Николай Николаевич Пирогов

Талантливым исследователем в области молекулярной физики был не оцененный в свое время русский ученый Николай Николаевич Пирогов (1843—1891) — сын знаменитого хирурга. В 80-х годах прошлого века он предвосхитил многие из положений, которые легли в основание созданной на рубеже XX века квантовой физики.

Пирогов первым отметил недостаточность кинетической теории материи, господствовавшей в его время. Он показал, что установленный выдающимся английским физиком Максвеллом закон распределения скоростей молекул газа в их хаотическом движении (помогающий вычислить, какая доля молекул обладает той или иной скоростью) действителен лишь в том случае, когда газ занимает бесконечно большой объем. Для того чтобы правильно отобразить распределение скоростей молекул в газе, занимающем определенный конечный объем, показал Пирогов, надо принять в расчет и действие стенок сосуда на молекулы газа, стремящееся выровнять, упорядочить это движение.

В своих работах Пирогов указал ограничения, которым надо подвергнуть закон Максвелла, чтобы применять его к исследованию газа, находящегося в реальных условиях.

С замечательной прозорливостью, предвосхищая идеи выдающегося немецкого физика Планка, Пирогов высказал мысль о том, что разгадка явлений, не объяснимых с точки зрения закона Максвелла, кроется во взаимодействии вещества со «светоносным эфиром» — с излучением, как говорим мы сейчас.

Пирогов, например, наметил путь вычисления зависимости молекулярной теплоемкости газа (способности газа «впитывать» тепло) от температуры. Если следовать по этому пути, то получается не прямая пропорциональность между теплоемкостью и температурой, как это вытекает из закона Максвелла, а совершенно иная зависимость, согласующаяся с выводами квантовой теории. Эта теория зиждется на положении, что энергия имеет прерывистое строение и может поглощаться и излучаться лишь определенными порциями, квантами. Квантовая теория объясняет многие опытные данные, не объяснимые с точки зрения прежней кинетической теории.

Намного опережая современную ему науку, Пирогов доказал существование так называемых флюктуаций плотности.

Кинетическая теория газов говорила, что молекулы газов в силу хаотичности своего движения равномерно распределяются по всему объему сосуда, в котором заключен газ. В каждом из кубических сантиметров объема сосуда в любой момент находится одно и то же число молекул газа. Плотность газа в любой части сосуда одинакова, говорила теория. Но Пирогов показал, что это положение нуждается в серьезном уточнении и поправке.

Молекулы газа находятся в непрестанном движении, путешествуют по всему пространству внутри сосуда, и бесспорно, может статься, что в тот или иной момент в определенной ячейке, выделенной нами мысленно внутри сосуда из общего объема, может оказаться несколько больше или меньше молекул, чем в другой ячейке такого же объема. Эта разница неощутимая, если сравнивать ячейки достаточно крупные, содержащие огромное число молекул. Но с этой разницей необходимо считаться, рассматривая микроскопически малые ячейки. Если пространство сосуда расчленить на такие ячейки, то картина распределения молекул газа предстанет перед нами как непрестанно меняющееся чередование областей сгущения и разрежения молекул.

Пирогов вывел закон, которому подчиняются флюктуации (изменения) плотности в каждой микроскопически малой ячейке пространства, занимаемого газом.

Выводом этого замечательного закона он заложил основы теории, нашедшей законченное выражение в трудах выдающегося польского физика Мариана Смолуховского.

Флюктуации плотности играют большую роль во многих физических явлениях. Ими, в частности, объясняется рассеяние атмосферой солнечных лучей, вследствие которого небо кажется нам голубым. Флюктуации плотности газа в атмосфере нарушают ее оптическую однородность. Ячейка с повышенной плотностью преломляет свет сильнее, чем ячейки с меньшей плотностью, — вследствие этого прозрачная сама по себе атмосфера становится как бы мутной средой, способной рассеивать свет.

Оригинальными и смелыми мыслями Пирогов намного опередил свое время.