Вы здесь

5. Исследования Ломоносова по оптике и электричеству

 

Многие научные исследования Ломоносова были посвящены оптике и электричеству. Эти научные исследования носили теоретический и экспериментальный характер. Ими он начал заниматься после постройки для него химической лаборатории в 1748 г. Что же касается его работ по оптике, то они были связаны с его практической деятельностью по изготовлению окрашенных стекол.

Изготовление окрашенных стекол Ломоносов начал в химической лаборатории. Вскоре он достиг в этом деле больших успехов, которые побудили его направить свои усилия на постройку завода для изготовления цветного стекла. Ломоносов составил проект постройки мозаичного завода и стеклянной фабрики. После длительных и упорных хлопот ему удалось в 1753 г. осуществить часть своего проекта, в этом году был построен стеклянный завод.

В химической лаборатории, а затем и на заводе Ломоносов наладил производство мозаичных картин. Его мозаичные картины «Портрет Петра», «Полтавская битва» хорошо известны. Они обладают высокими художественными достоинствами.

В химической же лаборатории, в частности при изготовлении цветных стекол, Ломоносов провел много экспериментов по оптике, по окрашиванию стекол и т. д. Одновременно он разработал теорию света и цветов и изложил ее в работе «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее». Эту работу он зачитал в 1756 г. на публичном заседании Академии наук, а затем опубликовал ее. В ней Ломоносов изложил свои взгляды на природу света и цветов.

Прежде всего следует отметить, что Ломоносов критикует общепризнанную тогда корпускулярную теорию света и высказывает доводы за волновую теорию.

Одним из основоположников волновой теории света был Гюйгенс, ученый XVII в., объясняющий с точки зрения этой теории прямолинейное распространение света, а также отражение и преломление его. Однако в том же веке Ньютон высказал доводы за корпускулярную теорию света, согласно которой свет является потоком особых световых частиц. Теория Ньютона в то время имела преимущество перед волновой, ибо хорошо или плохо, но объясняла открытое им явление разложения белого света призмой на монохроматические лучи. Что касается Гюйгенса, то он не мог объяснить это явление. В конце XVII в. ученые начали склоняться к принятию теории Ньютона, а к середине XVIII в. из крупных ученых только Эйлер разделял еще волновую теорию. К этой теории примкнул и Ломоносов. В своей указанной выше работе он высказывает ряд конкретных оригинальных возражений против корпускулярной теории света. Приводим некоторые из них.

Если бы корпускулярная теория света была верна, рассуждает Ломоносов, то каким образом пучки световых лучей от различных источников света могли бы проходить через один и тот же прозрачный предмет, не мешая друг другу? Вокруг алмаза можно поставить тысячи свечей так, что тысячи пучков света будут проходить через него, пересекая друг друга, и при этом ни один луч не будет мешать другому. С точки зрения же волновой теории это явление вполне объяснимо, особенно если провести аналогию со звуком. «Все сии бесчисленные различные голоса простираются прямой линией, друг друга пересекают — не токмо по всякому возможному углу, но и прямо встречаются, один другого не уничтожая», — пишет Ломоносов. И в другом месте: «Также и волны на поверхности воды, распространяющиеся от двух источников колебаний, не мешают друг другу. Они непрерывно то поддерживают, то взаимно ослабляют друг друга, но продолжаются до тех пор, пока приложенная сила не притупится по другим причинам».

Если бы Ломоносов подробно рассмотрел данное явление взаимодействия двух волн, он мог бы прийти к пониманию и формулировке принципа интерференции. Принцип интерференции водяных, затем и световых волн был сформулирован Юнгом уже в начале XIX в., что открыло новую эпоху в развитии оптики.

Другое интересное рассуждение Ломоносова, направленное против корпускулярной теории света, связано с явлением поглощения света. Возьмите черную песчинку, рассуждает он, и поместите ее на свет. В эту песчинку по корпускулярной теории света непрерывно потекут световые частицы. Как бы долго мы ни держали на свету эту песчинку, но если ее унести в темное место, она не будет светиться. Куда же делись все световые частицы, попавшие в нее? «Черные материи приходящих к себе лучей ни назад не отвращают, ни сквозь себя не пропускают», — пишет Ломоносов и добавляет: «Скажите мне любители и защитители мнения о текущем движении материи, свет производящая, куда оная в сем случае скрывается?» Ломоносов приводит и другие возражения против корпускулярной теории света в пользу, волновой.

