Развитие наук о неорганической природе в ХVIII -ХIХ веках
1. Развитие физики в ХVIII в.
На развитие физики в XVIII в. оказало существенное влияние наследство, полученное ею от предыдущего, ХVII века и особенно учение Ньютона. Развитие физики в XVIII в. предстает именно как развитие идей Ньютона, выполнением завещанной им программы распространения основных положений механики на всю физику.
На развитие физики существенное влияние оказывает и технический прогресс. Развитие производительных сил определяет потребность в разработке теории машин и механизмов, механики твердого тела. Исследование законов теплоты - одна из центральных тем физики ХVIII века. Термометрия, калориметрия, плавление, испарение, горение - изучение всех этих процессов становится особенно актуальным. Появляются серьезные исследования по теплофизике, электричеству и магнетизму. Эти разделы физики оформляются в самостоятельные области физической науки и достигают в XVIII в. первых успехов. В результате, в XVIII в. в качестве самостоятельных складываются все основные разделы классической физики.
Особенно быстрыми темпами развивается механика. Трудами т.н. “континентальных математиков” закладываются основы аналитической механики. В результате работ Эйлера, Даламбера, Лагранжа и других создается аналитический аппарат механики, начинает развиваться аналитическая механика.
В меньшей мере развивается оптика. Но и здесь были получены отдельные важные результаты: зарождается фотометрия; начинается изучение люминисценции, ставится вопрос о влиянии движения источников света и приемников, регистрирующих световые сигналы, на оптические явления. Впервые этот вопрос был поставлен открытием аберрации света английским астрономом Брадлеем в 1728 г.
Огромные успехи, достигнутые в небесной механике благодаря введению понятия силы (тяготения), способствовали распространению такой постановки вопроса и на другие разделы физики. Формируется общее убеждение, что не только движение планет, но и другие физические явления могут быть представлены как результат движения определенных материальных тел под действием определенных сил. Последователи Ньютона пытались объяснить различные физические явления, поставив им в соответствие различного рода силы, - магнитные, электрические, химические и др. Таким образом, был введен ряд сил: электрические, магнитные и др. Эти силы действуют, по мнению физиков, на расстоянии, так же как и силы тяготения. Носители сил – тонкие невесомые “материи”, которые определяют те или иные свойства тел. Так появляется учение о “невесомых”, характерное для физики XVIII в.
Так объясняли и природу теплоты. Нагревание тела связывали с присутствием некой жидкости – теплорода, частицам которого также присущи определенные силы. Например, между частицами теплорода действуют отталкивающие силы, а между частицами теплорода и частицами материальных тел – силы притяжения.
В первой половине XVIII в. были получены качественно новые результаты в области изучения электрических явлений. Так, в 1729 г. англичанин Грей открыл явление электропроводности. Он обнаружил, что электричество способно передаваться некоторыми телами, и все тела были разделены им на проводники и непроводники. Француз Дюфей (1698-1739) открывает существование отрицательного и положительного электричества и обнаруживает, что “однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются”. Следующим важным шагом в изучении электрических явлений было изобретение лейденской банки. (Оно было сделано почти одновременно немецкими учеными Клейстом и Мушенбруком. Название связано с городом Лейденом, где Мушенбрук проделал первые опыты с лейденской банкой.). Важность этого изобретения заключалась в том, что теперь физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Это изобретение привело к усилению интереса среди ученых к изучению электрических явлений и способствовало утверждению представления о возможности практического применения электричества, в том числе и в лечебных целях. (Опыты с электричеством стали модными и даже превратились в забаву: их производили и в лабораториях ученых, и в аристократических гостиных, и даже в королевских дворцах. Известно, например, что Людовик XV и его двор забавлялись, пропуская через цепь солдат разряд электричества).
Практическое значение исследования электрических явлений приобрели также в связи с открытием электрической природы молнии. Мысль об электрической природе молнии высказывалась и до изобретения лейденской банки. Однако только после того, как стало возможным искусственно получать большие заряды, она получила достаточное основание. Известный американский ученый, активный участник войны за независимость Северо-Американских колоний и общественный деятель Бенджамен Франклин (1706 – 1790), много занимавшийся исследованием электрических явлений, изложил гипотезу об электрической природе молнии и предложил экспериментальный метод проверки этой гипотезы.
