской академии наук и только в 1822 г.- членом Королевского общества.

Научные заслуги Дальтона очень велики, но предпочтение, наверное, надо отдать его работам в области исследования газов и особенно развитию атомистических представлений в химии.

Дальтона заинтересовал такой вопрос: если в каком-либо сосуде имеется смесь различных, химически не реагирующих между собой газов, то каково будет парциальное давление (Парциальное давление - это давдешае одного из газов, составляющих смесь. ) каждого из газов, входящих в смесь? Будет ли давление смеси газов равно сумме парциальных давлений всех газов, входящих в смесь? Такой вопрос проще всего решить с помощью опыта. Можно, например, произвести такой опыт (рис. 11): взять два равных по объему сосуда, соединенных между собой трубкой с краном. В правом сосуде вместо дна имеется подвижный поршень. В первом (см. рис. 11, а) положении системы сосуды разъединены краном (кран закрыт).

Рис. 11. Схема опыта Дальтона
Рис. 11. Схема опыта Дальтона

Сосуды заполнены газами А и В (например, кислородом и азотом), давления которых одинаковы (температуры тоже).

Затем с помощью поршня к крана газ В перепускается в левый сосуд, в котором теперь находится смесь двух газов, А и В, при той же температуре (см. рис. 11, б). Из опыта следует, что давление смеси газов А + В, рА+в, оказалось равным сумме давлений газов А и В, рА и рв до начала опыта, т. е. в данном случае, удвоилось:

PA+B=PA+PB

Подобного рода очень простые по смыслу опыты дали возможность Дальтону открыть закон, носящий теперь его имя: давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных давлений. Эти же опыты позволили дать более простое определение парциального давления - как давления, которое имел бы входящий в смесь газ, если бы один занимал весь объем смеси. Другими словами, поведение газа в объеме, заполненном смесью, не зависит от присутствия других газов. Все это убеждало Дальтона в корпускулярном строении газа.

Большое значение имеют исследования Дальтона в утверждении атомных представлений в химии. Дальтон исходил из того, что атомы являются мельчайшими, далее неделимыми частицами вещества, но атомы разных элементов имеют различную массу. Он считал также, что атомы разных элементов могут соединяться между собой только в простых соотношениях. Поэтому если условно принять массу атома легчайшего из элементов (водорода) за единицу, то можно определить относительные массы (относительно водорода) атомов других элементов. Дальтон полагал, что один элемент может соединяться с другим в различных весовых соотношениях. Но и в этом случае соотношения весов элементов, образующих соединения, также будут выражаться отношением целых чисел. Сложное тело, по Дальтону, состоит из молекул, в состав каждой из которых входит определенное число атомов соответствующих элементов. Таким образом, Дальтон ввел понятие атомный вес, установил один из основных законов химии - закон, кратных отношений (Закон кратных отношений утверждает, что если два элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие. ).

Следует иметь в виду, что в этот период, когда устанавливались основные атомные представления в химии, было немало различных точек зрения по некоторым вопросам, пемало споров, в результате которых образовывалось общее мнение. Поэтому (как и в большинстве случаев в науке), создание атомных представлений в химии нельзя приписать одному лицу. Огромная роль в этом деле принадлежит также итальянскому физику и химику Амедео Авогадро (1776 - 1856), установившему, что в равных объемах разных (идеальных) газов при одинаковых давлениях и температурах находится равное число молекул (это положение именуется законом Авогадро); французскому химику, основателю учения о химическом равновесии Клоду Луи Бертолле (1748 - 822); шведскому химику и минералогу, иностранному почетному чле-пу Петербургской Академии наук, составившему таблицу атомных масс (весов) элементов, Пенсу Якобу Верцелиусу (1779 - 1848); французскому химику и физику, иностранному почетному члену Петербургской Академии наук, открывшему новые химические элементы (хлор, йод, калий, натрий) и новые газовые законы, носящие его имя, Жозефу Луи Гей-Люссаку (1778 - 1850) и многим другим ученым. В результате утверждения атомных представлений в химии была разработана стехиометрия (от греч. stoicheion - первоначало) - учение о количественных соотношениях между массами веществ, участвующих в реакции, основа для написания химических уравнений. В наше время со стехиометрией знакомы ученики старших классов средних школ (умеют «считать атомы» в уравнениях химических реакций).

