История физики

XVIII век. Механика, теплород, электричество. 

В XVIII веке ускоренными  темпами развивались механика, небесная механика, учение о теплоте. Начинается исследование электрических и магнитных  явлений. Картезианство, не подтверждаемое опытом, быстро теряет сторонников. 

Создание аналитической  механики (Эйлер, Лагранж) завершило превращение теоретической механики в раздел математического анализа. Утверждается общее мнение, что все физические процессы — проявления механического движения вещества. Ещё Гюйгенс решительно высказывался за необходимость такого представления о природе явлений: 

Истинная философия  должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по моему  мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем потерять надежду  что-либо понимать в философии («Трактат о свете»).

 

Герман  фон Гельмгольц 

Даже в XIX веке в  первичности механики не сомневался Гельмгольц: 

Конечной целью  всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти  движения, то есть слияние этих наук с механикой. 

Представление о «тонких  материях», переносящих тепло, электричество  и магнетизм, в XVIII веке сохранилось  и даже расширилось. В существования  теплорода, носителя теплоты, верили многие физики, начиная с Галилея; однако другой лагерь, в который входили Декарт, Гук, Даниил Бернулли и Ломоносов, придерживался молекулярно-кинетической гипотезы. 

В начале века голландец  Фаренгейт изобрёл современный термометр на ртутной или спиртовой основе, и предложил шкалу Фаренгейта. До конца века появились и другие варианты: Реомюр (1730), Цельсий (1742) и другие. С этого момента открывается возможность измерения количества тепла в опытах. 

1734: французский учёный Дюфе обнаружил, что существуют 2 вида электричества: положительное и отрицательное. 

1745: изобретена лейденская банка. Франклин развивает гипотезу об электрической природе молнии, изобретает громоотвод. Появляются электростатическая машина, электрометр Рихмана. 

1784: запатентована  паровая машина Уатта. Начало  широкого распространения паровых двигателей. 

1780-е годы: открыт  и обоснован точными опытами  закон Кулона. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

XIX век 

Волновая  теория света 

Через сто лет после  появления «Начал» авторитет  Ньютона достиг высшей точки. Его  критика волновой теории света была признана большинством учёных не только в Англии, но и на континенте, хотя убедительного объяснения явлениям дифракции и интерференции так и не было дано. Частично это объяснялось тем, что полная математическая теория волновых колебаний была создана только в начале XIX века (Фурье). 

Первый удар по корпускулярной (эмиссионной) теории света нанёс Томас Юнг, врач, специалист по физиологической оптике. Отметим, что он также построил правильную теорию цветового зрения и аккомодации. В 1800 году Юнг разработал волновую теорию интерференции (и ввёл сам этот термин) на основе сформулированного им принципа суперпозиции волн. По результатам своих опытов он довольно точно оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах. Юнг рассматривал свет как упругие (продольные) колебания эфира. 

Волновая теория Юнга была встречена враждебно. Как раз  в это время было глубоко изучено  явление двойного лучепреломления  и поляризации света (Брюстер, Араго, Био, Лаплас), воспринятое как решающее доказательство в пользу эмиссионной  теории. Но тут в поддержку волновой теории (ничего не зная о Юнге) выступил Огюстен Жан Френель, в то время дорожный инженер-строитель. Рядом остроумных опытов он продемонстрировал чисто волновые эффекты, совершенно необъяснимые с позиций корпускулярной теории, а его мемуар, содержащий всестороннее исследование с волновых позиций и математическую модель всех известных тогда свойств света (кроме поляризации), победил на конкурсе Парижской Академии наук (1818). 

Курьёзный случай описывает Араго: на заседании комиссии академиков Пуассон выступил против теории Френеля, так как из неё следовало, что при определённых условиях в центре тени от непрозрачного кружка мог появиться ярко освещённый участок. На следующем заседании Френель продемонстрировал членам комиссии этот эффект. 

С этих пор формулы  Френеля для дифракции, преломления  и интерференции вошли во все  учебники физики. 

Оставалось понять механизм поляризации. Ещё в 1816 году Френель обсуждал возможность того, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Это легко объяснило бы явление поляризации. Юнг в это время тоже пришёл к такой идее. Однако поперечные колебания ранее встречались только в несжимаемых твёрдых телах, в то время как эфир считали близким по свойствам к газу или жидкости. Незадолго до тяжёлой болезни Френель представил мемуар с описанием новых опытов и полную теорию поляризации, сохраняющую значение и в наши дни. 

Классическая волновая оптика была завершена, поставив в то же время труднейший вопрос: что  же такое эфир? 

Следующие почти сто  лет обозначены триумфальным успехом волновой теории во всех областях. 

1832: Уильям Гамильтон  открыл тонкий эффект (коническую  рефракцию в двухосных кристаллах), который сначала обнаружился  при анализе математической модели, а затем подтверждён экспериментально. 

1850: опыт Физо показал,  что скорость света в воде  уменьшается (в эмиссионной теории  она должна была увеличиться). 

Возникновение электродинамики 

К концу XVIII века в  активе физики электромагнитных явлений  были уже теория атмосферного электричества  Франклина и закон Кулона. Стараниями Гаусса и Грина электростатика была в основном разработана. Для опытов использовали электризацию трением, лейденскую банку и электростатическую машину, изобретённую в 1775 году Алессандро Вольта. 

Новый мощный источник электричества был случайно открыт врачом Луиджи Гальвани и описан им в трактате, изданном в 1791 году; он заметил, что при контакте лапки лягушки с двумя разнородными металлами происходят судороги мышц. Гальвани дал этому явлению ошибочное объяснение («животное электричество»). Правильное объяснение дал Вольта: при контакте некоторых разнородных металлов с электролитом возникает электродвижущая сила. 

