Постижение микромира

Ученые стали подходить к познанию мельчайших частиц материи. В физике это было связано с исследованиями электрического тока, магнетизма, а также природы света. Его корпускулярное строение опровергали эксперименты, говорившие в пользу волновой теории. Но для волн должен существовать их носитель. Что это за субстанция? Она должна быть и упругой, и проницаемой, не препятствующей движению небесных тел.

Для понимания хода и результатов химических реакций требовалось выяснить, что же такое атомы и молекулы: выдуманные теоретиками «идеалии» или реальные объекты? Но в последнем случае надо выяснить их структуру и свойства…

Вопросов возникало немало, и ответить на них должны были гипотезы, опыты, теории.

Вебер Вильгельм Эдуард

Вебер Вильгельм Эдуард (1804–1891) – немецкий физик, изобретатель. Окончив университет в Галле, стал профессором физики в 24 года, преподавал в университетах Галля, Лейпцига и Гёттингена, где был сотрудником К. В. Гаусса. Вместе с ним разработал абсолютную систему электрических и магнитных единиц, сконструировал в 1833 г. первый в Германии электромагнитный телеграф. Вебер изобрел ряд электроизмерительных приборов. В 1865 г. вместе с Р. Кольраушем, измерив заряд конденсатора в электростатических и электромагнитных единицах, определил скорость света.

Вебер допускал существование сил, мгновенно действующих на расстоянии. Его утверждение, что «с каждым весомым атомом связан электрический атом», было предвидением электрона. По его гипотезе, свободные положительные заряды вращаются около отрицательно заряженных атомов. Это было предвидение атома Бора (но с другими зарядами).

Отношение к ученым тогда бы ло почтительным, а то и восторженным. Пользовались уважением не «публичные люди» (артисты, журналисты, политиканы), а выдающиеся мыслители.

Королева Виктория пожелала произвести Фарадея в рыцарское звание. Он отказался из скромности (так же как от двух предложений возглавить Лондонское королевское общество). Уильям Томсон избытком скромности не страдал и принял титул пэра, став лордом Кельвином: «За заслуги, связанные не с ущербом для человеческой жизни, а за то, что способствовало возвышению человеческой личности, росту ее возможностей и умножению ее счастья, получает новый пэр свою награду».

Кельвин лорд Уильям Томсон

Кельвин лорд Уильям Томсон (1824–1907) – ирландский, английский физик, изобретатель. Уроженец Белфаста, окончил Кембриджский университет, год стажировался в Париже, проводя лабораторные эксперименты, а с 1846 г. руководил кафедрой теоретической физики в университете Глазго. В начале научной деятельности разрабатывал математические методы для решения физических задач. Затем исследовал проблемы термодинамики, математической физики (теории теплопроводности, потенциалов и др.), электродинамики, переноса тепла электрическим током. Ввел понятие об абсолютном нуле температуры, когда движение атомов достигает минимума (– 273,15 °С) и установил абсолютную шкалу температур, измеряемых в «градусах Кельвина». Совместно с Джоулем установил, что при адиобатическом расширении газ охлаждается (эффкект Джоуля-Томпсона).

Лорд Кельвин

Он провел измерения и расчеты размеров молекул. Сделал много изобретений, усовершенствуя приборы и создавая новые. Разработал основы теории электрических колебаний и использовал ее в практике сооружения трансатлантических телеграфных кабелей. Основываясь на втором начале термодинамики, верил в тепловую смерть Вселенной.

Подобно Клаузиусу, лорд Кельвин полагал существование подобия абсолютному потоку времени Ньютона («стрелы времени»). Это движение от прошлого к будущему определяется возрастанием энтропии. Исходя из того, что некогда Земля была расплавленной (вспомним гипотезу Бюффона) и постоянно остывала, он вычислил ее возраст. Получилось – не более ста миллионнолетий, слишком мало. Природа оказалась сложней, чем казалось выдающемуся физику.

Лошмидт Йозеф

Лошмидт Йозеф (1821–1895) – австрийский физик. Работал школьным учителем. Защитив докторскую диссертацию, стал профессором Венского университета. Проводил исследования в области кристаллографии, стереохимии, кинетической теории газов. На основе измерений длины свободного пробега молекул и отношения плотностей жидкости и газа подсчитал число молекул идеального газа в единице объема («число Лошмидта»).