Рассказ о научных работах Дальтона мы закончим ссылкой на исследование им одного дефекта зрения, заключающегося в том, что люди, обладающие этой болезнью глаз, плохо различают некоторые цвета, чаще всего красный и зеленый, и чаще этим дефектом страдают мужчины. Дальтон способствовал установлению причины этой болезни, названной позднее дальтонизмом. Причина как будто бы состоит в отсутствии в сетчатке глаза колбочек одного или нескольких типов. Дальтон и особенно его брат Джонатан страдали этой болезнью.

XVIII в.- век проявления большого интереса к электричеству. Под электричеством теперь понимается совокупность явлений, в которых проявляется взаимодействие заряженных частиц. Электричество является в настоящее время одним из главных разделов физики и основой важной отрасли производства - электротехники. По этим вопросам ниже будет сказано достаточно полно.

В учении об электричестве особенно выделяются два имени: Майкла Фарадея и Джеймса Максвелла, деятельность которых относится к XIX в., ей в следующей главе будет уделено должное внимание.

Как известно, учение об электричестве имеет длительную историю. Уже в Древней Греции знали, что если натереть поверхность янтаря мехом или шерстью, то он будет притягивать к себе легкие предметы, например небольшие кусочки соломы и сена, перья и т. п. Собственно говоря, из этого опыта возникло само слово электричество: electron - по гречески янтарь. Было установлено также, что янтарь можно заменить сургучом - ничто не изменится, эффект сохранится. Было также замечено, что если натертую шерстяной тканью сургучную палочку сблизить со стеклянной палочкой, натертой шелковой тканью, то между ними возникнет сила притяжения и проскочит искра. Наоборот, если сблизить между собой две одинаковые палочки (сургучные, натертые шерстяной тканью, или стеклянные, натертые шелковой тканью), то возникнут силы отталкивания (рис. 12). Было даже высказано предположение, что существует два вида электричества: смоляное электричество, собирающееся па сургучной палочке, и стеклянное электричество, накапливающееся па стеклянной палочке.

Рис. 12. Опыты, показывающие притяжение электрических зарядов с разными знаками и отталкивание зарядов одного и того же знака
Рис. 12. Опыты, показывающие притяжение электрических зарядов с разными знаками и отталкивание зарядов одного и того же знака

XVIII век является временем подъема работ в области электричества. Известный американский просветитель, ученый и государственный деятель Бенджамин Франклин (1706 - 1790), будучи человеком образованным и деятельным, заинтересовался электричеством. Он дал объяснение действия лейденской банки (Лейденская банка - первый тип электрического конденсатора; представляет собой стеклянную банку, оклеенную внутри и снаружи металлической (оловянной) лентой; для ее зарядки нужно металлическую ленту, размещенную внутри банки, соединить с одним из полюсов электрической батареи (машины), а внешнюю металлическую ленту и другой полюс батареи - с землей. )и изобрел громоотвод, который испытал в 1753 г.

Французский физик, член Парижской академии наук Шарль Огюстен Кулон (1736 - 1806) родился на юго-западе Франции в г. Ангулеме. Военный инженер, он около 9 лет работал на острове Мартиника в инженерных войсках. После возвращения во Францию Кулон занялся наукой. Вероятно, главным его изобретением были крутильные весы - высокочувствительный прибор, весьма подходящий для измерения малых сил. Основной принцип крутильных весов заключается в том, чтобы заставить измеряемую силу скручивать тонкую упругую нить (струну) и по фиксируемой величине скручивания нити определять силу. Этот принцип и теперь используется во многих точных приборах. Его важное преимущество - отсутствие внешнего трения.