В 1800 году Вольта собрал первый «вольтов столб», при помощи которого исследовал ток в замкнутых  цепях. Опубликование письма Вольты президенту Лондонского Королевского общества Бэнксу произвело сенсацию; Наполеон пригласил Вольту в Париж, лично присутствовал на демонстрации опыта, осыпал наградами и почестями. 

Благодаря этим первым батареям постоянного тока были сделаны два выдающихся открытия:

электролиз: в том  же 1800 году Никольсон и Карлайл  разложили воду на водород и кислород, а Дэви в 1807 году открыл металлический  калий.

электрическая дуга: В. В. Петров и Дэви.

 

Лаплас 

Но главные сенсационные события начались в 1820 году, когда Эрстед обнаружил отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм, построили в том же году Био, Савар и позже Лаплас (см. Закон Био — Савара — Лапласа). 

Незамедлительно последовал новый каскад открытий:

первый электродвигатель (1821, Фарадей)

термоэлемент (1821, Зеебек)

закон Ома (1827). 

Ампер предложил термин «электродинамика» и в 1826 году издал  монографию «Теория электродинамических  явлений, выведенная исключительно  из опыта». Он открыл электромагнит (соленоид), предсказал электрический телеграф (реализован Морзе в 1835 году). Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники.

 

Фарадей, Майкл 

Силы, введенные Ампером, как и у Ньютона, считались  дальнодействующими. Это положение решительно оспорил Майкл Фарадей, который в 1831 году открыл электромагнитную индукцию. В результате серии опытов он сформулировал (словесно) свойства электромагнитного поля, позже математически отражённые Максвеллом: изменение магнитного потока генерирует электродвижущую силу и вихревое электрическое поле. 

Фарадей показал, что  все известные тогда виды электричества  тождественны, открыл законы электролиза, ввёл термины: ион, катод, анод, электролит, диамагнетизм, парамагнетизм и др. Фарадей отстаивал физическую реальность силовых линий; однако учёные того времени, уже свыкшиеся с дальнодействием ньютонового притяжения, теперь уже к близкодействию относились с недоверием. 

В 1845 году Фарадей  обнаружил поворот плоскости  поляризации света в магнитном поле. Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны. 

Позже Фарадей исследовал самоиндукцию, открытую в 1832 году американским учёным Генри, свойства диэлектриков, разряды в газах и др. 

1866: запущен трансатлантический  электротелеграф. 

1870-е годы: изобретен  телефон. 

1880-е годы: лампа  накаливания. 

Теория  электромагнитного  поля 

После открытий Фарадея  стало ясно, что старые модели электромагнетизма (Ампер, Пуассон и др.) неполны, а  взгляды самого Фарадея не были математически  оформлены. Вскоре появилась теория Вебера, основанная на дальнодействии. Однако к этому моменту вся физика, кроме теории тяготения, имела дело только с близкодейственными силами (оптика, термодинамика, механика сплошных сред и др.). Гаусс, Риман и ряд других учёных высказывали уверенность, что свет имеет электромагнитную природу, откуда следовало, что теория электромагнитных явлений тоже должна быть близкодейственной. 

Важным фактором стала  и глубокая разработка к середине XIX века теории дифференциальных уравнений в частных производных для сплошных сред — по существу был готов математический аппарат теории поля. 

В этой атмосфере и  появилась теория Максвелла, которую  её автор скромно называл математическим пересказом идей Фарадея. 

В первой работе (1855—1856) Максвелл дал ряд уравнений в интегральной форме для постоянного электромагнитного поля на основе гидродинамической модели (силовые линии соответствовали трубкам тока). Эти уравнения вобрали всю электростатику, электропроводность и даже поляризацию. Магнитные явления моделируются аналогично. Во второй части работы Максвелл, уже не приводя никаких аналогий, строит модель электромагнитной индукции. 

В последующих работах  Максвелл формулирует свои уравнения  в дифференциальной форме и вводит ток смещения. Он предсказывает существование электромагнитных волн и показывает, что их скорость равна скорости света, предсказывает давление света. 

Завершающий труд Максвелла  — «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) содержит полную систему уравнений поля в символике Хевисайда, который предложил наиболее удобный для этого аппарат — векторный анализ. Современный вид уравнениям Максвелла позже придал Герц. 

Часть физиков выступила  против теории Максвелла (особенно много возражений вызвала концепция тока смещения). Гельмгольц предложил свою теорию, компромиссную по отношению к моделям Вебера и Максвелла, и поручил своему ученику Генриху Герцу провести её проверку. Опыты Герца однозначно подтвердили правоту Максвелла. 

Уже в 1887 году Герц построил первый в мире радиопередатчик (вибратор Герца); приёмником служил резонатор (разомкнутый проводник). В том же году Герц обнаружил ток смещения в диэлектрике (заодно открыв фотоэффект). В следующем году Герц открыл стоячие электромагнитные волны, позже с хорошей точностью измерил скорость распространения волн, обнаружил для них те же явления, что и для света: отражение, преломление, интерференция, поляризация и др. 

В 1890 году Бранли изобрёл чувствительный приёмник радиоволн — когерер. Как ни странно, прошло несколько лет, прежде чем Попов и Маркони догадались соединить когерер с электрозвонком, создав первый аппарат для радиосвязи. Когерер ловил радиоволны на расстоянии до 40 метров (Оливер Лодж, 1894), а с антенной — намного дальше. Так началась эра радио.