Текст книги "100 великих научных открытий"

Автор книги: Дмитрий Самин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 46 страниц)

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА

«В свое время Ньютон был убежден в том, что свет состоит из мельчайших частичек, скорость перемещения которых практически бесконечна, – говорит Т.Редже в предыстории вопроса. – Его современник Гюйгенс, напротив, был сторонником волнового механизма распространения света, подобного процессу распространения звука в воздухе или в любой материальной среде. Непререкаемый авторитет Ньютона не допустил признания гипотезы Гюйгенса.

В 1700 году Юнг, Френель и некоторые другие ученые приступили к исследованию оптических явлений, непонятных с точки зрения представлений Ньютона. Эти явления прямо указывали на волновую природу света. Как ни парадоксально, но среди этих явлений были и кольца Ньютона, хорошо известные фотографам и возникающие, когда диапозитив помещается между стеклянными пластинами. Яркая окраска некоторых насекомых также возникает в результате сложных процессов интерференции световых волн, происходящих в тонких слоях жидких кристаллов, расположенных на поверхности тела насекомых».

Однако, несмотря на очевидные успехи волновой механической теории света во второй половине XIX века, она была подвергнута сомнению по двум причинам. Одна – опыты Фарадея, открывшего действие магнитного поля на свет. Другая – исследования связи между электрическими и магнитными явлениями, которые проводил Максвелл. «Открытие электромагнитной природы света является великолепной иллюстрацией диалектики развития содержания и формы, – пишет П.С. Кудрявцев. – Новое содержание – электромагнитные волны – было выражено в старой форме картезианских вихрей.

Несоответствие нового содержания, появившегося в результате развития электромагнетизма, не только старой форме теории дальнодействия, но и механической теории эфира ощущал уже Фарадей, искавший для выражения этого содержания новую форму. Такую форму он усматривал в силовых линиях, которые следовало рассматривать не статически, а динамически. Развитию этой мысли посвящены его работы „Мысли о лучевых вибрациях“ (1846) и „О физических линиях магнитной силы“ (1851).

Открытие Фарадеем в 1845 году связи между магнетизмом и светом явилось новым содержанием в учении о свете и вместе с тем еще раз указывало на строгую поперечность световых колебаний. Все это плохо укладывалось в старую форму механического эфира». Фарадей выдвигает идею силовых линий, в которых происходят поперечные колебания. «Нельзя ли, – пишет он, – предположить, что колебания, которые в известной теории (волновой теории света. – Прим. авт.) принимаются за основу излучения и связанных с ним явлений, происходят в линиях сил, соединяющих частицы, а следовательно, массы материи в одно целое. Эта идея, если ее допустить, освободит нас от эфира, являющегося с другой точки зрения той средой, в которой происходят эти колебания».

Ученый указывает, что колебания, происходящие в линиях сил, представляют собой не механический процесс, а новую форму движения, «некий высший тип колебания». Подобные колебания поперечны и потому могут «объяснить чудесные разнообразные явления поляризации». Они не похожи на продольные звуковые волны в жидкостях и газах. Его теория, как он говорит, «пытается устранить эфир, но не колебания». Эти магнитные колебания распространяются с конечной скоростью:

«…Появление изменения в одном конце силы заставляет предполагать последующее изменение на другом. Распространение света, а потому, вероятно, всех лучистых действий, требует времени, и чтобы колебание линий силы могло объяснить явления излучения, необходимо, чтобы такое колебание также занимало время».

Поиски новой формы привели ученого к становлению важной идеи поперечных магнитных колебаний, распространяющихся, как и свет, с конечной скоростью. Но это и есть центральная идея электромагнитной теории света – мысль, возникшая еще в 1832 году.

Максвелл отмечал в записке к В.Бреггу: «Электромагнитная теория света, предложенная им (Фарадеем) в „Мыслях о лучевых вибрациях“ (май, 1846) или „Экспериментальных исследованиях“, – это по существу то же, что я начал развивать в этой статье („Динамическая теория поля“ (май, 1865), за исключением того, что в 1846 году не было данных для вычисления скорости распространения».