С помощью крутильных весов Кулон установил один из основных законов электростатики, названный его именем:

F=k е1е2 ,
r2

где F - сила взаимодействия в вакууме между точечными зарядами e1 и е2, r - расстояние между зарядами, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от размерности величин, входящих в уравнение закона. Когда знаки зарядов е1 и е2 одинаковы (т. е. мы имеем дело, так сказать, с электрическими зарядами одного типа), сила F будет силой отталкивания. В случае же разных знаков зарядов, сила F - сила притяжения. Не трудно заметить, что уравнение закона Кулона по внешнему виду похоже на уравнение закона всемирного тяготения Ньютона, с той, однако, разницей по существу дела, что природа сил различна, массы тел в противоположность электрическим зарядам всегда имеют одинаковый, положительный, знак, а сила - всегда сила притяжения.

В честь Кулона единица количества электричества (электрического заряда), названа его именем - заряд, переносимый через поперечное сечение проводника в течение 1 с при силе тока, равной 1 А.

Кулоном было доказано, что электрические заряды всегда располагаются на поверхности проводника; он показал, что открытый им закон справедлив не только для электрических зарядов, но и для магнитных полюсов. Работы Кулона явились, можно сказать, теоретической основой последующего развития электро- и магнитостатики.

Известны также работы Кулона в области механики, трения (преимущественно сухого, т. е. без смазки) и по ряду других направлений.

В конце XVIII - первой половине XIX в. работала целая группа выдающихся ученых, которые достигли многого в дальнейшем изучении электромагнитных явлений и создали основу для глубокого прорыва в этой области, совершенного Фарадеем и Максвеллом.

Итальянский ученый-физиолог Луиджи Галъвани (1737 - 1798) также является одним из основателей учения об электричестве. Он родился в г. Болонье, в университете этого города получил образование. Преподавал в том же университете медицинские дисциплины. Много внимания уделял сравнительной анатомии и так называемому животному электричеству. Конец жизни Гальвани был омрачен преследованиями со стороны Наполеона (Бонапарта). Дело заключалось в том, что Бонапарт захотел образовать в Северной Италии Цизальпинскую республику, в которую должен был войти и г. Болонья. Гальвани был уважаемым человеком в Болонье. Он отказался принести присягу новому правительству. Это было причиной последовавших для него трудностей, в частности он был отстранен от руководства кафедрой университета, которой ведал тридцать семь лет.

Главное событие в научной жизни Гальвани произошло в 1790 г., когда он производил свои ставшие знаменитыми опыты с лягушками. Дело, судя по всему, произошло так. Гальвани коснулся металлической пластинкой перва только что убитой лягушки. В то же время пластинкой, сделанной из другого металла, он коснулся бедра этой лягушки. Когда две пластинки были приведены в соприкосновение между собой, было замечено конвульсивное сокращение мускулов лягушки.

Описанный опыт, проведенный Гальвани, имел большое значение. Но ни самому Гальвани, ни его современнику Вольте правильного объяснения опыта дать не удалось.

Так как научная деятельность Гальвани и Вольты часто соприкасалась (главным образом в форме дискуссий), то описание их творческого пути удобнее вести совместно.

Итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта (1745 - 1827) родился на севере Италии, в Ломбардии, в небольшом городке Комо. Его родители хотели, чтобы Алессандро стал священником, и определили его в школу ордена иезуитов. Но, учась в этой школе, Вольта много внимания проявлял к естественным наукам. В 1774- 1779 гг. он преподаватель физики в школе г. Комо, а с 1779 г. началась его профессорская деятельность в университетах Павии и Падуи. Больше всего Вольту интересовали электричество, химия и физиология. Вольта обладал даром первоклассного лектора. Как свидетельствуют исторические данные, на многие его лекции приезжали студенты не только из других городов Италии, по и из других стран.