Интересно также отметить, что Ломоносов рассчитывал непосредственно доказать волновую природу света. В 1753 г. он «сообщил об опытах по дрожанию струн в пустоте имеющих быть учененными для той цели, чтобы было очевидно, связаны ли колебательные движения со светом».

Далее, в одном из заседаний Академии в 1757 г. Ломоносов «объявил маленькие гусли, с которыми хочет чинить под антлиею эксперимент для доказательства, что лучи и искры под антлиею происходят от движения эфира, о чем впредь собрание уведомить обещался».

Об этих опытах ничего не известно. Конечно, проект их несколько наивен. Однако нужно иметь в виду, что в середине XVIII в. взгляды физиков на вещество и эфир были еще весьма примитивными.

Ломоносов также пытался дать картину движений в эфире, которые представляли бы распространение света. По Ломоносову, эфир так же, как и вещество, состоит из маленьких шероховатых «нечувствительных» частиц — шариков. Только частицы эфира представлялись ему более мелкими, нежели частицы обычных тел, т. е. вещества. Эти частицы также соприкасаются друг с другом, их колебательное движение, распространяющееся в виде волн, и является светом. При этом Ломоносов так объясняет распространение света: «Пусть будет движение в частицах эфира таким порядком, что когда ряды их аb и еf тряхнутся от а и е к b и f , в то самое время ряды cd и hi тряхнутся в противную сторону из d и i к c и h. Через сие должно воспоследовать, сражению частиц и движению в стороны s и q ближних частиц эфира и так повсюду свет разливается и со всех сторон видим быть может».

Эта модель Ломоносова интересна особенно тем, что она представляет свет как распространяющиеся поперечные волны. К мысли о том, что свет является поперечными волнами, физики пришли с большим трудом и только в первой половине XIX в. Что же касается самой модели световых волн, то подобные модели строились и позже, уже в XIX в. Даже модель электромагнитного поля Максвелла была весьма примитивной и грубо механической и, по существу, в этом смысле мало чем отличалась от модели Ломоносова. Конечно, Максвелл не ограничился только построением модели. Он ее подверг математическому анализу, получив уравнения электромагнитного поля. Ломоносов же только построил модель световых волн и этим ограничился.

Мы не будем останавливаться на изложении теории цветов Ломоносова. Эта теория хотя и содержала в общей форме некоторые   интересные идеи, тем не менее не была верна, и в настоящее время если и представляет интерес, то только чисто исторический.

Ломоносов занимался не только теоретическими, но и экспериментальными исследованиями в области оптики, а также построением оптических инструментов. Но об оптических инструментах, сконструированных Ломоносовым, мы скажем ниже.

Остановимся теперь на рассмотрении работ Ломоносова по электричеству. В этой области наиболее интересным является его исследование атмосферного электричества. Но у Ломоносова были и другие работы, касающиеся общих вопросов теории электрических явлений. Остановимся сначала на его теории атмосферного электричества.

В 1751 г. американский физик Франклин высказал гипотезу об электрической природе грозы. Затем в следующем году он эту гипотезу проверил на эксперименте. Он проделал известный опыт со змеем, запустив его во время грозы и извлекая из нити искры. Показав электрическую природу молний, Франклин высказал идею громоотвода. Исследования Франклина по атмосферному электричеству стали известны в Европе, и в частности в России. Узнали о них и русские академики Рихман и Ломоносов, которые, в свою очередь, начали проводить опыты, подобные опытам Франклина. В 1753 г. произошла трагедия: во время грозы Рихман был убит разрядом шаровой молнии. После его смерти Ломоносов уже один продолжал подобные опыты. Эти опыты он проводил с «громовой машиной».