Подобное признание, однако, не принижает заслуг в исследовании электромагнитного поля Джеймса Максвелла.

Джеймс Максвелл (1831–1879) родился в Эдинбурге. Вскоре после рождения мальчика родители увезли его в свое имение Гленлэр. Сначала приглашали учителей на дом. Потом решено было отдать Джеймса в новую школу, носившую громкое название Эдинбургской академии. Максвелл окончил академию одним из первых, и перед ним распахнулись двери Эдинбургского университета.

Будучи студентом, Максвелл выполнил серьезное исследование по теории упругости, получившее высокую оценку специалистов. И теперь перед ним встал вопрос о перспективе его дальнейшей учебы в Кембридже. Объем знаний Максвелла, мощь его интеллекта и самостоятельность мышления позволили ему добиться высокого места в своем выпуске. Он и занял второе место.

Молодой бакалавр был оставлен в Кембридже – Тринити-колледже в качестве преподавателя. Однако его волновали научные проблемы. Помимо его старого увлечения – геометрии и проблемы цветов, которой он начал заниматься еще в 1852 году, Максвелл заинтересовался электричеством.

20 февраля 1854 года Максвелл сообщает Томсону о своем намерении «атаковать электричество». Результат «атаки» – сочинение «О Фарадеевых силовых линиях» – первое из трех основных трудов Максвелла, посвященных изучению электромагнитного поля. Слово «поле» впервые появилось в том самом письме Томсону, но ни в этом, ни в последующем сочинении, посвященном силовым линиям, Максвелл его не употребляет. Это понятие снова появится только в 1864 году в работе «Динамическая теория электромагнитного поля».

Он публикует две основные работы по созданной им теории электромагнитного поля: «О физических силовых линиях» (1861–1862 годы) и «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864–1865 годы). За десять лет Максвелл вырос в крупнейшего ученого, творца фундаментальной теории электромагнитных явлений, ставшей, наряду с механикой, термодинамикой и статистической физикой, одним из устоев классической теоретической физики.

«Трактат по электричеству и магнетизму» – главный труд Максвелла и вершина его научного творчества. В нем он подвел итоги многолетней работы по электромагнетизму, начавшейся еще в начале 1854 года. Предисловие к «Трактату» датировано 1 февраля 1873 года. Девятнадцать лет работал Максвелл над своим основополагающим трудом!

Исследования, произведенные Максвеллом, привели его к выводу, что в природе должны существовать электромагнитные волны, скорость распространения которых в безвоздушном пространстве равна скорости света – 300 000 километров в секунду.

Возникнув, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света, занимая все больший и больший объем. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет.

«Предположение Максвелла о том, что изменения электрического поля влекут за собой возникновение потока магнитной индукции, явилось следующим шагом вперед, – пишет А.А. Коробко-Стефанов. – Таким образом, возникшее переменное электрическое поле вокруг магнитного, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, охватывающее электрическое, которое вновь возбуждает электрическое, и т. д.

Быстропеременные электрические и магнитные поля, распространяющиеся со скоростью света, образуют электромагнитное поле. Электромагнитное поле распространяется в пространстве от точки к точке, создавая электромагнитные волны. Электромагнитное поле в каждой точке характеризуется напряженностью электрического и магнитного полей. Напряженность электрического и магнитного полей – величины векторные, так как характеризуются не только величиной, но и направлением. Векторы напряженности полей взаимно перпендикулярны и перпендикулярны к направлению распространения».

Поэтому электромагнитная волна является поперечной.

Из теории Максвелла вытекало, что электромагнитные волны возникают в том случае, если изменения напряженности электрического и магнитного полей будут происходить очень быстро.