Когда Вольта узнал об описанном выше опыте Гальвани, это его очень заинтересовало. Он немедленно повторил опыт, с тем же, что и у Гальвани, результатом: лапки умерщвленной лягушки двигались. Первоначально Гальвани и Вольта дали опыту одинаковое объяснение - рассматривали его как проявление «животного электричества».

Точка зрения Гальвани на существо «животного электричества» была приблизительно такой. Он считал, что существует особая, невесомая нервная жидкость. Электричество, или нервная жидкость, по Гальвани, вырабатывается в мозге и затем по нервам передается в волокна мускулов, подобных лейденским байкам. Металлические пластины всего лишь играют роль электрических проводников.

Однако, проделав многочисленные эксперименты, Вольта вскоре пришел к совершенно другой точке зрения по поводу опыта Гальвани. Вольта пришел к заключению, что возникновение электричества вовсе не было связано с организмом животного, в данном случае лягушки, а полностью определялось наличием в цепи двух различных металлов. В 1795 г. Вольта показал, что если взять две пластинки, сделанные из разных металлов (например, из меди и цинка), и разделить их слоем серной кислоты (или поместить между ними кусок картона, пропитанного серной кислотой), то такое простейшее устройство будет представлять собой источник тока, названный по настоянию Вольты в честь Гальвани гальваническим элементом. Следовательно, как это и присуще любому источнику тока, если к каждой из пластинок прикрепить металлические проволочки и соединить эти проволочки между собой (т. е. замкнуть внешнюю цепь), то возникнет электрический ток. Гальванические элементы вскоре нашли широкое распространение в лабораториях, будучи недорогими и более удобными, чем лейденские банки, требующие зарядки практически после каждого применения.

Ну, а как же решился спор между Гальвани и Вольтой, каково правильное объяснение опыта Гальвани?

Как уже выше сказано, ни один из этих двух замечательных ученых не дал правильного объяснения опыту Гальвани. Действительно, в опыте Гальвани организм животного отношения к делу не имеет. Но и объяснение Вольты является также неправильным (во всяком случае, далеко не полным). Дело в том, что гальванический элемент есть устройство, преобразующее химическую энергию в энергию электрическую, и для его функционирования требуются два электрода (положительный и отрицательный, две металлические или угольные пластинки) и электролит (в данном случае серная кислота). Процесс же собственно возникновения электричества (электрических зарядов) протекает вовсе не в месте стыка металлов, а па поверхностях разделов электродов с электролитом.

Кроме того, Вольта отрицал существование животного электричества. Но еще Гальвани, поставив новую серию опытов, показал в 1794 г., что мышцы препарированной лягушки сокращаются без прикосновения металла. Он сумел доказать, что в организме имеется электричество. Сегодня это пи у кого не вызывает сомнения, это широко используется в медицинской практике.

Вольте принадлежит важное изобретение, именуемое вольтовым столбом. Собственно говоря, вольтов столб представляет собой не что иное, как комбинацию гальванических элементов. Устраивается вольтов столб следующим образом. Берется равное количество медных и цинковых кружков (пластин), которые располагаются последовательно друг за другом: медный кружок - цинковый кружок - медный кружок и т. д. После каждого цинкового кружка помещается суконный кружок, смоченный серной кислотой. Как видно, вольтов столб представляет собой ряд последовательно соединенных гальванических элементов. Чем больше число медных и цинковых кружков (т. е. чем больше число последовательно соединенных гальванических элементов), тем выше напряжение вольтова столба, тем больший ток можно получить от него. Вольтов столб также нашел очень широкое практическое применение.

