История физики

В период времени от Галилея до Ньютона существовала еще вторая важная линия развития. Еванжелиста Торричелли (1608-1647) под влиянием опыта Галилея с всасывающим насосом изобрел в 1643 г. ртутный барометр. Блэз Паскаль (1623-1662) побудил своего зятя Перье сравнить показания барометра на Пюи де Дом и в Клермоне (различие в высоте над уровнем моря примерно 1000 м). Отто Герике (1602-1686) изобрел воздушный насос и объяснил на основе многих очень внушительных опытов природу атмосферного давления*). Во Введении уже было сказано, что в 1662 г. был известен закон Бойля-Мариотта относительно связи давления и объема воздуха. Другие газы **) не были тогда в распоряжении исследователей; лишь в 1766 г. Генри Кавендиш (1731-1810) открыл кислород, а в 1772 г. Даниил Резерфорд (1749-1819) - азот. Современник Паскаля Роберт Гук (1635-1703) в 1676 г. показал на простых примерах пропорциональность между деформацией и упругостью у твердых тел. Так к 1700 г. был заложен физический фундамент, на котором в следующие полтора столетия было воздвигнуто величественное здание механики. Характерная для механики точность связана с тем, что она развивалась преимущественно силами математиков. В XVIII столетии здесь преобладали французы. Действительно, ньютоновские идеи распространились прежде всего во Франции, не только среди специалистов, но в значительно более широких слоях. Этому способствовал особенно Вольтер. Здесь мы имеем хороший пример влияния физики на общее духовное развитие и поэтому также на политику.

*) «Магдебургские полушария» демонстрировались в 1656 г. Но лишь в 1663 г. Герике написал резюмирующее сообщение о своих опытах, которое появилось в 1672 г. под названием «Новые магдебургские опыты над пустым пространством».

**) Слово «газ» встречается в 1640 г. у голландского химика и врача Гельмонта. Повидимому, в основе его лежит употребленное Парацельсом (1493-1541) слово «хаос» для «смеси воздуха».

Наиболее выдающимися математиками были: Даниил Бернулли (1700-1782) и Леонард Эйлер (1707-1783), которые занимались системами многих материальных точек, твердыми телами и гидродинамикой; Жан Даламбер (1717-1783) - автор названного по его имени принципа, заменяющего уравнения движения; Жозеф Луи Лагранж (1736-1813), придавший этим дифференциальным уравнениям особенно удобную форму для сложных случаев; Пьер Симон Лаплас (1749-1827), который опубликовал в 1800 г. пятитомную «Небесную механику», содержащую гораздо больше, чем обещает название, между прочим, теорию волн в жидкости и теорию капиллярности. Так наступил блестящий расцвет аналитической механики. Дальше надо упомянуть Луи Пуансо (1777-1859), который развил механику твердого тела; Гаспара Гюстава Кориолиса (1792-1843), изучавшего влияние вращения Земли на происходящие на ней механические явления; Огюстена Луи Коши (1789-1857), давшего в 1822 г. наиболее общую математическую формулировку важных понятий деформации и упругого напряжения; исходя из закона Гука, он математически развил механику деформируемых тел, придав ей законченную форму. Вильям Роуэн Гамильтон (1805-1865) установил принцип наименьшего действия, к которому мы еще вернемся. Карл Густав Якоб Якоби (1804-1851) нашел метод исследования движения системы многих тел с помощью дифференциального уравнения Гамильтона-Якоби. Эту эпоху можно считать в основном законченной после исследований Жана Леона Пуазейля (1799-1869) о внутреннем трении в жидкостях и газах (1846-1847) и установления Гельмгольцем законов вихревого движения. Однако вплоть до современности над динамикой вязких жидкостей и газов продолжали работать выдающиеся исследователи, например, Рэлей (1842-1919), Осборн Рейнольде (1842-1912) и Л. Прандтль; их целью было прежде всего создание водного и воздушного транспорта. В этих работах существенную роль играет различие между упорядоченными («ламинарными») и неупорядоченными («турбулентными») потоками. Если в настоящее время ограничиваются только экспериментами, иногда требующими больших средств, то это происходит потому, что еще не разрешены соответствующие проблемы, поставленные перед современной математикой. Но никто не ожидал при этом результатов, которые выходили бы за пределы основ ньютоновской механики.

