История физики

Принципиально еще важнее изменение понятия массы, к которому приводит эта теория. Эйнштейн в 1905 г. доказал, что всякое увеличение внутренней энергии должно увеличивать массу, а именно на величину, которая получается делением энергии, измеренной механической мерой, на квадрат скорости света. Но эти изменения массы в силу большой величины скорости света (3 • 10¹⁰см/сек) незначительны для всех явлений, которые мы называем механическими, электрическими и термическими. Точно так же при химических реакциях с наибольшими тепловыми эффектами взвешивание не может доказать изменения общей массы реагирующих тел. Но в ядерной физике этот закон инертности энергии получает огромное значение (гл. 10).

Что дает классическая механика? Исключительно много. Она дает основы для всякой технической конструкции, поскольку последняя является механической, и тем самым глубоко проникает в обыденную жизнь; она находит применение в биологических науках, например как механика движения тела или механика слуха. Она содержит учение о деформации упругих твердых тел, о течении жидкостей, о возможных во всех подобных телах упругих колебаниях и волнах, т. е. содержит также физическую акустику. Она привела, например, к теории вынужденных колебаний, значение которой выходит далеко за пределы механики; механика является также основой для понимания электрических колебаний.

Механика описывает в совершенном согласии с опытом процессы движения звезд с массой 10³²-10³³г и движение ультрамикроскопических частиц с массой 10^-18г; она сохраняет свое значение для части наших опытов, касающихся движения молекул, атомов и еще более мелких элементарных частиц (электрон и т.д.). Поэтому она стала основой кинетической теории газов и физической статистики Больцмана-Гиббса. Так механика превратилась в храм величественной архитектоники и поразительной красоты.

Замечательно то, что долгое время механика отождествлялась со всей физикой; цель физики усматривали в сведении всех явлений к механике. И даже после того, как в 1900 г. увидели, что электродинамика не сводится к механике, многие ошибочно считали механику наукой, стоящей над опытом подобно математике.

Еще более глубокое потрясение механика испытала, когда квантовая теория с 1900 г. все яснее определяла границы ее значимости. Но даже там, где квантовая теория вытесняет механику, она оставляет неизменными два закона: сохранение энергии и импульса.

Попутно упомянем еще об одном достижений, которое, хотя и имеет более внешний характер, все же имело для физики очень большое значение. 2 июня 1799 г. Законодательное собрание в Париже приняло килограмм за единицу массы, а метр - за единицу длины. Вместе с более старой единицей времени, секундой, эти единицы явились исходным пунктом для CGS-системы (система сантиметр - грамм - секунда), к которой современная физика приводит все механические, электрические и магнитные единицы.

Акустика образует ветвь механики, которая, однако, особенно сначала, развивалась довольно самостоятельно. Уже в древности знали, что чистые тона в противоположность шумам основаны на периодических колебаниях источника звука. Пифагор (570-496 до н. э.) знал, кроме того, может быть из египетских источников, что длины струн, которые настроены на гармонические интервалы - октавы, квинты и т. д., при прочих одинаковых условиях относятся между собой, как 1:2, 2:3 и т. д. Значение, которое пифагорейцы приписывали числам в своей философии, связано, несомненно, с глубоким впечатлением, которое на них произвело это открытие. Изобретатели органов, широко распространившихся в IX столетии н. э., знали соответствующее правило у органных труб. Но акустическая наука в явной форме еще не участвовала в развитии музыкального искусства в течение двух тысячелетий после Пифагора. Лишь Галилей дал также и здесь решающий толчок для дальнейшего. В упомянутых «Discorsi» 1638 г. он устанавливает частоту как физический коррелат ощущения высоты тона. Он характеризует относительную высоту двух звуков посредством отношения их частот и выводит зависимость частоты колебаний струны от длины, напряжения и массы. Он наблюдал возбуждение колебаний посредством резонанса и объяснил это явление; он также показал особенность стоячих волн на поверхности воды в сосудах, производя колебания посредством трения. Еще дальше пошел его бывший ученик Марен Мерсенн (1588-1648): ему удалось почти в то же время, а именно в 1636 г., дать первое абсолютное определение числа колебаний, измерить скорость звука в воздухе, а также открыть, что струна в большинстве случаев одновременно с основным тоном дает еще гармонические обертоны. Жозеф Совер (1653-1716) сделал те же наблюдения над органными трубами, изучил сущность биений, а также установил на струнах положение узлов и пучностей посредством еще теперь применяемого бумажного «наездника».