Известный русский физик, один из первых русских электротехников, член Петербургской академии наук Василий Владимирович Петров (1761 - 1834) создал в 1802 г. вольтов столб, состоящий из 2100 элементарных гальванических элементов и дающий электродвижущую силу около 1700 В. В книге Петрова «Известие о гальвани-вольтовских опытах», изданной в 1803 г., дается глубокое изложение электрических явлений, в том числе и его собственных исследований. Петров был весьма разносторонним ученым, занимался математикой, физикой, химией, метеорологией. Но, вероятно, наиболее крупным достижением Петрова было открытие им в 1802 г. электрической дуги (часто именуемой вольтовой дугой, видимо в связи с тем, что вольтов столб был первым источником тока, с помощью которого была обнаружена электрическая дуга) - особого вида электрического разряда через газ. Электрическая дуга может быть получена различными способами. Можно, например, два куска угля присоединить к противоположным электродам источника тока (допустим, вольтова столба), привести эти угли в соприкосновение между собой и затем раздвинуть их па небольшое расстояние. Если источник тока достаточно мощный, то концы углей раскаляются и постепенно начинают испаряться, между концами углей образуется ярко светящаяся электрическая дуга. Может быть достигнута очень высокая температура дуги - выше температуры поверхности Солнца, составляющей около 6000 К. Электрическая дуга может быть образована не только между углями, но и между металлами. Петров предвидел широкое практическое использование электрических дуг, и его предположения оправдались. В настоящее время электрические дуги используются, например, в электросварке, в электропечах для выплавки высококачественных металлов, в некоторых осветительных приборах.

Известный английский химик и физик, член Лондонского королевского общества (президент с 1820 г.), иностранный почетный член Петербургской Академии наук Гемфри Дэви (1778 - 1829) был ученым разносторонним, являлся одним из основателей электрохимии. Один из самых мощных в то время вольтовых столбов, которым располагал Дэви в Лондонском королевском обществе, позволил ему воздействовать электрически на поташ (содержащий в своем составе калий) и соду (содержащую натрий), разложить их и выделить металлические калий и натрий. Несколько позднее Дэви также электрическим путем получил амальгамы (от лат. amalgama - сплав) - сплав ртути с другими металлами - кальция, стронция, бария и магния. В 1815 г. Дэви сконструировал безопасную рудничную лампу с металлической сеткой. В книге Дэви «Начала химической философии» (1812) описываются опыты, связанные с получением электрической дуги, открытой, как о том уже сказано, Петровым в 1802 г.

Возвращаясь снова к работам Вольты, следует отметить, что им проведен широкий круг исследований, касающихся воздействия электричества на организмы животных. В этих опытах речь шла не о «животном электричестве», а о влиянии на организмы животных электричества, подведенного к ним извне. Вольта изучал возбудимость нервов животных, их мышц, желудка и кишечника, раздражимость вкусовых органов, зрения и слуха. Его работы имели значение для физиологии.

Вольта сконструировал ряд электротехнических приборов: конденсатор - устройство для накапливания электрических зарядов; электрофор - простейшая электрическая машина для производства электрических зарядов; электрометр - прибор для измерения электрического напряжения (потенциала); электроскоп - прибор, дающий возможность определить, имеет ли тело электрический заряд (обычно по углу расхождения легких листочков судят о величине заряда) (рис. 13). Впоследствии именем Вольты были названы: единица электрического напряжения (вольт) и прибор для измерения электрического напряжения (электродвижущей силы, эдс.) (вольтметр).

Рис. 13. Электроскоп
Рис. 13. Электроскоп

Далее события развивались еще быстрее. Большой вклад был сделан известным датским физиком, иностранным почетным членом Петербургской Академии наук Хансом Кристианом Эрстедом (1777 - 1851), показавшим связь между электричеством и магнетизмом. Эрстед родился в семье аптекаря в г. Кудкёбинге, на датском острове Лангеланн. Окончив Копенгагенский университет, он затем вел педагогическую работу, с 1806 г. стал профессором университета, в котором ранее учился. То, что Эрстед был высокоталантливым человеком, видно из его крупных научных достижений, о которых будет кратко рассказано, но он, кроме того, был первоклассным лектором, умел ясно и увлекательно отвечать на разные вопросы, особенно касающиеся науки. Он организовал Общество для распространения естествознания и активно в нем участвовал.