Максвелл Джеймс Клерк

Максвелл Джеймс Клерк (1831–1879) – английский физик. Родился в Эдинбурге (Шотландия). С детства был любознателен, любил изобретать, конструировать. Окончив Кембриджский университет, преподавал, занимаясь научными исследованиями. С 1871 г. руководил Кавендишской лабораторией, был принят в Лондонское королевское общество.

«Хотя он прожил всего сорок восемь лет, – писал физик Д. Мак-Дональд, – он выполнил первоклассные работы по динамике, астрофизике, проблеме цветового зрения, кинетической теории газов, термодинамике и, прежде всего, по электромагнетизму!»

Научные работы Максвелл стал писать с 14 лет. Студентом изучал основательно философию и математику. После двухлетних исследований издал в 1859 г. книгу, где доказал, что кольца Сатурна – рой метеоритов. Начал разрабатывать кинетическую теорию газов на основе статистической механики и установил закон, описывающий распределение молекул газа по скоростям («закон Максвелла-Больцмана»). Определил соотношения между основными тепло-физическими параметрами («термодинамические соотношения Максвелла»).

В «Трактате по электричеству и магнетизму» (1873) представил теорию электромагнетизма и вывел систему уравнений электромагнитного поля, названных его именем. Обосновал электромагнитную тео рию света, предположил существование электромагнитных волн, которые позже были обнаружены Г. Герцем. Идеи и разработки Максвелла предопределили последующие достижения в теоретической физике, электро-и радиотехнике. Он изобрел несколько научных приборов.

Хорошо знавший Максвелла шотландский врач в частном письма высказался о нем: «Его облик как человека, насколько я могу судить, являет собой наиболее совершенный пример джентльмена… и это, пожалуй, гораздо ценнее всех его научных достижений».

Джеймс Максвелл

Осенью 1857 г. прославленный Фарадей писал начинающему ученому Максвеллу: «Предположим, математик занимается исследованием физического явления и приходит, наконец, к каким-то определенным выводам. Нельзя ли их выразить в общедоступной форме не менее полно, ясно и конкретно, чем с помощью математических формул? Если можно, то для таких, как я, было бы великим благом получить их переведенными с языка иероглифов, так чтобы мы могли оперировать ими в процессе эксперимента».

Уже тогда наметилось расхождение между описаниями физических явлений в привычных образах и понятиях, и на предельно формализованном, а потому сложном языке математики. По мнению Максвелла, так проявляются два подхода к познанию: от общего к частному (у Фарадея) и от частного к общему (в математической форме). Он признался, что испытывает восхищение, читая «Исследования» Фарадея.

Стефан Йозеф

Стефан Йозеф (1835–1893) – австрийский физик. Профессор Венского университета с 1863 г., член Венской АН с 1865 г. Проводил преимущественно эксперименты по электромагнетизму, теплофизике, оптике, акустике. Определил в 1879 г., что энергия, излучаемая нагретым телом, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела. Через 5 лет обосновал этот закон для абсолютно черного тела Л. Больцман (закон Стефана-Больцмана).

Гиббс Джозайя Уиллард

Гиббс Джозайя Уиллард (1839–1903) – американский физик. Родился в Нью-Хейвене (штат Коннектикут) в семье профессора Иельского колледжа. Окончив это учебное заведение, там же преподавал латынь и физику. В 1863 г. стал доктором философии, защитив диссертацию по зубчатым передачам.

Три года стажировался в Париже, Берлине и Гейдельберге, где ознакомился с исследованиями Гельмгольца и Кирхгофа. Вернувшись на родину, возглавил кафедру математической физики Иельского университета. Разработал энтропийные диаграммы, ставшие основными в технической термодинамике: «Графический метод в термодинамике жидкостей» (1871–1873). Перешел к трехмерным диаграммам, показав, что так можно представить все термодинамические свойства вещества.

В работе «О равновесии гетерогенных веществ» (1874–1878) развил теорию термодинамических потенциалов в приложении к общим проблемам термодинамики газов, кристаллов, жидкостей и поверхностных явлений; заложил основы геометрической термодинамики; дал описание термодинамики электрохимических и поверхностных явлений. Исследовал проблемы электродинамики, электромагнитной и механической теории света. В математике разрабатывал вопросы векторного анализа.

В его последней работе «Элементарные принципы статистической механики, разработанные применительно к рациональному обоснованию термодинамики» (1902) дана с атомистических позиций общая теория отклонений (флуктуаций) характеристик термодинамической системы от равновесных значений. По словам профессора физики С. П. Капицы: «Метод, развитый Гиббсом в термодинамике, стал основным методом статистической физики, и появление позднее квантовой механики и квантовой статистики сохранило и лишь развило подход, указанный Гиббсом».

