Естествознание xviii -первой половины xix в.

XVIII в. — век Просвещения. Его называют также «золотым веком истории культуры». Это век расцвета материалистического мировоззрения, идеалов рационализма, выдающихся успехов классического естествознания.

Общая характеристика развития физики

Становление основных отраслей классической физики

На развитие физики в XVIII в. существенное влияние оказало насле­дие предыдущего, XVII в. и особенно учение Ньютона. Ньютонианство окончательно побеждает картезианство. Развитие физики в XVIII в. предстает именно как развитие идей Ньютона, выполнение завещанной им программы распространения основных положений механики на всю физику.

Особенно быстрыми темпами развивается механика. Трудами так называемых континентальных математиков закладываются ос­новы аналитической механики. Работами Л. Эйлера, Ж. Д'Аламбера, Ж. Лагранжа и др. создается аналитический аппарат механики, раз­вивается аналитическая механика. 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 XVIII в. Термометрия, калориметрия, плавление, испарение, горение — все эти вопросы становятся особенно актуальными. Проводятся серьезные исследо­вания по теплофизике, электричеству и магнетизму. Эти разделы физики оформляются в самостоятельные области физической науки и достигают первых успехов. Таким образом, в XVIII в. в качестве самостоятельных складываются все основные разделы классической физики.

В меньшей мере развивается оптика. Но и здесь получены от­дельные важные результаты: зарождается фотометрия; изучается люминесценция. В связи с открытием аберрации света английским астрономом Дж. Брадлеем в 1728 г. впервые возникает вопрос о влиянии движения источников света и приемников, регистрирую­щих световые сигналы, на оптические явления. Наблюдая за непо­движными звездами, Брадлей заметил, что они с Земли кажутся не совсем неподвижными, а описывают в течение года малые замкну­тые траектории на небесной сфере. Придерживаясь господствовав­шей тогда корпускулярной теории света, Брадлей очень просто объяснил это явление. Причиной его является движение телескопа вместе с Землей, в результате которого за то время, пока световая частица движется внутри трубы телескопа, весь телескоп (с окуля­ром) перемещается вместе с движением Земли. В простейшем слу­чае, когда направление движения световой частицы и направление движения Земли составляют прямой угол, угол аберрации вычисля­ется по простой формуле

tgδ=v/c,

где v - скорость движения Земли по орбите, с — скорость света. Измерив величину аберрации (изменение угла аберрации в течение года) и зная скорость движения Земли по орбите, Брадлей подсчитал скорость света с и получил значение, близкое к полученному ранее О. Ремером из наблюдений за движением спутников Юпитера.

Характерной особенностью физики на этом этапе является обо­собленность механики, оптики, тепловых, электрических и магнит­ных явлений. Перед физикой еще не встал вопрос об исследовании закономерностей превращений различных физических форм движе­ния. Пока еще физика, выделившись из натурфилософии, не стре­мится к построению единой физической картины мира. Она нацеле­на главным образом на количественные исследования отдельных яв­лений, установление отдельных экспериментальных фактов, выявле­ние частных закономерностей.

Огромные успехи небесной механики, достигнутые благодаря введению понятия силы (тяготения), способствовали распростра­нению такой постановки вопроса и в других разделах физики. Не только движение планет, но и другие физические явления пытались представить как результат движения материальных тел под дейст­вием сил. Последователи Ньютона пытались объяснить различные физические явления, введя понятия о различного рода силах: маг­нитных, электрических, химических и др., которые действуют на расстоянии так же, как и сила тяготения. Носители сил — тонкие невесомые «материи», определяющие те или иные свойства тел. Так появляется характерное для физики XVIII в. учение о «неве­сомых».

Принцип дальнодействия

Но как это обычно бывает, большинство последователей Ньютона нередко отходили от его подлинно глубоких идей, забыв или вовсе не зная о его осторожных и тонких замечаниях. В XVIII в. они крайне упростили ту физическую картину мира, которая проступала перед мысленным взором Ньютона. Так, например, утвердилось представ­ление о существовании бесконечного пустого межпланетного и меж­звездного мирового пространства, между тем как Ньютон склонялся к идее крайней разреженности мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. Утвердился также и жесткий прин­цип дальнодействия как передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Принцип дальнодействия гласит, что если тело А, находящееся в точке а, действует на другое тело В, то тело В, находящееся в точке b, испытывает это воздействие в тот же момент.

Ньютон же считал необходимым наличие некоего передатчика этого действия, «агента», правда, допуская его, быть может, немате­риальную природу. Но подобные тонкости уже не вдохновляли физи­ков века Просвещения, когда научная революция закончилась и набирало темпы развития экспериментальное естествознание. Крите­рии к результатам научных исследований на эволюционном этапе развития физики (по сравнению со временем ньютонианской революции) изменились — они стали более упрощенными, стандартизованными; при этом были нужны немедленный эффект и простейшее обоснование.

Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических объектов незаметно, поскольку притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Лишь высокочувствительные устройства в состоянии уловить грави­тационные эффекты. Только в 1774 г. английский ученый Н. Маскелайн обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением находящейся поблизости горы. В 1797 г. Г. Кавендиш поставил знаменитый эксперимент по измерению едва уловимой силы притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревян­ного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами; это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.

Теория теплорода

Если силы тяготения действуют между всеми материальными телами, то магнитными силами обладает только железо в намагниченном состоянии, а электрические силы присущи многим телам, но только в наэлектризованном состоянии. Поэтому физики стали приписы­вать эти силы не частицам вещества, а якобы находящимся в порах обычных материальных тел неким тонким жидкостям, или «матери­ям». Между этими жидкостями и частицами вещества действуют оп­ределенного рода силы.

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.

Тепловые явления изучали вне связи с другими физическими яв­лениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу. Физики имели дело главным образом с явлениями перераспределе­ния теплоты и ее передачей, когда общее количество теплоты оста­ется неизменным. Они полагали, что теплота переходит от одного тела к другому, сохраняя свое общее количество, подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Они также считали, что теплота «перетекает» по телу, например стержню, без потерь, подоб­но воде по трубам. Это хорошо укладывалось в представление о теп­лоте как о веществе. С помощью вещественной теории теплоты объ­яснялось наличие теплового баланса при калориметрических изме­рениях, явление теплопроводности и т.п.

Первые серьезные сомнения в теории теплорода принадлежат американцу Румфорду. Он обратил внимание на выделение тепла при свержении пушек и пришел к выводу (1798), что количество выделяе­мой теплоты не зависит от объема вещества, из ограниченного коли­чества материи может быть получено неограниченное количество теплоты. Это опровергало теорию теплорода (теплота как субстан­ция, вещество) и прокладывало дорогу для понимания теплоты как формы движения.

Теория теплорода, будучи весьма простой, удовлетворяла эмпи­рическим и формалистическим тенденциям физиков и химиков, общей направленности ньютонианской физики и была исторически необходимым этапом в развитии физики. Она сыграла и положитель­ную роль, объединив целый ряд накопленных фактов и частных тео­рий, и позволила их систематизировать с единой точки зрения. Хотя и в искаженной форме, эта теория отражала некоторые действитель­ные закономерности тепловых явлений. Поэтому она продержалась более столетия, так как не тормозила развитие физической науки и не сразу пришла в противоречие с действительностью.