Михаил Васильевич Ломоносов
Гигантским броском в будущее было все творчество Михаила Васильевича Ломоносова — этого необыкновенного в своей мощи и разносторонности гения, который, по словам Пушкина, «соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенною силою понятия... обнял все отрасли просвещения... Всё испытал и всё проник». Порой на целые столетия опережая свое время, творил Ломоносов.
Михаил Васильевич Ломоносов.
Одна из величайших побед ученого — открытие всеобщего закона природы — закона сохранения. Закон впервые был им четко сформулирован в письме к Эйлеру от 5 июля 1748 года, а позднее — в 1760 году — опубликован в более уточненной формулировке в работе «Рассуждение о твердости и жидкости тел...». Вот что писал он в этой работе : «Все перемены в Натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Ломоносов экспериментально доказал законы сохранения массы при химическом взаимодействии (смотри главу «Русские химики»), «Этими опытами, — пишет советский ученый С. А. Погодин, — Ломоносов впервые доказал, что вес (масса) веществ до реакции равен их весу (массе) после реакции, то есть при химическом взаимодействии вещество не творится и не исчезает, Тем самым положение о сохранении массы Ломоносов сделал количественным законом природы и ввел его в химическую практику».
Идея о сохранении вещества высказывалась еще древнегреческими философами-материалистами — Демокритом, Эмпедоклом и другими. На такой точке зрения стояли Г. Галилей, Ф. Бэкон, Д. Бруно, Э. Мариотт и другие естествоиспытатели и философы. После опытов Ломоносова эта мысль, существовавшая в качестве общефилософского положения, стала законом природы.
Большой вклад внес Ломоносов и в развитие взглядов на движение. Жившие до него ученые — великий французский естествоиспытатель Рене Декарт, сформулировавший положение о сохранении количества движения, и знаменитый немецкий математик Готфрид Лейбниц, который вывел закон сохранения живых сил — кинетической энергии, рассматривали только самый простой вид движения — механическое движение. Ломоносов же, как пишет С. А. Погодин, «...высказал мысль о сохранении движения не только по отношению к механическому движению (то есть перемещению тела в пространстве), но и по отношению ко всем видам движения. Эта мысль Ломоносова получила подтверждение и конкретизацию в открытом Р. Майером (1842) и Г. Гельмгольцем (1847) законе сохранения энергии. Однако никому из них не удалось подняться до содержащейся в законе Ломоносова идеи взаимосвязи материи и движения». Приоритет в открытии закона сохранения вещества долгое время приписывался Лавуазье. Но Лавуазье был четырехлетним ребенком, когда рукой Ломоносова был начертан великий закон сохранения.
Кроме того, сейчас документально установлено, что даже о независимом открытии Лавуазье не могло быть и речи: Лавуазье знал труды Ломоносова. Необходимо заметить, что и сам Лавуазье, этот выдающийся французский ученый, не претендовал на честь открытия закона сохранения вещества.
Величие идей Ломоносова, изложенных им в письме к Эйлеру, не исчерпывается открытием законов сохранения вещества и движения.
«...Ломоносов, — писал академик С. И. Вавилов, — говорит о любых «переменах в Натуре случающихся», об их общем сохранении, и только в качестве примеров он перечисляет отдельно взятые сохранение материи, сохранение времени, сохранение силы. Можно предполагать, что перед умственным взором Ломоносова, когда он наносил на бумагу приведенные строки, вырисовывалось несравнимо более широкое и глубокое понятие материи, чем тот ограниченный, специализированный образ, характеризуемый только массой и «непроницаемостью», который имели в виду физики XVIII века, говоря о материи».
Академик С. И. Вавилов писал: «Ломоносов на века вперед как бы взял в общие скобки все виды сохранения свойств материи. Глубочайшее содержание великого начала природы, усмотренного Ломоносовым, раскрывалось постепенно и продолжает раскрываться в прогрессивном историческом процессе развития науки о природе».
Начало сохранения раскрывается в установленном физикой законе взаимосвязи массы и энергии.
В современной физике вырисовывается и еще один закон сохранения — закон сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма зарядов остается неизменной при любых превращениях вещества. При встрече, например, электрона (всегда заряженного отрицательно) и позитрона — носителя положительного заряда — эти частицы превращаются в фотон — частицу незаряженную. И до реакции и после нее алгебраическая сумма зарядов равна нулю.
«Этапы раскрытия широчайшего начала, замеченного Ломоносовым, несомненно, еще не исчерпаны, — указывал С. И. Вавилов, — и дальнейшая история науки встретится с новыми частными законами сохранения и с новым, еще более широким синтезом и объединением».
Далеко вперед от воззрений своих современников ушел Ломоносов, развивая атомистическую теорию и закладывая основы теории теплоты, газов и электричества.
