Текст книги "ИСТОРИЯ ФИЗИКИ"

Автор книги: Макс Лауэ

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 15 страниц)

Перевод с немецкого Т. Н. Горнштейн

Под редакцией и со статьей И. В. КУЗНЕЦОВА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ, МОСКВА 1956

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эту «Историю физики» я писал по приглашению проф. Ротхаккера для «Истории наук»; ее объем поэтому был заранее ограничен. Подробное изложение дано Э. Хоппе в «Handbuch der Physik» (1926) и в трехтомном сочинении Ф. Розенбергера (1882-1890). Но написанная мной небольшая книга занимается больше современностью; особое значение придается развитию физики за последние сто лет.

Мой верный друг д-р Арнольд Берлинер, основатель и в течение долгого времени редактор журнала «Naturwissenschaften», значительно способствовал моему решению предпринять такую, несколько необычную для меня, работу. Он часто настаивал на необходимости переработать историю физики под современным углом зрения. Этот взгляд человека, наделенного таким тонким и верным чутьем в отношении духовных потребностей человечества, постоянно руководил мною во время этой работы. Берлинер в 1942 г. кончил жизнь самоубийством из-за антисемитских преследований. Посвящаю эту книжку его памяти.

Геттинген, март 1947.

К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ

Мои лекции по истории физики в Университете привели к ряду дополнений, которые относятся преимущественно к более отдаленному прошлому. Менее значительные изменения произведены также в других разделах. План всей работы остался прежним.

М. Лауэ, Геттинген, январь 1950.

ВВЕДЕНИЕ

История может быть написана с различных точек зрения при полном сохранении достоверности; оправданной является любая точка зрения, исходя из которой историк может открыть что-либо исторически интересное. История науки также допускает различные точки зрения. Эта книга занимается возникновением и изменением некоторых идей и знаний, важных для современной физики. Подобно тому, как история политики не затрагивает текущей политики, так же и история науки доходит только до тех проблем, которые в настоящее время еще не могут быть признаны решенными.

Мы не будем также заниматься слишком далеким прошлым. Конечно, уже у шумеров, вавилонян и египтян по отдельным вопросам физики были ценные знания, которые, однако, производят впечатление чего-то случайного, несистематического, непродуманного. Из тех областей знания, которыми мы здесь занимаемся, собственно только статика, часть механики, начала развиваться еще в греко-римской древности. Из некоторых дошедших до нас высказываний Платона (427-347 до н. э.) мы узнаем о совершенном пренебрежении ко всякому эмпирическому исследованию. Любые попытки «осквернить» возвышенную науку – математику – применением ее за пределами области чистых идей встречали резкое порицание. Именно с этим связано то, что Аристотель (384-322 до н. э.) в своей величественной системе науки дал в области естествознания логический или чаще только софистический анализ понятий, довольно некритически выведенных из поверхностно установленных фактов. Даже такой гений, как Архимед, не имел значительного влияния. Мы не знаем систематического исследования природы ни в древности, ни в средние века.

Первым признаком нового духа исследования являются великие путешествия в конце XV века. Прежде всего отметим открытие в 1492 г. Америки Христофором Колумбом (1446-1506). Этот герой не только знал об открытой уже Эратосфеном (275-194 до н.э.) шарообразности Земли, но был также первым человеком, твердо в это верившим; на этом основании он и совершил свое предприятие, казавшееся многим современникам безумным. Но еще в XVI столетии, когда с большим успехом усваивали путем переводов и комментариев науку древних, великий подвиг Коперника (1473-1543), выходящий за пределы этой науки, привлек очень мало внимания, не вызвав ни сочувствия, ни критики. Лишь с начала XVII столетия расширяется круг людей, интересующихся естествознанием, настолько, что можно говорить о непрерывно прогрессирующем исследовании. Оно стало особенно бурно развиваться благодаря появившемуся тогда у всех исследователей стремлению обосновывать науку не на спекулятивных методах и традиции, а на наблюдении, больше того – на планомерно проводимых опытах. Это совершенно новое направление представлялось тогда, и еще теперь многим представляется, резким разрывом с прошлым. Так ли это было в действительности? В эпоху античной культуры греческие драматурги проповедовали подчинение индивидуума закону вещей; математики ввели этот принцип в свою науку; новая установка в естествознании явилась только логически последовательным распространением этого принципа на ту область, в которую древние едва только вступили. В 1600 г. вдруг появились два основных средства наблюдения: микроскоп и подзорная труба, и мы не знаем, кто, собственно, их изобрел. Галилей, который, в отличие от Коперника, писал для всех, а не только для ученых («математиков», как он их называл), имел многочисленных учеников и последователей. Лишь в это время система Коперника проникла в общее сознание и со всей остротой поднялся знаменитый спор об ее признании. Этот спор, по крайней мере на заднем плане, уже играл роль при осуждении Джордано Бруно (1600); ведь учение о бесконечности пространства и множества миров, которое в приговоре объявлялось одной из его ересей, было, по существу, расширением системы Коперника. Но ни эта смертная казнь, ни отлучение от церкви, на которое в 1633 г. инквизиция осудила Галилея и вообще коперниканцев, не оказали большого влияния. Наконец в начале XIX столетия отлучение в любой форме было снято.