Как и многие ученые того времени, Эрстед проявлял интерес к различным направлениям науки. Но славу ему принесла физика, точнее сказать, электромагнетизм.

Как утверждают многие историки науки, самый главный физический опыт Эрстеда явился в значительной мере случайным (Бернал Дж. Наука в истории общества, с. 339. ). Дело обстояло как будто бы таким образом. Эрстед собирался читать лекцию, в ходе которой предполагал показать, что электрический провод накаливается, если он замкнут на электроды батареи, а протекающий по нему ток достаточно велик (т. е. провод должен быть в меру тонким). Это явление (накаливание провода при протекании по нему тока) считалось необычным. На демонстрационном столе находились электрическая батарея и кусок провода, а также, видимо случайно, обычная магнитная стрелка, как всегда, с северным и южным полюсами. Когда электроды батареи были замкнуты электрическим проводом, магнитная стрелка, оказавшаяся вблизи провода, пришла в движение. Сказанное проще всего представить, посмотрев на рисунок, изображающий схему опыта Эрстеда, До того, как электроды батареи были замкнуты проводом, изображенным на рис. 14 в виде кольца, магнитная стрелка находилась в положении, показанном пунктиром (т. е. в одной плоскости с кольцом). Когда электрическая цепь была замкнута, стрелка заняла положение, изображенное на рисунке сплошной линией, перпендикулярно плоскости кольца.

Рис. 14. Опыт Эрстеда
Рис. 14. Опыт Эрстеда

Опыт Эрстеда имел огромное значение для дальнейшего развития физики. Было доказано, что электричество и магнетизм взаимосвязаны. Весьма важная роль принадлежала последующим исследованиям французского ученого Андре Ампера (1775 - 1836), построившего первую теорию (гипотезу) магнетизма, основу которой составляло представление о магнитных взаимодействиях как взаимодействиях круговых электрических токов, другими словами, практически сведшего магнетизм к электродинамике; немецкого математика и физика Карла Гаусса (1777 - 1855), с именем которого связаны новые представления в теории электричества и магнетизма и именем которого названа единица магнитной индукции - гаусс; немецкого физика Георга Ома (1787 - 1854), установившего носящий его имя закон, связывающий значения трех величин - разности потенциалов на концах рассматриваемого участка цепи, его электрического сопротивления и силы тока (С именем Ома связано также наименование единицы электрического сонротинления - Ом. ).

Развитие теории электричества и магнетизма будет рассмотрено в следующей главе. Сейчас, помимо сказанного, необходимо заметить только следующее. Опыт Эрстеда представляет очень большой интерес еще с одной точки зрения. Как помнит читатель, силы притяжения всемирного тяготения так же, как и силы притяжения или отталкивания электростатики и магнетизма, подчиняющиеся закону Кулона, всегда направлены вдоль воображаемой линии, соединяющей взаимодействующие тела. В опыте Эрстеда, как раз наоборот, сила, действующая на магнитную стрелку (когда электрический контур замкнут), направлена перпендикулярно движению тока по кольцевому проводу. Как сказали бы во времена Эрстеда, сила, действующая па магнитную стрелку, перпендикулярна направлению движения электрической жидкости.

Сначала па эту сторону опыта Эрстеда не было обращено должного внимания, по во второй половине XIX в. опыт Эрстеда вместе с другими не менее важными открытиями привел к заключению, что невозможно с механической точки зрения объяснить все наблюдаемые в природе явления.

