Чтение онлайн

Вместе с тем Ломоносов включает в свою термодинамическую систему и мировой эфир, далеко опережая не только свое время, но и XIX век. «Тем самым, — продолжает Ломоносов, — мы не только говорим, что такое движение и теплота свойственны и той тончайшей материи эфира, которой заполнены все пространства, не содержащие чувствительных тел, но и утверждаем, что материя эфира может сообщать полученное от солнца теплотворное движение нашей земле и остальным телам мира и их нагревать, являясь той средой, при помощи которой тела, отдаленные друг от друга, сообщают теплоту без посредничества чего-либо ощутимого».

Итак, Ломоносов задолго до Больцмана, Голицына и Вина включил тепловое излучение в термодинамику. Термодинамика Ломоносова—замечательное достижение научной мысли XVIII века, далеко опередившее свое время.

Возникает вопрос: почему же Ломоносов отказался рассматривать как тепловое поступательное движение частиц, а остановился на вращательном движении? Это предположение очень ослабило его работу, и теория Д. Бернулли значительно ближе подошла к позднейшим исследованиям Клаузиуса и Максвелла, чем теория Ломоносова. На этот счет у Ломоносова были весьма глубокие соображения. Ему надо было объяснить такие противоречащие друг другу вещи, как сцепление и упругость, связанность частиц тела и способность тел к расширению. Ломоносов был ярым противником дальнодействующих сил и не мог прибегать к ним при рассмотрении молекулярного строения тел. Он не хотел также сводить объяснение упругости газов к упругим ударам частиц, т. е. объяснять упругость упругостью. Он искал механизм, который позволил бы объяснить и упругость и тепловое расширение наиболее естественным образом. В работе «Опыт теории упругости воздуха» он отвергает гипотезу упругости самих частиц, которые, по Ломоносову, «лишены всякого физического сложения и организованного строения...» и являются атомами. Поэтому свойство упругости проявляют не единичные частицы, не имеющие какой-либо физической сложности и организованного строения, но производит совокупность их. Итак, упругость газа (воздуха), по Ломоносову, является «свойством коллектива атомов». Сами атомы, по Ломоносову, «должны быть телесными и иметь протяжение», форму их он считает «весьма близкой» к шарообразной. Явление возникновения теплоты при трении заставляет его принять гипотезу, что «воздушные атомы шероховаты». Тот факт, что упругость воздуха пропорциональна плотности, заставляет Ломоносова заключить, «что она происходит от какого-то непосредственного взаимодействия его атомов». Но атомы, по Ломоносову, не могут действовать на расстоянии, а действуют только при контакте. Сжимаемость воздуха доказывает наличие в нем пустых промежутков, которые делают невозможным взаимодействие атомов. Отсюда Ломоносов приходит к динамической картине, когда взаимодействие атомов сменяется во времени образованием пустого пространства между ними, а пространственное разделение атомов сменяется контактом. «Итак, очевидно, что отдельные атомы воздуха, в беспорядочном чередовании, сталкиваются с ближайшими через нечувствительные промежутки времени, и когда одни находятся в соприкосновении, иные друг от друга отскакивают и наталкиваются на ближайшие к ним, чтобы снова отскочить; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны». Ломоносов в этом рассеянии во все стороны и видит упругость. «Сила упругости состоит в стремлении воздуха распространиться во все стороны».

Надо, однако объяснить, почему атомы при взаимодействии отскакивают друг от друга. Причина этому, согласно Ломоносову, тепловое движение: «Взаимодействие атомов воздуха обусловлено только теплотою». А так как теплота состоит во вращательном движении частиц, то для объя снения их отталкивания достаточно рассмотреть, что произойдет, когда соприкасаются две вращающиеся шарообразные шероховатые частицы. Ломоносов показывает, что они оттолкнутся друг от друга, и иллюстрируют это хорошо известным ему с детских Лет примером отскакивания волчков («кубарей»), которые пускают мальчики на льду. Когда такие вращающиеся волчки соприкасаются, они отскакивают друг от друга на значительные расстояния. Таким образом, упругие столкновения атомов, по Ломоносову, обусловлены взаимодействием их вращательных моментов. Вот для чего ему понадобилась гипотеза теплового вращательного движения частиц! Тем самым Ломоносов полностью обосновал модель упругого газа, состоящего из хаотически движущихся и соударяющихся частиц.