В XVIII и XIX столетиях политические и церковные силы не пытались больше совершать подобное вмешательство в физику; то, из-за чего Лавуазье в 1794 г. кончил жизнь на гильотине, не имеет ничего общего с наукой. Это вмешательство возобновилось лишь во времена Гитлера, в сферу внимания которого попала прежде всего теория относительности. Но и это миновало. В основном физика могла спокойно развиваться по собственным законам*). Она не оставалась при этом чуждой жизни. Оказывая непосредственное влияние своими техническими применениями, она не менее сильно влияла на жизнь как отдельных людей, так и народов своими идеями, в силу чего политическая история также не может быть понята без этих влияний. Одной из попутных целей нашего изложения будет доказательство того, как глубоко проникла мыслительная работа физиков за три или три с половиной столетия в духовное формирование современных людей.

*) Само собой разумеется, что личные судьбы представителей физики переплетались с политическими событиями их времени, но это относится уже к другой странице истории.

Если церковь в общем воздерживалась от вмешательства, то все же на деятельность физиков всегда влияли их религиозные взгляды, правда, часто не идентичные с официальным учением церкви, а скорее философски обоснованные. Это выражено у Кеплера, Декарта, Лейбница, Ньютона, это играет роль в принципе наименьшего действия в XVIII столетии. С тех пор как философия Канта объявила полную независимость научного познания от религиозной веры, больше об этом в сочинениях по физике, пожалуй, ничего не найдется. Отсюда никоим образом не следует, что склонность к исследованию у позже живших естествоиспытателей не была связана с их религиозностью. Положение о том, что научное переживание истины есть в каком-то смысле «видение бога», высказывалось искренно даже лучшими из них. Стремление к познанию независимо от его применимости, его пользы, является «основной чертой человека в течение тысячелетий, признаком его высшего происхождения» *).

*)К Jaspers, Die Idee der Universitat, Berlin, 1946.

Физика всегда имела тесный контакт с соседними науками: астрономией, химией, минералогией. Границы между этими науками определяются только довольно внешними различиями, прежде всего различием аппарата, и поэтому они часто перемещаются. В XVII столетии, а также позднее физик, химик и астроном нередко объединялись в одном лице. Роберт Бойль (1627-1691) и Эдм Мариотт (1620-1684), о которых мы будем говорить позднее, были прежде всего химиками; то же относится к Генри Кавендишу (1731 – 1810), Антуану Лорану Лавуазье (1743-1794) и Гемфри Дэви (1778-1829). В создании понятия атома физика и химия участвовали в равной мере. В конце XIX столетия, благодаря исследованиям Сванте Аррениуса (1859-1927), Якоба Вант-Гоффа (1852-1911), Вильгельма Оствальда (1853-1932) и Вальтера Нернста (1864-1941), возникла как отдельная наука физическая химия. В XX столетии физики после долгого перерыва начали опять интересоваться теорией кристаллов, которая до тех пор была в ведении минералогов.

Еще теснее связь между физикой и математикой. Математика стала интеллектуальным орудием физика; только она дает возможность тачного научного выражения познанных законов природы и их применения к сложным процессам. Логарифмы, например, которые вскоре после 1600 г. были открыты Иобстом Бюрги (1552-1632) и независимо от него бароном Джоном Непером (1550-1617) и Генри Бриггсом (1556-1630), были впервые применены в астрономических вычислениях Кеплера. Последующие успехи физики, а именно в механике, были теснейшим образом связаны с одновременными успехами в математике (глава 2). И наоборот, часто постановка физических вопросов обусловливала прогресс математики.