Говорят, Гиббс не отличался здоровьем, общительностью и разговорчивостью. Выступая на одном из научных собраний, он ограничился словами: «Математика – это язык». Хотелось бы добавить: но язык особый, далекий от образов, сложных понятий, выражений чувств и смыслов, которыми так богат язык, выработанный народами в течение тысячелетий.

Столетов Александр Григорьевич

Столетов Александр Григорьевич (1839–1896) – русский физик. Родился во Владимире в купеческой семье. Окончил Московский университет, где был оставлен для подготовки к профессорскому званию.

Стажировался в лабораториях Западной Европы, в частности, у Кирхгофа. У него же провел эксперименты, написав работу «Исследование о функции намагничения мягкого железа» (1872), где показал, что магнитная восприимчивость железа сначала растет, затем уменьшается. Это стало началом изучения ферромагнитных тел.

Исследуя фотоэффект, уста новил, что сила фотоэлектрического тока пропорциональна интенсивности света, поглощенного катодом (изобретенная им электрическая схема с тех пор долго применялась в подобных опытах). На основе результатов его исследований электроразрядов в газах английский физик Джон Таунсенд (1868–1957) вывел закон о зависимости силы тока от давления, назвав его «эффектом Столетова».

В 1872 г. Столетов организовал при Московском университете физическую лабораторию. Она стала первой русской школой физиков-экспериментаторов. Здесь работал, в частности, П. Н. Лебедев.

«С тех пор, как открыт спектральный анализ и настало новое движение в электротехнике, – писал в 1883 г. Столетов, – на физику особенно не жалеют денег». В лабораториях появились новые приборы, ученые стали проводить все более сложные и точные эксперименты, а полученные неожиданные результаты давали, как говорится, отменную пищу для ума.

Возникло разделение физики на экспериментальную и теоретическую, против чего возражал, в частности, Л. Больцман. Он полагал, что эти два направления следует соединять. Эксперименты необходимы для постановки новых проблем: «Исследования этих совершенно новых фактов обещает тем больший успех, чем загадочнее сначала все нам кажется и чем больше противоречий обычным воззрениям мы здесь встречаем».

Больцман Людвиг

Больцман Людвиг (1844–1906) – австрийский физик. Родился в Вене, там же учился в университете, продолжив образование в Гейдельберге и Берлине. Был профессором физики ряда университетов Европы, ни в одном долго не задерживаясь, по одной версии, из-за трудного характера, по другой – из-за материалистических убеждений. В Венском университете читал лекции по физике и по философии природы. С 1899 г. – иностранный член Петербургской АН.

Бюст Людвига Больцмана в Венском университете

Он определил диэлектрические постоянные ряда газов и твердых тел. Выяснил, что этот показатель у кристаллов серы меняется в зависимости от направления (подтвердив гипотезу Максвелла). Теоретически обосновал в 1884 г. полученную экспериментальным путем Й. Стефаном зависимость: энергия, излучаемая абсолютно черным телом, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела (закон Стефана-Больцмана).

Крупнейшие достижения Больцмана – исследования по кинетической теории газов и статистическому толкованию второго начала естествознания. О его вкладе в физику говорит уже количество научных понятий, связанных с его именем: «постоянная Больцмана», «распределение Максвелла-Больцмана», «принцип Больцмана», «статистика Больцмана».

Он показал, что возрастание энтропии («вырождения энергии») в замкнутой системе соответствует ее переходу к наиболее вероятному состоянию. Связь между термодинамическим понятием энтропии и степенью упорядоченности системы широко используется не только в физике и химии, но и в биологии, теории информации, теории систем.

Логика подсказывает: в изолированной системе должно со временем установиться тепловое равновесие; тепло от нагретых частей перейдет к холодным – и общая температура выравнится. Если это идеальный газ, в котором частицы не вступают в химические реакции, они должны вести себя, как упругие шарики.

Предположим, сначала более энергичные атомы находились в отдельных частях системы (то есть она имела определенную структуру). В дальнейшем они, сталкиваясь с более инертными, станут передавать им часть своей энергии. Выравнивание температуры в изолированной системе станет одновременно и упрощением ее структуры. Такая система не может сама собой закономерно усложняться.

Казалось бы, идея проста и понятна. Но чтобы выразить ее в виде формулы, показывающей связь между энтропией и вероятностью состояния, требуются специальные исследования. Окончательную простейшую форму принципу Больцмана придал М. Планк.