Французский астроном, математик и физик, член Парижской академии наук и иностранный почетный член Петербургской Академии наук Пьер Симон Лаплас (1749 - 1827) был разносторонним ученым. Он родился в семье мелкого фермера в г. Бомон-ап-Ож (Нормандия). В том же городе Лаплас окончил школу и в возрасте 17 лет приехал в Париж. Через некоторое время он получил место профессора Военной школы, в чем немалую помощь ему оказал известный французский математик, механик и философ-просветитель Жан, Лерон Д'Аламбер. Лаплас принял активное участие в организации Нормальной и Политехнической школ в Париже, имевших большое значение в системе образования Франции, вел преподавательскую работу в Нормальной школе, а в 1790 г. был назначен председателем Палаты мер и весов, вводившей в это время метрическую систему.

Лаплас участвовал в политической жизни Франции, но, будучи большим честолюбцем, проявил на этом поприще беспринципность и неустойчивость. В начале своей политической деятельности оп был активным республиканцем, но после прихода к власти Наполеона примкнул к нему и даже некоторое время занимал пост министра внутренних дел, а затем был назначен Наполеоном в сенат, ему был присвоен титул графа и оказаны всяческие другие почести. Однако в 1814 г. Лаплас превратился в противника Наполеона, а в 1817 г. был возведен Людовиком XVIII в звание маркиза и пэра Франции.

Большая работа была проделана Лапласом в области математики. В его книге «Аналитическая теория вероятностей» (1812) было рассмотрено так называемое преобразование Лапласа, с помощью которого функция действительного переменного переводится в функцию комплексного переменного, т. е. такого переменного, которое состоит из суммы действительного числа и произведения действительного числа на так называемую мнимую единицу (число, квадрат которого равен - 1) (Комплексное переменное: x + i y, где х и у - действительные числа, a i - мнимая единица.). Преобразование Лапласа выражается интегралом Лапласа (Интеграл Лапласа


где р - комплексное переменное. )

Мы не будем здесь больше останавливаться на сложном, специальном вопросе - преобразовании Лапласа. Просим читателей, недостаточно знакомых с высшей математикой, не огорчаться по поводу того, что сказанное выше о преобразовании Лапласа, да еще в таком сверхкратком и поэтому поверхностном изложении, могло остаться недостаточно понятым.

Следует заметить, что интегралы такого типа значительно раньше применялись петербургским академиком Эйлером, которого Лаплас называл учителем математиков второй половины XVIII в.

Исследования Лапласа по дифференциальным уравнениям (т. е. уравнениям, связывающим искомую функцию, ее производные или дифференциалы и независимые переменные.), математической теории вероятностей (помимо преобразования Лапласа, была установлена, например, теорема Лапласа, дающая возможность определять приближенные значения вероятностей), в области алгебры и некоторые другие вошли в число фундаментальных исследований.

Как уже упоминалось ранее, Лаплас совместно с Лавуазье определял скрытую теплоту тел с помощью специально для этого созданного ледяного калориметра. Лапласом вместе с Лавуазье исследовался процесс горения водорода в кислороде, доказывалась ошибочность теории флогистона, претендовавшей на объяснение сущности горения.

Лаплас изучал также явление капиллярности, т. е. свойство, определяемое притяжением между молекулами (атомами) на границе раздела жидкости и твердого тела (например, если притяжение между частицами жидкости и твердого тела больше, чем у частиц жидкости менаду собой, то жидкость смачивает твердое тело, и в этом случае жидкость может около стенки или в тонких трубках - капиллярах - немного подняться над поверхностью). Капиллярные явления имеют широкое распространение и природе и технике, например при циркуляции влаги и соков в растениях или при питании фитиля керосиновой лампы керосином.

Лаплас установил формулу скорости распространения звука в воздухе, что явилось результатом его работы в области акустики. Он определил зависимость между плотностью воздуха и высотой местности над уровнем моря.