Справедливость максвелловских представлений опытным путем доказал Генрих Герц. В восьмидесятые годы девятнадцатого века Герц приступил к изучению электромагнитных явлений, работая в аудитории длиной 14 метров и шириной 12 метров. Он обнаружил, что если расстояние приемника от вибратора менее одного метра, то характер распределения электрической силы аналогичен полю диполя и убывает обратно пропорционально кубу расстояния. Однако на расстояниях, превышающих 3 метра, поле убывает значительно медленнее и неодинаково в различных направлениях. В направлении оси вибратора действие убывает значительно быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно на расстоянии 4 метров, тогда как в перпендикулярном направлении оно достигает расстояний, больших 12 метров.

Этот результат противоречит всем законам теории дальнодействия. Герц продолжал исследование в волновой зоне своего вибратора, поле которого он позже рассчитал теоретически. В ряде последующих работ Герц неопровержимо доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. «Результаты опытов, поставленных мною над быстрыми электрическими колебаниями, – писал Герц в своей восьмой статье 1888 года, – показали мне, что теория Максвелла обладает преимуществом перед всеми другими теориями электродинамики».

Поле в этой волновой зоне в различные моменты времени Герц изобразил с помощью картины силовых линий. Эти рисунки Герца вошли во все учебники электричества. Расчеты Герца легли в основу теории излучения антенн и классической теории излучения атомов и молекул.

Таким образом, Герц в процессе своих исследований окончательно и безоговорочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравнениям, дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и показал их тождество с волнами света.

В 1889 году Герц прочитал доклад «О соотношении между светом и электричеством» на 62-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей.

Здесь он подводит итоги своих опытов в следующих словах: «Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла… Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».

В 1890 году Герц опубликовал две статьи: «Об основных уравнениях электродинамики в покоящихся телах» и «Об основных уравнениях электродинамики для движущихся тел». Эти статьи содержали исследования о распространении «лучей электрической силы» и, в сущности, давали то каноническое изложение максвелловской теории электрического поля, которое вошло с тех пор в учебники.

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС

В научную и учебную литературу закон действующих масс входит как один из основных законов химии. То, что процесс химического взаимодействия зависит от количества действующих масс, подтверждали факты, поступавшие как из области органической, так и неорганической химии. Г. Розе (1851), Р. Бунзен (1853), Д Глэдстон (1855) дали материал для доказательства существования обратимых химических превращений и возможности изменения направления реакции путем подбора соответствующих условий ее протекания. Французский химик Сент-Клер Девиль (1818–1881) в 1857 году доказал, что разложение химических соединений может начинаться и ниже температуры их полного разложения.

Ко времени этого открытия Анри Этьен Сент-Клер Девиль был уже профессором Высшей Нормальной школы в Париже. В 1861 году он становится членом Парижской Академии наук. Именно Сент-Клер Девиль разработал первый промышленный способ получения алюминия (1854). Французский ученый предложил и новый метод плавки и очистки платины. Он же произвел синтез различных минералов. Интересно, что в 1869 году Сент-Клер Девиля избрали членом-корреспондентом Петербургской Академии наук.

Итак, в статье 1857 года «О диссоциации, или самопроизвольном разложении веществ под влиянием тепла» (1857) Сент-Клер Девиль показал, что под влиянием температуры происходит разложение водяного пара на кислород и водород при температуре плавления платины (1750 °C) и при температуре плавления серебра (950 °C).

Позднее в лекциях о диссоциации, прочитанных в 1864 году перед Французским химическим обществом, Сент-Клер Девиль формулирует конечный вывод своих экспериментов: «Превращение водяных паров в смесь водорода и кислорода есть полная перемена состояния, соответствующая определенной температуре, и эта температура является постоянной при переходе из одного состояния в другое, в каком бы направлении эти перемены ни происходили». Это «явление самопроизвольного разложения воды я предлагаю назвать диссоциацией».

Надо отметить, что такое определение охватывало лишь случаи, «в которых разложение имеет место частично и при температуре более низкой, чем температура, которая соответствует абсолютному разрушению соединения».