Своеобразно отношение физики к философии. В начале рассмотренного здесь периода времени в физике трудились люди, которые нам известны прежде всего как философы: Декарт, который, конечно, принципиально отклонял галилееву методику исследования, или Лейбниц. Кант также выступил как естествоиспытатель; наиболее известными и значительными его достижениями в физике являются космологические идеи о возникновении планетной системы. Позднее происходило скорее наоборот: физики и химики выступали с философскими сочинениями, например Гельмгольц, Мах, Пуанкаре, большей частью по вопросам теории познания, которая из всех философских дисциплин наиболее близка физику. Да простится мне, если я сомневаюсь в том, что все они имели необходимую философскую подготовку для успешной работы. Но вне всякого сомнения успехи естествознания оказывали сильное воздействие на всех выдающихся философов. Наиболее известный пример – влияние Ньютона на Канта. В XIX столетии возникла вполне обоснованная оппозиция естествоиспытателей против «философии тождества» Гегеля, отказывающей в праве на существование любой опытной науке, – оппозиция, которая, к сожалению, часто распространялась на всю философию и даже на любую теорию в естествознании. Например, Роберт Майер испытал это на себе из-за умозрительного уклона в своих сочинениях, и даже против знаменитого произведения Гельмгольца «О сохранении силы» подымались вначале подобные упреки.

Ясным представляется отношение между физикой и техникой. Последняя является большей частью прикладной физикой, и ее прогресс очень часто идет по следам успехов физики. Но она развивает также собственные, важные для физики идеи, например при устройстве паровой машины (Джемс Уаггт, 1770) и установлении динамоэлектричеокого принципа для динамомашины (Вернер Сименс, 1867). Прежде всего, она во все возрастающей мере расширяет экспериментальные возможности физики. Создание современного физического института было бы совершенно невозможно без широкой помощи техники.

В истории любой науки вопросы приоритета являются сомнительной главой. Иногда даже в наше время, как показывает опыт, бывает трудно решить вопросы приоритета, хотя в журналах опубликовываются все сколько-нибудь достойные упоминания исследования и довольно хорошо организована научная документация. Но насколько это было труднее в те времена, когда для распространения результатов исследования были открыты только два пути: письма и книги! Ведь научных журналов не было до середины XVII столетия. Основанное в 1662 г. Лондонское Королевское общество начало в 1664 г. издавать «Transactions»; этому примеру через большие промежутки времени последовали другие научные общества и многочисленные академии, основанные к 1700 г. Так постепенно появилась определенная система в области публикаций. Мы не будем много заниматься вопросами приоритета. С нашей точки зрения, например, менее важно знать, что закон газов, названный по имени Роберта Бойля и Эдме Мариотта, был выведен, собственно, из измерений Бойля его еще неизвестным учеником Рихардом Таунли, чем знать, что этот закон стал известен около 1662 г. Правда, не всем; в 1679 г. Мариотт должен был его еще раз открыть независимо от Бойля.

Кроме того, можно установить для всех эпох следующий факт. Стоит опубликовать какому-либо исследователю существенное новое открытие, как рано или поздно появляются голоса, которые заявляют о своем приоритете или о приоритете третьих лиц. Иногда подобные заявления имеют даже некоторое основание. А именно, бывают случаи, когда определенное открытие как бы «носится в воздухе» и фактически делается несколькими людьми независимо друг от друга, потому что развитие науки приводит к нему (cм. Бойль и Мариотт). По мнению Резерфорда, лишь в очень редких случаях естественно-научные открытия появляются без соответствующей умственной подготовки мира ученых*). Но все же к подобным заявлениям нужно относиться скептически. Очень часто кто-нибудь высказывает только темные предчувствия, которые потом другой исследователь доводит до полной ясности. Иногда кто-либо сделал наблюдение или имел мысль, на значение и важность которых лишь впоследствии указал другой. Однако все же открытие надо датировать тем моментом времени, когда оно было высказано с такой ясностью и определенностью, что могло повлиять на дальнейшее развитие. Но если оно действительно в подобной форме получило известность, тогда сочинение об этом открытии не следует мелочно критиковать, требуя, чтобы в нем каждый второстепенный пункт был в порядке. Никогда не дано человеку сотворить совершенное!

*) Lord Rutherford, Background of modern Science, Cambridge, 1938, cтр. 55.