Мы остановимся здесь только на двух результатах развития механики после Ньютона.

Со времен Эйлера математики установили вариационные принципы, которые были равноценны уравнениям движения, можно даже сказать - содержали их в себе. Пьер Луи Моро де Мопертюи (1698-1759) с большой страстностью провозгласил подобный принцип, названный по его имени, но лишь Лагранж дал ему правильное толкование. Известнее всего принцип наименьшего действия Гамильтона, который в 1886 г. Герман Гельмгольц распространил на ряд немеханических явлений. Макс Планк (1858-1947) видел в нем наиболее общий закон природы. Этот принцип заключается в том, что интеграл по времени, взятый от разности кинетической и потенциальной энергии между двумя определенными моментами времени, для действительного движения является минимальным по сравнению с любым другим мыслимым движением, которое вело бы от того же начального к тому же конечному состоянию. Когда такого рода принципы выдвигались в XVIII столетии, то они производили большую сенсацию. В самом деле, дифференциальные уравнения движения определяют явление в определенный момент времени из непосредственно предшествовавшего движения, как это соответствует причинному воззрению на природу. В этих принципах, напротив, все движение за конечный промежуток времени рассматривается так, как будто будущее определяет настоящее. Казалось, что в физику вошел телеологический момент, и мечтательные умы думали даже, что они смогут узреть здесь творца с его мировым планом, согласно которому фигурирующие в этих принципах величины должны иметь минимальное значение. Идея Лейбница о «лучшем из всех возможных миров» в некоторой мере согласовалась с этой фантазией.

Но в основе здесь лежало математическое заблуждение. Впоследствии научная критика установила, что хотя эти величины для действительного движения имеют экстремальное значение, однако оно не обязательно является минимальным. Вскоре увидели также, что можно применить вариационные принципы и к другим дифференциальным уравнениям, а не только к уравнениям механики. Тем самым принцип наименьшего действия и ему подобные были поставлены на соответствующее им место очень ценных математических вспомогательных средств.

Вторым гораздо более важным пунктом, который мы хотим упомянуть, является закон сохранения энергии, который уже внутри механики имел свою историю, прежде чем вышел из ее рамок и был сформулирован в виде универсального закона. Мы отложим его детальное рассмотрение до главы 8.

В. Р. Гамильтон, который играл важную роль также в геометрической оптике, указал на математическую аналогию между этой дисциплиной и механикой. Лучи света и траектории материальной точки соответствуют друг другу настолько хорошо, что возможно объединить траектории всех материальных точек, выходящих с одинаковыми скоростями из одной и той же точки, в одном «фокусе» и тем самым механически получить «оптическое» изображение. Это, однако, оставалось невыполненным до тех пор, пока не были открыты электроны - частицы, у которых электрические силы значительно превосходят силу тяжести. Современный электронный микроскоп, по крайней мере его электростатический вариант*), есть осуществление мысли Гамильтона.

*) Существует также магнитный электронный микроскоп, который основан на других принципах.

Созданная Эйнштейном в 1905 г. теория относительности мало изменяет динамику материальной точки, как это показал М. Планк в 1906 г. (основополагающая работа Эйнштейна в этом пункте неправильна).

Одной из характерных черт этой теории является введение универсальной константы, скорости света, механическое значение которой прежде было неизвестно. Остается попрежнему в силе закон, устанавливающий равенство силы изменению импульса в единицу времени, а также закон сохранения импульса замкнутой системы. Как и прежде, отсюда вытекает закон сохранения энергии; изменяются только связи импульса и энергии со скоростью. Это изменение заметно также только для скоростей порядка скорости света; при этом импульс и энергия по мере приближения к этим скоростям возрастают бесконечно, так что никакое тело никогда не может достигнуть скорости света. Она - недостижимая высшая граница для скоростей любых частиц. При радиоактивном распаде известны скорости электронов, достигающие 99% скорости света и больше, но никогда в эксперименте не была обнаружена сверхсветовая скорость. Правильность релятивистской формулы для импульса доказали многочисленные измерения скорости быстрых электронов в период с 1906 по 1910 г. [Вальтер Кауфман (1871-1947), Альфред Генрих Бухерер (1863-1927), Шарль Эжен Гие (1866-1942) и С. Ратновский (1884-1945)].