Французский ученый показал: некоторые соединения, даже самые устойчивые, легко диссоциируют при высоких температурах (1200–1500 °C). Устанавливаемым при этом химическим равновесием можно управлять, изменяя температуру и давление.

Сент-Клер Девиль предложил также метод «закаливания» химических реакций. «Оказалось, – пишет Ю. И. Соловьев, – что если очень быстро охладить какую-либо систему, в которой установилось состояние равновесия при высокой температуре, то эта система как бы застывает в том состоянии, в каком застало ее резкое охлаждение. Этот метод „холодно-горячей трубки“ заключался в следующем. Через нагретую до высокой температуры фарфоровую трубку медленно пропускали исследуемый газ. В центре фарфоровой трубки проходила тонкая серебряная трубочка, через которую протекала холодная вода. При пропускании через горячую фарфоровую трубку в противоположном направлении оксида углерода на серебряной трубочке отлагался углерод; при пропускании хлороводорода получался хлорид серебра. Впоследствии В. Нернст показал, что методом „закаливания“ можно количественно изучать равновесие системы, установившееся при высокой температуре.

Сент-Клер Девиль связывал химическое равновесие с двумя взаимообусловленными процессами: соединением и разложением. Труды его по термической диссоциации имели первостепенное значение для дальнейшего развития учения о химических равновесиях».

«…Исследования Анри Сент-Клер Девиля, посвященные явлению диссоциации, – писал Ж. Дюма, – являются величайшим приобретением не только химии, но и физики. Благодаря открытию этого капитального явления (термической диссоциации. – Прим. авт.) он обнаружил новый путь в науке – путь сближения химических явлений с чисто физическими».

Высоко ценил работы Сент-Клер Девиля по диссоциации его продолжатель русский физико-химик Н. Н. Бекетов. Они составляют не только «историческую эпоху в развитии химии», но и «поворот в направлении изучения химии. С этих пор началось опять (почти заброшенное) изучение химических явлений (вместо почти исключительного изучения состава и строения соединений), т. е. изучение статической химии пошло рядом с изучением химии динамической».

Николай Николаевич Бекетов (1827–1911) в 1848 году окончил Казанский университет. С 1859 по 1887 год был профессором химии Харьковского университета. В 1886 году Николай Николаевич становится академиком Петербургской Академии наук. Главные работы ученого посвящены изучению природы химического сродства, химического равновесия и термохимии. В 1864 году Бекетов организовал на физико-математическом факультете Харьковского университета физико-химическое отделение, где сам читал систематический курс лекций по физической химии.

В 1859–1865 годах Бекетов занимался изучением зависимости явлений вытеснения одних элементов другими от внешних физических условий (температура, давление и т. д.). На примере одной из реакций – вытеснения водородом металлов из растворов их солей – показал, что «это действие водорода зависит от давления газа и крепости металлического раствора, или, другими словами, от химической массы восстанавливаемого тела». Он установил, что «химическое действие газов зависит от давления и, смотря по величине давления, может даже совершаться в обратном направлении». Ученый уточняет положение, говоря, что действие газа пропорционально давлению или массе. Бесспорно, данные исследований русского ученого имели большое значение для развития учения о химическом равновесии и для подготовки открытия закона действующих масс.

В 1862 году появилась работа М. Бертло и Л. Пеан де Сен-Жиля, обобщавшая большой фактический материал о зависимости предела реакций этерификации и омыления от количеств взаимодействующих веществ, – «Исследования о сродстве. Об образовании и разложении эфиров».

Следующий шаг делает Анри Дебре (1827–1888), французский химик, работавший в 1855–1868 годах ассистентом Сент-Клер Девиля в Высшей нормальной школе. В 1867–1868 годах преподаватель в Политехнической школы в Париже делает обобщение, давление газообразной составной части или составных частей, полученных в процессе диссоциации, постоянно при любой определенной температуре и не зависит от количества первоначального вещества, претерпевшего разложение. Дебре показал, что во многих случаях, когда твердое вещество диссоциирует, то давление диссоциации зависит не от количества присутствующих веществ, а только от температуры.