С середины XVIII в. учение об электричестве и магнетизме развивается более быстрыми темпами. В это время формируются понятие электрического заряда и закон сохранения электрического заряда. Понятие электрического заряда и закон его сохранения складываются в работах Франклина, который рассматривал электрические явления как проявление некоторой “электрической материи”. Новый этап в истории учения об электричестве и магнетизме начинается с установления основного закона электростатики и магнитостатики – закона Кулона, открытого в 80-х годах французским физиком Кулоном.
Таким образом, к рубежу XVIII – XIX вв. природа электричества частично прояснилась. Выяснилось, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом “обратных квадратов”, который Ньютон вывел ранее для гравитации. Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого Кавендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.
2. Характерные черты физики первой половины ХIХ века
В первой половине ХIХ века в передовых странах Европы происходит промышленный переворот - переход от мануфактурного производства к машинному производству.
Промышленный переворот способствует развитию крупной машинной индустрии. Еще более высокими темпами, чем в XVIII в. развиваются различные отрасли промышленности: металлургическая, горнодобывающая, химическая, металлообрабатывающая и т. д. Машинная индустрия требует постоянного совершенствования техники - внедрения новых технологических методов, улучшения организации производства и др. А это, в свою очередь, требует применения и постоянного развития естественнонаучных знаний. Естествознание все в большей степени становится элементом производительных сил, его развитие теснейшим образом связывается с развитием практики, промышленного и сельскохозяйственного производства. Все чаще развитие практики, ее потребности определяют цели и задачи естествознания. В этих условиях физическая наука развивается более быстрыми темпами. Производство непрерывно ставит перед ней все новые и новые проблемы, доставляя одновременно и новый экспериментальный материал.
В тесном единстве с естествознанием происходит становление прикладных наук, прежде всего технических. Например, значительное развитие получает новая отрасль – теплотехника. Возникновение теплотехники было непосредственной реакцией на промышленный переворот, энергетической основой которого являлась паровая машина. Изобретенная еще в ХVIII в., паровая машина становится универсальным двигателем. Она применяется не только на промышленных предприятиях, но и на транспорте, приобретая все большее значение в технике. (В 1807 г. в Америке Фультоном был построен первый практически пригодный пассажирский пароход К 30-м годам уже налаживаются регулярные речные, морские и океанские пароходные сообщения. Паровую машину устанавливают на военных кораблях, ее используют в качестве двигателя и на сухопутном транспорте. Первая железная дорога (с локомотивом Стефенсона) была открыта в 1825 г. в Англии, а затем и в других странах. В течение короткого времени сеть железных дорог покрыла территорию Европы и Северной Америки. ). В первой половине ХIХ века теплотехника своими обобщениями и потребностями оказывала значительное влияние на развитие физики.
В первой половине XIX в. – зарождается и электротехника, изучающая закономерности применения электричества в технике. Прежде всего электричество используют для связи. Вскоре после открытия Эрстедом в 1819 г. действия электрического тока на магнитную стрелку возникает идея построить электромагнитный телеграф. (В 1832 г. в Петербурге уже демонстрировался первый практически действующий телеграф русского изобретателя П. Л. Шиллинга. Быстро появляются другие конструкции телеграфа. Американский изобретатель Морзе создает наиболее совершенную конструкцию электромагнитного телеграфа. В 1844 г. в Соединенных Штатах Америки была построена первая телеграфная линия, а в конце 40-х годов в Америке их было уже несколько десятков. Телеграфные линии начинают появляться и в Европе.).Были предприняты первые попытки использования электричества в качестве двигательной силы. Возникает новая область электротехники – гальванопластика, изобретателем которой был русский академик Б. С. Якоби.
Быстро развиваются в первой половине XIX в. все разделы физики, но особенно оптика, а также учение об электричестве и магнетизме. В этот период складываются основы волновой оптики, теории дифракции, интерференции и поляризации. В учении об электричестве и магнетизме возникает новый, быстро развивающийся раздел – учение об электромагнетизме. Результаты развития технических наук, в частности теплоэнергетики (в связи с усовершенствованием парового двигателя), электротехники и др., ставят на повестку дня проблему исследования не просто отдельных форм движения, а их взаимных превращений и переходов. В первой половине ХIХ века физика ориентируется на изучение не только отдельных типов физических явлений, но и связей между ними (превращение тепла в механическое движение, и наоборот, связь между электричеством и магнетизмом, между химическими и электрическими процессами и т. д.).