Рэлей Джон Вильям Стрэтт

Рэлей Джон Вильям Стрэтт (1842–1919) – английский физик. До получения в 1873 г. титула лорда Рэлея носил фамилию Стрэтт. Родился в родовом имении в Эссексе, получил домашнее образование, окончил Кембриджский университет. С 1873 г. член Лондонского королевского общества. После смерти Максвелла (1879) стал профессором и директором Кавендишской лаборатории.

Работал в разных областях физики. В акустике изучал колебания упругих тел (струн, стержней, пластинок). Полученные результаты обобщил в двухтомнике «Теория звука» (1877–1878). Его идеи нашли применение в теории электрических колебаний, в учении о нелинейных колебаниях. Ему принадлежат исследования в области волновой и молекулярной оптики. Рэлей вывел закон (его имени): при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени длины волны, объяснив происхождение голубого цвета неба.

Решая задачи о сложении колебаний со случайными фазами, он сделал первый шаг в разработке важных проблем статистической физики. Его исследования теплового излучения отчасти предопределили создание квантовой теории. Большинство его работ посвящено исследованию колебательных и волновых процессов в различных областях физики. Он стал основоположником общей теории колебаний. Точные измерения плотности и состава воздуха привели его, совместно с У. Рамзаем, к открытию инертного газа аргона (Нобелевская премия, 1904).

Нобелевские премии за выдающиеся достижения в физиологии и медицине, физике, химии получило немало достойнейших людей. И все-таки степень объективности решений Шведской АН вызывает немало сомнений. Д. И. Менделеева этой премией не отметили (так же как Л. Н. Толстого – в литературе). Такие примеры можно преумножить.

Рамзай Уильям

Рамзай Уильям (1852–1916) – английский химик и физик, изобретатель. С 1880 г. – профессор Бристольского университета. В 1884 г. совместно с Дж. Рэлеем (Стреттом) открыл в воздухе аргон, а затем и ряд других инертных газов (криптон, ксенон, неон; получил гелий – нулевую группу периодической системы Менделеева (Нобелевская премия, 1904). Рамзай опубликовал способ определения молекулярного веса жидкостей по величине их поверхностного натяжения (1893). Изобрел сверхточные – до миллионных долей грамма – весы.

Занятный факт: инертные газы принято считать «благородными». Название одного из них – аргона – переводится с греческого как «лентяй». Странное получается понятие о благородстве тех или иных элементов.

Умов Николай Алексеевич

Умов Николай Алексеевич (1846–1915) – русский физик. Родился в г. Симбирске (Ульяновск). Окончил Московский университет, где был оставлен для подготовки к профессорскому званию. Работы «Теория термомеханических явлений в твердых и упругих телах» (1871) и «Уравнения движения энергии в телах» (1874) обеспечили ему звание профессора Новороссийского университета (Одесса). После смерти А. Г Столетова, с 1896 г. Умов возглавил кафедру физики в Московском университете. Был президентом Московского общества испытателей природы. В знак протеста против действий министра просвещения ушел из университета в 1911 г..

Н. А. Умов

Умов ввел понятие о потоке энергии («вектор Умова»); создал ряд важных работ по земному магнетизму; решил в общем виде задачу о распределении электрических токов по поверхности проводников (завершил ее Кирхгоф). Исследовал явление растворения солей, диффузию водных растворов, оптику мутных сред, создав ряд приборов. В последние годы написал ряд работ по специальной теории относительности и квантовой теории.

Умов был пропагандистом и популяризатором науки. Ему принадлежат работы по истории и философии естествознания, на общественно-политические темы. Вспоминая о нем, И. И. Мечников писал: «В сеченовском кружке он получил репутацию идеалиста, далекого от всего земного… Идеалистом Умов оставался всю жизнь». В 1891 г. уже немолодой Умов написал очерк «Агапн». Это греческое слово означает любовь к человеку как доброжелательность, сострадание. Он стремился пробуждать в людях такое чувство. В свою записную книжку занес: «Обыкновенно люди просто живут; высшая культура состоит в том, что люди не только живут, но и оправдывают свою жизнь». Таким был его жизненный принцип.

Поэт и философ Андрей Белый, сын профессора математики Н. В. Бугаева, учившийся в Московском университете, в поэме «Первое свидание» вспоминал:

И было много, много дум;

И метафизики и шумов…

И строгой физикой мой ум

Переполнял профессор Умов.

Над мглой космической он пел,

Развив власы и выгнув выю,

Что парадоксами Максвелл

Уничтожает энтропию.