Отто Герике доказал экспериментально, что звук, в отличие от света, распространяется не в пустом пространстве. Зависимость скорости звука от сжимаемости и плотности воздуха определил Ньютон в своих «Принципах», хотя его формула была подтверждена опытом лишь тогда, когда в 1826 г. Лаплас заменил изотермическое сжатие адиабатическим. Математическая обработка механики в XVIII столетии была полезна также для акустики. Выдающийся экспериментатор Эрнст Фридрих Хладни (1756-1827) в 1802 г. противопоставил давно известным поперечным колебаниям струн и стержней продольные и крутильные колебания, сделал видимыми в своих «звуковых фигурах» узловые линии колеблющихся пластинок и измерил скорость звука не только в воздухе, но и в других газах. Проводимость звука жидкостями долгое время оспаривалась из-за мнимой их несжимаемости, несмотря на прямое наблюдение, сделанное в 1762 г. Вениамином Франклином (1706-1790). Но в 1827 г. Жан Даниэль Колладон (1802-1892) и Якоб Франц Штурм (1803-1855) дали убедительное доказательство распространения звука в воде, определив скорость звука в Женевском озере и найдя ее равной 1,435 • 10⁵см/сек.

В дальнейшем в течение XIX столетия физическая акустика все больше превращалась в учение об упругих волнах. Из оптики в нее были введены идеи интерференции, диффракции и рассеяния на препятствиях. Принцип Допплера, возникший в 1842 г. как оптическая идея (гл. 6), нашел свое первое подтверждение в изменениях высоты тонов, которые воспринимаются, например, в момент, когда свистящий паровоз, пройдя мимо, начинает удаляться. Аналитический метод Фурье (гл. 7), созданный первоначально для решения проблемы теплопроводности, применялся с огромным успехом для изучения звуковых волн, тем более, что разложение любого периодического колебания на колебания синусоидальные соответствует непосредственной психологической реальности; как установил в 1843 г. Симон Ом (1787-1854), ухо может воспринять эти колебания в отдельности. Если же это не удается из-за врожденной недостаточности или недостаточного упражнения, то эти синусоидальные колебания определяют тембр звучания в смеси тонов, как это подчеркнул Гельмгольц в своем «Учении о звуковых ощущениях» (1862).

Большие технические задачи встали перед акустикой после того, как в 1861 г. Филипп Рейс (1834-1874) и в 1875 г. Александр Грехем Белл (1847-1922) изобрели телефон, а в 1878 г. Давид Юз (1831-1900) существенно улучшил микрофон Рейса. После этого возникла возможность более совершенной передачи человеческих голосов и музыкальных звуков. Передача звука электрическими волнами, плод мировой войны 1914-1918 гг., значительно усилила роль этой новой области технического применения - электроакустики. К этой же области относится фонограф, изобретенный в 1877 г. Томасом Альва Эдисоном (1847-1931).

Во время той же войны Поль Ланжевен (1872-1946), используя пластинки пьезокварца, нашел способ получения в воде звуковых волн с числом колебаний высокого порядка - 100 000 в секунду, следовательно, далеко за пределами слышимости. Этот «ультразвук» должен был служить для нахождения подводных лодок под морской поверхностью. Физика применила его впоследствии для изучения собственных колебаний твердых тел, для измерения скорости звука в газах и жидкостях в зависимости от числа колебаний и в других случаях. Известную роль он играет также в биологии.