Подобно тому как история народов и государств отмечает только более значительные события и выдающихся людей, история науки рассматривает лишь вершины исследования и рассказывает о тех, кто участвовал в их создании. В тени остаются тысячи людей, пришедших в физику с начала XVII века и из чисто идеальных побуждений посвятивших себя ей иногда до самопожертвования. Но их деятельность не была лишней или напрасной. Только совместная работа многих ученых обеспечила необходимую полноту наблюдений и вычислений и непрерывность прогресса; только разнообразие интересов и дарований помешало тому, чтобы исследование протекало в немногих определенных направлениях; их деятельность была и остается необходимой предпосылкой для появления выдающихся или даже гениальных открытий. Физика, по крайней мере с конца XVII столетия, является плодом коллективной работы. Это – также исторический факт.

Часто можно услышать вопрос об объективности, об истине естественно-научного познания. Вокруг этого вопроса идут споры. Существовали и существуют различные теоретико-познавательные течения (и они нашли в недавнее время широкое распространение благодаря политической пропаганде), которые на основании случайных моментов при возникновении всякого человеческого знания, на основании частой смены физических теорий и воззрений делают выводы, будто все знание, поскольку оно зависит от всевозможных факторов среды, духовных или даже биологических, временно и чисто конвенционально. Действительно, физика никогда не обладала на все времена готовой, законченной формой; она не будет также обладать ею и дальше.

Так как конечности ее содержания всегда противо стоит бесконечность возможных восприятий. И все же существует доказательство ее объективной истинности, доказательство величайшей убедительной силы: история физики постоянно дает нам все новые примеры того, как две совершенно независимые, развитые раз личными школами теории, например оптика и термодинамика (гл. 13) или волновая теория рентгеновских лучей и атомная теория кристаллов (гл. 12), неожиданно сходятся и свободно соединяются друг с другом. Кто смог испытать в течение своей жизни подобное в высшей степени поразительное событие или, по край ней мере, в состоянии мысленно его испытать, тот не сомневается больше в том, что сходящиеся теории со держат если не полную истину, то все же значительное ядро объективной, свободной от человеческих прибавлений истины. Иначе надо было бы рассматривать соединение этих теорий, как чудо. Идеалом для истории физики должно быть стремление как можно яснее показать подобные события.

ГЛАВА 1
ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ

Измерение времени является одной из важнейших задач любой науки, занимающейся явлениями в пространстве и времени. Рассмотрим положение дела в этой области.

Кант во всяком случае был прав, когда он представлял время как запечатленную человеческим разумом форму созерцания. Это созерцание непрерывно. Но непрерывность никогда не несет с собой собственной меры; следовательно, чтобы измерить время, надо внести в него систему мер*). Можно, например, произвольно установить отметки времени, нумеруя удары, в то время как кто-либо стучит кулаком по столу. Если соединяют с каждым событием номер одновременного с ним удара, то тем самым устанавливается временная последовательность событий посредством ряда чисел.

*) Цепь имеет свою меру в себе: можно нумеровать ее звенья; для того же, чтобы измерить совершенно однородную нить, надо положить рядом с нею масштаб и отнести к ней его деления.

Конечно, такое измерение времени недостаточно уже для многих целей повседневной жизни; при его помощи нельзя, например, установить железнодорожное расписание. Последнее должно руководствоваться движением паровозов, подчиняющимся определенным законам природы, а вышеуказанное определение времени не имеет никакого отношения к этим законам. Таким образом, целью измерения времени должна быть связь с законами природы и именно такая связь, чтобы она удовлетворяла требованиям науки, в которой законы природы могут быть формулированы наиболее простым образом.

Эта мысль, если присмотреться, лежит в основе древних песочных и водяных часов. Устанавливают, что такой процесс, как прохождение определенного количества песка или воды через отверстие, продолжается всегда одинаковое время; насколько подобное утверждение удовлетворяет цели – должен решить опыт. Но подобные часы останавливаются после прохождения всей массы песка или воды; требуется вмешательство, чтобы опять пустить в ход, и это вмешательство влияет на измерение времени. То же относится к употреблявшимся в средние века часам с гирей, в которых для измерения времени служило замедленное трением воздуха падение гири, а также к простому маятнику, период колебания которого Галилей сделал мерой времени. Открытие Галилеем независимости периода от амплитуды колебаний было большим достижением, хотя в противоположность его воззрению эта независимость является лишь приближенной; она имеет место только в случае малых перемещений.

Решающий шаг для создания часов в современном смысле сделал в 1657 г. Христиан Гюйгенс (1629-1695) – тот самый, который открыл кольцо Сатурна и с которым мы в дальнейшем еще много раз встретимся. Он ввел принцип «обратной связи»*) последний термин мы заимствуем, правда, из произведенного лишь в 1906 г. исследования Е. Румера**) относительно возбуждения электрических колебаний.