Из приведенного - далеко не полного - перечня работ Лапласа, видно, как широк был круг его научных интересов. Но все же наибольшее значение и, уж во всяком случае, наибольшую популярность имели работы Лапласа по небесной механике. Основными трудами, в которых Лаплас излагает небесную механику такой, как он себе ее представлял, являются: «Трактат о небесной механике», состоящий из пяти томов, изданных в 1798 - 1825 гг., и рассчитанная на более широкий круг читателей, написанная более простым языком книга «Изложение системы мира» (1796), в конце которой Лаплас приводит свою космогоническую гипотезу и историю развития астрономии. В начале этой книги Лаплас пишет: «Из всех естественных наук астрономия представляет собой наиболее длинную цепь открытий. От первого взгляда на небо чрезвычайно далеко до того общего представления, которое в настоящее время охватывает прошлые и будущие состояния системы мира. Чтобы этого достичь, надо было наблюдать небесные светила в течение многих веков, распознать в их видимых движениях действительные движения Земли, подняться до законов движения планет, а от этих законов - к принципу всемирного тяготения; наконец, исходя из этого принципа, дать полное объяснение всех небесных явлений, вплоть до самых малых деталей. Вот что сделал человеческий ум в астрономии» (Пьер Симон Лаплас. Изложение системы мира. Л., 1982, с. 9.).

Что же было наиболее существенным из сделанного Лапласом в области небесной механики?

Среди большого числа исследований и открытий, вероятно, следует выделить два: доказательства Лапласом устойчивости Вселенной и теорию естественного возникновения Вселенной из первичной туманности.

Ньютон, как уже об этом говорилось, открыл всемирный закон тяготения и, основываясь на нем, установил законы движения планет. Таким образом, Ньютон заменил управляемые перводвигателем, или ангелами, действующими по приказу бога, небесные сферы механизмом, действующим на основе установленных им законов. Однако Ньютон говорил, что создание Вселенной и придание ей первого толчка - дело рук божьих. Возможно, он говорил так потому, что на подобного рода вопросы другого ответа у пего не было. На вопрос о том, абсолютно ли движение, Ньютон не давал определенного ответа, ссылаясь на то, что это выходит за пределы человеческих знаний. Следовательно, по Ньютону, нельзя утверждать, что небесная система стабильна, и поэтому но исключается, что для продолжения ее деятельности требуются периодические импульсы извне. Откуда же? Видимо, как и первый толчок, от бога.

Лаплас с позиций механики доказал устойчивость Солнечной системы в течение очень длительного времени. Это доказательство основывается па законе всемирного тяготения, многочисленных наблюдениях, сделанных различными астрономами, и использовании более точного математического аппарата (математических рядов) для определения взаимных возмущений планет. Это дало возможность Лапласу, как свидетельствуют многие историки науки, на вопрос Наполеона, почему в его системе мира ничего не сказано о боге, ответить, что в этой гипотезе не было необходимости.

Космогоническая гипотеза Лапласа основана на том, что Солнечная система образовалась из уже вращающейся и сжимающейся газовой туманности. Напомним, что, по теории Канта, Солнечная система также возникла из газовой туманности, но эта туманность не имела предварительного вращения. В этом случае появляется непреодолимая трудность: невозможно объяснить, как могло образоваться правильное вращательное движение небесных тел.

Мы не будем более подробно останавливаться на космогонической гипотезе Лапласа, имея в виду, что ее место давно уже заняли современные представления, Исходя из гипотезы Лапласа не удалось, в частности, объяснить медленного по отношению к планетам вращения Солнца. Не следует, однако, забывать о большом прогрессивном значении космогонической гипотезы Лапласа в истории астрономии.

Лаплас выполнил много других важных астрономических исследований. Он доказал, что наблюдаемое ускорение движения Луны является следствием периодических возмущений эксцентриситета орбиты Земли, вызываемых воздействием планет Солнечной системы, и поэтому ускоренное движение Луны в дальнейшем сменится замедленным.

предыдущая главасодержаниеследующая глава





Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'