Первоначально делались попытки установить коэффициенты сродства для каждого соотношения взятых масс в отдельности. Однако позднее возникает идея найти общий путь вычисления условий равновесия для любых количеств реагирующих веществ.

Като Максимилиан Гульдберг (1836–1902), норвежский физико-химик, профессор технологии университета в Христиании (ныне Осло), и Петер Вааге (1833–1900), норвежский химик, профессор химии университета в Христиании, в работах 1862–1867 годах представили равновесие обратимой обменной реакции как равенство двух сил сродства, действующих в противоположных направлениях. Авторы математически сформулировали закон действующих масс, построив свою теорию на общем условии равновесия При этом они опирались на экспериментальные данные М. Бертло и Пеан де Сен-Жиля, а также собственные результаты. Они придерживались принятого в шестидесятые годы механического толкования природы сил сродства.

Гульдберг и Вааге писали: «Мы полагаем, что для определения величины химических сил необходимо исследовать химические процессы всегда в таких условиях, чтобы одновременно проявлялись их оба противоположных направления… Если считать, что при данном химическом процессе действуют две противоположные силы: одна, стремящаяся образовать новые вещества, и другая – восстановить первоначальные соединения из новых, то делается очевидным, что, когда эти силы в химическом процессе становятся одинаковыми, система находится в равновесии».

В 1867 году в своей монографии «Исследования сил химического сродства» Гульдберга и Вааге показали, что химические реакции протекают как в прямом, так и в обратном направлении. «Сила, вызывающая образование А и В, возрастает пропорционально коэффициенту сродства для реакции А+В=А'+В', но, сверх того, она зависит от масс А и В. Мы вывели из наших опытов, что сила пропорциональна произведению действующих масс двух тел А и В… „Силы“ прямой и обратной реакций уравновешиваются…» Это и есть закон действующих масс.

Гульдберг и Вааге завершают свой труд так: «Хотя мы и не разрешили проблемы химического сродства, мы надеемся, что высказали общую теорию химических реакций, именно рассмотрение тех реакций, при которых имеет место состояние равновесия между противоположными силами… Целью нашего сочинения было показать, во-первых, что наша теория объясняет химические явления в общем, и, во-вторых, что формулы, основанные на этой теории, согласуются достаточно хорошо с количественными опытами… Все наши желания исполнились бы, если бы посредством этого труда мы успели бы привлечь серьезное внимание химиков на ветвь химии, которой, несомненно, слишком пренебрегали с самого начала нынешнего столетия».

В 1879 году появилась новая статья Гульдберга и Вааге – «О химическом сродстве». Здесь ученые дают молекулярно-кинетическое объяснение химических реакций и равновесий вместо представлений о действии статических «сил». Объясняя процесс равновесия противоположных реакций, авторы полагают, что «недостаточно простого предположения о силах притяжения между веществами или их составными частями… Необходимо принять во внимание движение атомов и молекул… Состояние равновесия, которое наступает при такого рода химических процессах, есть состояние подвижного равновесия, так как одновременно имеют место две противоположные химические реакции: протекает не только образование А'и В', но и обратное образование А и В. Если в единицу времени образуются равные количества каждой из этих пар, существует равновесие».

Опираясь на свою трактовку химического равновесия, Гульдберг и Вааге впервые дают кинетический вывод закона действующих масс. Они делают вывод, что скорость реакции определяется вероятностью столкновения вступающих во взаимодействие частиц.

В 1880 году появляется большое число работ в подтверждение закона действующих масс. В дальнейшем удалось установить неприменимость этого закона к неидеальным системам. «Модернизация» формулы концентраций позволила успешно применять закон действующих масс для изучения равновесия химических реакций. Сегодня закон служит основным уравнением химической кинетики, используемым для расчета технологических процессов.