*) Гюйгенс получил патент на маятниковые часы от Генеральных штатов 16 июня 1657 г. Его сочинение «Horologium» появилось в 1658 г.

**) Открытие Румера относилось к искровым передатчикам. В 1913 г. Форест и почти одновременно с ним Мейснер ввели обратную связь для передатчиков, работающих на электронных лампах, имеющих в настоящее время гораздо большее значение.

При любом устройстве часы состоят из трех существенных частей. Во-первых, они имеют источник колебаний, большей частью в виде маятника или спирали; период колебаний дает меру времени. Но колебания неизбежно должны постепенно затухать вслед ствие сопротивления трения, если не будет подводиться все время новая энергия движения. Поэтому второй существенной составной частью часов является. источник энергии, который накопляет энергию либо в виде упругой энергии напряженной пружины, либо в виде потенциальной энергии поднятой гири; в новых конструкциях применяется иногда электрическая батарея. Третьей и главной частью является аппарат, который доставляет эту энергию источнику колебаний; он должен это сделать так, чтобы не нарушать период колебаний, и при этом источник колебаний сам должен определять моменты времени, когда требуется доставка энергии. В этом и заключается сущность обратной связи, которая впервые появилась в часах Гюйгенса как с маятником, так и со спиралью. Но при всех конструкциях необходимо время от времени снова подводить энергию. Однако это вмешательство в принципе не мешает ходу часов. Таким образом, можно сказать, что подобные часы в основном измеряют время непрерывно.

Конечно, техника часов все совершенствовалась. Требования точности, которым сегодня удовлетворяют каждые более или менее хорошие часы, были во времена Гюйгенса недостижимы. Особенно важным было изобретение В. А. Маррисоном в 1929 г. кварцевых часов, усовершенствованных в дальнейшем А. Шайбе и У. Адельсбергером. В этих часах источником колебаний является кварцевый стержень, который совершает около 100 000 колебаний в секунду и вследствие пьезоэлектрических свойств кварца связан обратной связью с электрической батареей. Их ход постоянен с точностью до 1/1000 секунды за день.

Чтобы приспособить измерение времени к общественной жизни, до сих пор часы калибруют по отношению к вращению Земли относительно неподвижных звезд. Звездный день заключается между двумя прохождениями одной и той же звезды через меридиан, а средний солнечный день, который мы разделяем на 24 часа (по 60 минут в часе и 60 секунд в минуте), на 1/365 длиннее. Истинный солнечный день, измеренный между двумя прохождениями солнца через меридиан, изменяется в течение года; поэтому все солнечные часы показывают отклонения до 1/4 часа по сравнению с правильно идущими механическими часами. Физика, основанная на измерении времени механическими часами, объясняет это отклонениями траектории Земли от круга и наклоном плоскости эклиптики*). Физика, которая хотела бы в основу измерения времени поставить фактический солнечный день, стала бы перед недоуменным вопросом, почему все искусственные часы в своем ходе обнаруживают согласующиеся годовые колебания.

*) Это значит, что земная ось не перпендикулярна к плоскости движения Земли, а наклонена на 23° по отношению к нормали.

Разумеется, можно рассматривать только как гипотезу положение о том, что период вращения Земли годится для калибровки часов, т. е. что скорость вращения Земли постоянна при измерении времени посредством других хороших часов. Существуют два метода проверки этой гипотезы. Согласующиеся показания хороших кварцевых часов указывают, повидимому, на изменения времени вращения, которые измеряются тысячными долями секунды. Но гораздо вернее будет сравнение с движением Луны и внутренних планет. Время, определенное по вращению Земли, в течение двух последних столетий отличалось на 30 секунд (то в сторону отставания, то в сторону ускорения) от времени, которым пользуются для физического понимания этого движения. Чтобы соответствовать своей цели, измерение времени Должно производиться по «планетным часам» как наиболее точным *).

*) В. М е у е r m a n n, Die Schwankungen unseres Zeitmasses. Ergebn. d. exakten Naturwissenschaften 7, 92 (1928).

При всех этих размышлениях мы отвлекались от того, что любые из рассматриваемых часов движутся вместе с Землей вокруг Солнца, а также участвуют в суточном вращении вокруг земной оси. Теория относительности учит, как вычислить требующуюся в связи с этим движением особую поправку; но при современной точности измерений эта поправка может не учитываться.