Эта модель позволила Ломоносову не только объяснить закон Бойля — Мариотта, но и предсказать отступления от него при больших сжатиях. Объяснение закона и отступлений от него дано Ломоносовым в труде «Прибавление к размышлениям об упругости воздуха», напечатанном в том же томе «Новых Комментариев» Петербургской Академии наук, в котором были напечатаны и две предыдущие работы. В работах Ломоносова встречаются и неверные утверждения, вполне объясняемые уровнем знаний того времени. Но не они определяют значение работ ученого. Нельзя не восхищаться смелостью и глубиной научной мысли Ломоносова, создавшего в младенческую пору науки о теплоте мощную теоретическую концепцию, далеко опередившую эпоху. Современники не пошли по пути Ломоносова, в теории теплоты, как было сказано, воцарился теплород, физическое мышление XVIII столетия требовало различных субстанций: тепловых, световых, электрических, магнитных. Обычно в этом усматривается метафизический характер мышления естествоиспытателей XVIII в., некоторая его реакционность. Но почему же оно стало таким? Думается, что причина этого кроется в прогрессе точного естествознания. В XVIII в. научились измерять теплоту, свет, электричество, магнетизм. Для всех этих агентов были найдены меры, так же как они были найдены давным-давно для обычных масс и объемов. Этот факт сближал невесомые агенты с обычными массами и жидкостями, вынуждал рассматривать их как аналог обычных жидкостей. Концепция «невесомых» была необходимым этапом в развитии физики, она позволила глубже проникнуть в мир тепловых, электрических и магнитных явлений. Она способствовала развитию точного эксперимента, накоплению многочисленных фактов и их первичной интерпретации.

Учение о теплоте развивалось в XVIII в. в тесной связи с химией и оптикой. Огонь, как известно, дает тепло и свет, вызывает химические превращения.

Все это заставляло ученых искать взаимосвязи между тепловыми, химическими и световыми явлениями. Ломоносов был решительным противником теплорода, но он не мог отрицать тесной взаимосвязи между светом и химическим строением тела. Его «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее», прочитанное им на академическом собрании 1 июля 1756 г., содержит теорию цветов, непосредственно связанную с тогдашними химическими представлениями. Согласно воззрениям Ломоносова, свет представляет собой волновое движение эфира. Цвета же обусловлены существованием трех сортов частиц эфира, соответствующих трем химическим материям: соляной, серной и ртутной. «Я приметил, — говорит Ломоносов,— и чрез многие годы многими прежде догадками, а после доказательными опытами с довольною вероятностию утвердился, что три рода эфирных частиц имеют совмещение с тремя родами действующих первоначальных частиц, чувствительные тела составляющих, а именно: первой величины эфир с соляною, второй величины со ртутною, третьей величины с серною или горячею первоначальною матернею; а с чистою землею, с водой и воздухом совмещение всех тупо, слабо и несовершенно. Наконец, нахожу, что от первого рода эфира происходит цвет красный, от второго — желтый, от третьего — голубой. Прочие цвета рождаются от смешения первых».

Это — одна из попыток связать цвета тел с их химической структурой. Одновременно Ломоносов пытается физически интерпретировать цветность светового луча.

Вопрос о физической природе белого цвета и цветов занимал Ньютона и Гука, Ломоносова и Эйлера. Эйлер выдвинул своеобразную резонансную теорию цветов и также примкнул к волновой теории света, игнорируя, однако, принцип Гюйгенса. Принцип Гюйгенса в XVIII в. «не работал», вообще волновая теория света, несмотря на ее поддержку Ломоносовым и Эйлером, была оставлена. Всеобщее увлечение гипотетическими «флюидами», «невесомыми» отразилась и на оптике. Корпускулярная, «вещественная»теория светаза-воевала всеобщее признание.