Что взрывы, полные игры,

Таят томпсоновские вихри,

И что огромные миры

В атомных вихрях не утихли…

Герц Генрих Рудольф

Герц Генрих Рудольф (1857–1894) – немецкий физик. Родился в Гамбурге в семье адвоката. Поступил в Высшее техническое училище (Дрезден), но перешел в Мюнхенский университет, а затем и в Берлинский, чтобы изучать физику. С 1880 г. работал ассистентом у Г. Гельмгольца. Через 5 лет стал профессором политехникума в Карлсруэ, а затем – Берлинского университета.

Г Гельмгольц предложил Герцу провести эксперименты для проверки теории электродинамики Максвелла (с которой не был согласен). Задача оказалась нелегкой. Только спустя 8 лет Герц создал генератор и детектор электрических весьма быстрых колебаний. Оказалось, что электромагнитные волны распространяются в загадочном эфире, подобно световым. Удалось измерить их длину, отражение, преломление, дифракцию, интерференцию. Позже эти волны нашли применение в радиосвязи. Герц подтвердил и уточнил теорию Максвелла.

Генрих Герц. Гравюра XIX в.

Русские ученые XIX в. чаще всего учились и проходили стажировку в учебных заведениях и лабораториях Западной Европы. Петербургская АН – императорская! – пребывала в плачевном состоянии. Хотя некоторые отечественные ученые уже обрели мировую известность.

В. И. Вернадский писал (1913): «Бедно, позорно бедно обставлена научная деятельность в России, и так жалки в этом отношении условия, в которых приходится работать русским ученым. Умерший в 1912 г. выдающийся русский физик П. Н. Лебедев создавал школу физиков в подвальном этаже физического кабинета Московского университета… Единственная в России императорская Академия наук в ряде своих учреждений обставлена была до самого последнего времени, а отчасти и до сих пор, нищенски, и ее средства – до новых штатов 1912 г. – были несравнимы с академиями маленьких государств Запада».

Лебедев Петр Николаевич

Лебедев Петр Николаевич (1866–1912) – русский физик. Родился в московской купеческой семье. Поступил в Техническое училище. Не окончив его, уехал в 1887 г. в Страсбург, поступил в местный университет, работал в лаборатории физика-экспериментатора Августа Кундта (1839–1894). Получил степень доктора философии за работу «Об измерении диэлектрических постоянных паров и о теории диэлектриков Моссотти-Клаузиуса» (1891). Заинтересовался происхождением хвостов комет, что привело его позже к исследованию давления света.

П. Н. Лебедев

Максвелл вычислил: давление света на поглощающую поверхность равно частному от деления энергии света в секунду на скорость света. Для земной поверхности эта величина составляет стомиллионные доли грамма на квадратный сантиметр.

Работая в лаборатории Московского университета при кафедре А. Г. Столетова, Лебедев филигранным экспериментом «уловил» давление света (1900), завершив 10-летние опыты. Результаты его работ были ценны, в частности, для астрофизики. Лорд Кельвин признался К. А. Тимирязеву: «Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот опыты вашего Лебедева заставили меня сдаться».

В 1911 г., протестуя против самоуправства министра просвещения, Лебедев присоединился к ученым, ушедшим из университета. Он получил приглашение от директора лаборатории Нобелевского института в Стокгольме Сванте Аррениуса: «Естественно, что для нобелевского института было бы большой честью, если бы Вы пожелали там устроиться и работать, и мы, без сомнения, предоставили бы Вам все необходимые средства… Вы, разумеется, получили бы совершенно свободное положение, как это соответствует Вашему рангу в науке».

Лебедев остался на родине.

Проникая в глубины материи, в мир атомов, электронов, крохотных порций света, физика вышла на новые рубежи. В 1909 г. Н. А. Умов писал:

«Мы полагали в конце столетий, потраченных человеческой мыслью, что наука работает уже в сокровенных глубинах природы. Оказывается, что мы работали все время в тонкой коре мироздания! Нам предстоит новая громадная задача: физика и химия атома – микрофизика и микрохимия. И мы стоим перед нею почти так, как стояли ученые в области электричества два столетия назад, зная только, что нагретая смоляная палочка притягивает легкое тело… И если мы сравним электричество-забаву с электричеством в служении человечеству, каких успехов должны мы ожидать в течение двух ближайших столетий? Жизнь внутреннего мира атома откроет нам свойства и законы, быть может, отличные от тех, которые составляют содержание старой, уже древней физики».