Ко времени Ломоносова в физике был подробно разработан только один ее раздел — механика, наука о простых механических движениях.
В оптике же, в учениях о теплоте, электричестве, газах и жидкостях господствовали иногда самые фантастические идеи. Ученые говорили о световой и электрической жидкости, о теплороде, носителе теплоты, об «упругой жидкости», являющейся якобы причиной расширения газов.
Ломоносов не мог удовлетвориться только накоплением фактов, наблюдением новых явлений и описанием их.
«...Для чего столь многие учинены опыты в физике и в химии? Для чего столь великих мужей были труды и жизни опасные испытания? Для того ли только, чтобы, собрав великое множество разных вещей и материй в беспорядочную кучу, глядеть и удивляться их множеству, не размышляя о их расположении и приведении в порядок?» — насмешливо спрашивал Ломоносов ученых-эмпириков.
Соединяя в себе замечательного экспериментатора с великим теоретиком, Ломоносов стремился проникнуть в самую суть разнообразных явлений природы, отыскать общий ключ к их объяснению.
Ломоносов утверждает, что явления, происходящие в веществе, можно будет объяснить только тогда, когда будут решены вопросы: что такое вещество, как оно построено, из чего состоит?
На основной вопрос естествознания он отвечает с позиций атомистической теории (об этом рассказывается в следующей главе — «Русские химики»). Все тела, утверждает ученый, состоят из мельчайших элементарных частиц, находящихся в постоянном движении. От движения и состояния этих частиц зависят все свойства тел.
В руках у Ломоносова атомистическая теория, обогащенная им многими ценными открытиями, становится могучим орудием познания мира, ключом к объяснению и химических и физических явлений.
Необычайно разностороннее творчество Ломоносова являет собой в то же время пример необыкновенной цельности.
Все, чем занимается ученый, будь то геология, химия, физика или метеорология, — все он пронизывает единой идеей, стремясь объяснить все явления с точки зрения атомистической теории. Во всех своих работах он неуклонно развивает материалистические идеи. Ломоносов утверждал материальность всей вселенной, ему было ясно, что весь мир — это бесконечная, находящаяся в постоянном движении и развитии материя. Он знал, что подобно тому, как материю нельзя мыслить без движения, так и движения не может быть без материи. А ведь и сейчас эти истины недоступны для реакционно настроенных ученых буржуазных стран.
Ломоносов обрушивается на современные ему идеалистические гипотезы о чудесных жидкостях, подвергает их уничтожающей критике.
«В наше время причина теплоты, — писал он, — приписывается особой материи, называемой большинством теплотворной, другими эфирной, а некоторыми — элементарным огнем... Это мнение в умах многих пустило такие могучие побеги и настолько укоренилось, что можно прочитать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы притягиваемой каким-то любовным напитком; и наоборот, и о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом», — смеется он над сторонниками гипотезы теплорода.
Рисунок М. В. Ломоносова, показывающий механизм передачи теплоты.
А что же такое тепло? Пользуясь своей атомистической теорией, Ломоносов дает замечательно простой и, как показало дальнейшее развитие науки, правильный ответ.
В 1744 году в своей диссертации «Размышление о причине теплоты и холода» он пишет:
«Теплота состоит во внутреннем движении собственно материи... Внутреннее движение, в смысле количества, может увеличиваться и уменьшаться, почему разные степени тепла определяются скоростью движения... Для произведения любого градуса теплоты достаточна различная скорость движения материи».
Ломоносов говорил, что теплота состоит во вращательном движении частиц, составляющих тело. Он считал, что, только предположив такой характер движения частиц, можно объяснить, почему форма тела и его внешний вид при нагревании не меняются.
Распространение теплоты, по Ломоносову, есть следствие того, что частицы при соприкосновении передают друг другу свое вращение.
Далеко проникает смелый взор Ломоносова: ученый предугадывает существование предельно низкой температуры — абсолютного нуля, по современной терминологии. Такая температура, говорит он, соответствует состоянию покоя частиц, составляющих вещество.
Механическая теория тепла дает ему возможность гениально просто определить и причины плавления твердых тел и испарения жидкостей; он объясняет эти явления ослаблением сцепления частиц веществ под действием нагрева.
Ломоносов распространяет открытый им закон сохранения и на тепловые явления. Он показывает, что и здесь запас движения остается неизменным.
В бессмертном сочинении Ломоносова есть и такие многозначащие строки:
«Холодное тело В, погруженное в тело А, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет тело А».
Содержание этих строк знакомо всякому, кто изучал термодинамику. Это одна из формулировок так называемого второго закона термодинамики, вошедшего в физику даже позднее, чем закон сохранения энергии.
Так, неся смерть теории теплорода, рождалась одна из величайших теорий физики — механическая теория тепла.