Заметим, что именно в XVII в. проявляется большой интерес к световым измерениям и именно отсюда датируется фотометрия. Причины этого, с одной стороны, лежат в практических потребностях. Вопросы освещения, в частности уличного освещения больших городов, освещения дворцов, устройство маячных фонарей, приобрели большое значение. Лавуазье занимался этими вопросами в Париже, Ломоносов принимал активное участие в устройстве парадных иллюминаций. Кулибин конструировал фонари. Измерение силы света различных источников и освещенности стало интересовать ученых. С другой стороны, методы точного естествознания, распространяясь все шире и шире, не смогли не затронуть область световых явлений, фотометрия была необходима и для науки, и для практики.

Основателями фотометрии были француз Пьер Бугер (1698-1758), издавший в 1729 г. «Опыт о градации света» и написавший «Оптический трактат о градации света», изданный посмертно в 1760 г., и эльзасец И. Г. Ламберт (1728—1777), «фотометрия» которого была издана также в 1760 г.

Вопрос о распределении света и освещенности издавно интересовал живописцев, и вполне естественно, что такой художник-исследователь, какЛеонардо, был одним из первых экспериментаторов фотометристов. С. И. Вавилов писал о нем: «Его рисунки и пояснения к ним не оставляют никакого сомнения в том, что Леонардо экспериментировал с фотометрической установкой типа Румфорда».

В «Оптическомтрактате» Бугера введены такие фотометрические понятия, как «световой поток» (у Бугера — «количество света»), «сила света источника» (у Бугера—«абсолютная сила света»), «освещенность» (у Бугера—«сила света»), «яркость», которую Бугер называет то интенсивностью света, то яркостью света. Основной принцип фотометрических измерений Бугер формулирует следующим образом: «Заставим сначала лучи от этих двух светящих тел (исследуемого источника и свечи— эталона. —П. К.) падать под одинаковым углом на два различных участка поверхности, которую мы будем удалять на большее или меньшее расстояние от светильника или от свечи до тех пор, пока эти два участка поверхности не станут казаться нам совершенно одинаково освещенными. Тогда остается лишь измерить оба расстояния, и их квадраты будут выражать отношение абсолютных сил света двух светящих тел».

Бугер сконструировал простой фотометр, разработал методы уравнивания создаваемых различными источниками освещенностей, выполнил обширную программу фотометрических измерений. В частности, он установил весьма важный закон поглощения света, согласно которому интенсивность светового потока убывает с толщиной поглощающего слоя по экспоненциальному закону.

С.И.Вавилов и В.Л.Левшин тщательно исследовали справедливость закона Бугера при разных интенсивностях и нашли, что он остается справедливым при изменении интенсивности в 1020 раз. В книге «Микроструктура света» С.И.Вавилов вскрыл сложные и тонкие физические причины нарушения закона, о которых, понятно, классическая оптика не имела никакого представления.

Заметим, что закон Бугера и закон зависимости освещенности от расстояния источника света до освещаемой поверхности неправильно назывались в учебниках законами Ламберта. С.И.Вавилов много сделал для восстановления исторической справедливости по отношению к Бугеру.

Ламберт уточнил основные фотометрические понятия и соотношения, к закону зависимости освещенности от расстояния он добавил закон зависимости освещенности от угла наклона падающих лучей, сформулировал закон зависимости яркости источника от «угла истечения» света из источника. Этот закон Ламберта справедлив для абсолютно черного тела (яркость пропорциональна синусу угла, образованного выходящими лучами с поверхностью излучающегося тела). Ламберт, однако, полагал его справедливым вообще и в частности, полагал, что вследствие этого закона Солнце должно казаться равномерно освещенным диском в противоположность утверждению Бугера, что яркость Солнца убывает от центра к периферии.