Ломоносов не был понят современниками. Еще долгое время физики продолжали говорить о теплороде. Даже в 20-х годах XIX столетия пользовались этим понятием. Теплород фигурировал в трудах такого крупного ученого, как французский физик Сади Карно. Только в середине XIX века механическая теория теплоты, разработанная и утвержденная трудами знаменитых ученых Майера, Джоуля, Клаузиуса, Гельмгольца, находит повсеместное признание, становится основой всей термодинамики и энергетики.
Дерзновенная мысль Ломоносова не останавливается в своем полете. Отбросив гипотезу о некоей таинственной «упругой жидкости», он применяет атомистику как надежное орудие и для истолкования явлений, происходящих в газах.
Взаимодействие сталкивающихся частичек молекул. Рисунки из сочинений М. В. Ломоносова.
В 1748 году в работе «Попытка теории упругой силы воздуха» ученый писал: «...мы будем основываться на движении — и увидим, что при помощи этого важного свойства нам удастся более правильно объяснить то, что до сих пор составляло лишь предмет пожеланий».
Стремление газа расшириться и давление, оказываемое им на стенки сосуда, есть непременное следствие постоянного движения молекул газа, считает Ломоносов.
Сталкиваясь между собой и отскакивая друг от друга, частицы стремятся разлететься во все стороны. Удары частиц о стенки сосуда и есть причина давления, производимого газом.
Ученый связывает теорию газов со своей теорией теплоты: большему нагреву газа соответствует и большая скорость его частиц, а значит, и большая сила их ударов. Потому-то давление газов при нагревании возрастает.
Ломоносов доказал, что давление газов — результат ударов молекул газа о стенки сосуда.
Рассматривая газ как бесчисленный рой хаотически движущихся частиц, Ломоносов подвергает теоретическому анализу опытный закон Бойля—Мариотта, говорящий об обратной пропорциональности между давлением газа и его объемом.
Замечателен способ, которым пользовался Ломоносов. Здесь неприемлемы обычные методы механики. Невозможно, да и не нужно рассчитывать действие каждой отдельной частицы.
На помощь физике необходимо призвать статистику. Рассчитывая суммарное действие молекул, физик должен иметь в виду, что в каждый момент число молекул, летящих в каком-либо направлении, должно быть в силу хаотичности их движения равно числу молекул, движущихся в любом другом направлении. Поэтому равные участки стенок сосуда получат за единицу времени одно и то же число ударов.
Ломоносов положил начало совершенно новому методу расчета физических явлений — статистическому.
Ясный и наглядный вывод закона Бойля—Мариотта, подобный ломоносовскому, и поныне преподносится студентам, приступающим к изучению кинетической теории газов, справедливость которой подтверждена всем ходом науки. Статистический же метод в наши дни стал средством исследования атомных и молекулярных процессов.
На применении этого метода выросла большая научная дисциплина — статистическая физика.
Ломоносов предугадывает, что при больших давлениях должны наблюдаться отступления от закона Бойля—Мариотта. Когда газ сильно сжат, промежутки между частицами делаются чрезвычайно малыми и сблизить их еще труднее. Поэтому при больших давлениях обратная пропорциональность между объемом газа и давлением будет нарушаться. Ломоносов был прав.
В 1868 году, более чем через сто лет после его смерти, эти отступления от закона Бойля—Мариотта были действительно обнаружены французским ученым Дюпре.
Ломоносов многое внес и в учение об электричестве.
Титул книги М. В. Ломоносова «Слово о происхождении света».
В своем труде «Теория электричества, разработанная математическим путем» ученый пишет, что электрические явления и свет — особые формы движения материи. Подробнее о работах Ломоносова в этой области, так же как и о деятельности многих других русских физиков, прославившихся исследованиями электрических явлений — Петрова, Ленца, Якоби, Попова и других, мы будем говорить в главе «Русский вклад в электротехнику», посвященной теории и практике электричества.
Имя Ломоносова уже при его жизни пользовалось громадным уважением среди передовых ученых. Его труды публиковались в научных журналах, выходивших в Германии, Англии, Италии, Швеции и т. д.
Ломоносов-физик известен и как создатель многих замечательных приборов.
Им был изобретен прибор для измерения показателя преломления жидкостей — рефрактометр, создана труба для «смотрения под водой».
В бумагах Ломоносова сохранился набросок чертежа прибора, названного им полемоскопом и представляющего собой перископ особого вида. Вращаясь на оси, полемоскоп позволял из-за укрытия осматривать весь горизонт.
К физико-техническим приборам относится изобретенная Ломоносовым «ночезрительная труба» — труба с особенно широким объективом, облегчающим наблюдение в сумерках.
Этот инструмент в свое время был предметом горячих споров. Многие ученые пытались опровергнуть его действенность. Ныне же ночные бинокли — приборы, родоначальником которых была ночезрительная труба, — получили широкое применение.