Устройство «громовой машины» было таким. Она состояла из металлического шеста, установленного на крыше дома, от этого шеста протягивалась проволока в дом к простейшему электроскопу. Со своей «громовой машиной» Ломоносов проделал много опытов и произвел много наблюдений, установив целый ряд новых фактов. Из этих фактов наиболее интересным было открытие наличия электричества в атмосфере в отсутствие грозы. Это открытие имело важное значение для построения Ломоносовым теорий происхождения электричества в атмосфере.

В письме к Штельну от 1753 г. Ломоносов писал о своем открытии: «Приметил я у своей громовой машины 25 числа сего апреля, что без грому и молнии, чтобы слышать или видеть можно было, нитка от железного прута отходила, и за рукой гонялась... что еще нигде не примечено». Основываясь на указанном открытии, используя также свои многочисленные наблюдения над атмосферным электричеством, Ломоносов разработал теорию грозы. При этом он использовал также свои наблюдения над движением воздуха в шахтах, которые он приводил уже в 1744 г.

Об этих наблюдениях он писал в специальной работе: «О вольном движении воздуха в рудниках примеченном», опубликованной в 1750 г. Явления, описанные в данной статье, и натолкнули его на мысль о том, что в атмосфере имеют место восходящие и нисходящие потоки. Основная идея теории атмосферного электричества Ломоносова заключается в том, что в атмосфере всегда имеются вертикальные потоки поднимающихся испарений «шариков горючих паров» и опускающихся потоков частиц воды. Эти «горючие шарики» и частицы паров воды при трении создают большие электрические заряды в атмосфере.

 

 

Таковы основы теории Ломоносова образования атмосферного электричества. Если отвлечься от механизма образования электричества и от представления о носителях электрических  зарядов   в атмосфере, то теория Ломоносова, несомненно, отражает действительность. Известно, что при образовании атмосферного электричества существенную роль играют восходящие и нисходящие потоки, имеющиеся в атмосфере. Теория Ломоносова может расцениваться как первая научная теория образования атмосферного электричества. Несмотря на скудость известных в то время сведений об электричестве и атмосферных явлениях, Ломоносов сумел правильно установить самые общие черты теории образования электричества в атмосфере.

Свою теорию грозы Ломоносов изложил в работе «Слово о явлениях воздушных от электрической силы происходящих». Эту работу Ломоносов также прочитал на публичном собрании Академии наук в 1753 г., после чего она была опубликована. Теперь скажем о мыслях Ломоносова, касающихся общих вопросов электричества.

Еще в 1745 г. он составил рукопись «Наивящего примечания достойные электрические опыты». Кроме того, остались его рукописные заметки за 1756 г., посвященные теории электричества и света, — «127 заметок к теории света и электричества». Примерно в то же время Ломоносов начал писать работу «Теория электричества, изложенная математически», оставшуюся неопубликованной до нашего времени. Наконец, некоторые общие соображения об электричестве вообще были изложены Ломоносовым в «Слове о явлениях воздушных от электрической силы происходящих».

Какие же идеи об электрических явлениях, об их природе содержались в указанных сочинениях и записках Ломоносова?

Прежде всего Ломоносов был определенным противником дальнодействия в теории электричества, которая начала развиваться и приобретать себе все большее и большее число сторонников. Уже петербургский академик Эпинус в середине XVIII в. высказал идею о существовании дальнодействующих сил между электрическими зарядами, подобно тому как существует дальнодействующая сила тяготения между частицами обычных тел.

Ломоносов же, не признававший никаких дальнодействующих сил, пошел по другому направлению и пытался объяснить взаимодействие электрических зарядов как взаимодействие, передающееся через среду, которой у него был тот же эфир. Но количественной теории такого взаимодействия он, конечно, разработать не мог. Создание теории близкодействия электрических явлений, потребовало гораздо больших знаний в области электричества, которые нужно было еще накопить. Это произошло только через сто лет, когда с теорией близкодействия выступили Фарадей и Максвелл. Но должно было пройти еще около 20 лет, прежде чем эта теория стала, общепризнанной.

Другим замечательным моментом взглядов Ломоносова на электрические явления было то, что он предвидел связь между этими явлениями и оптическими. Подобная связь была установлена гораздо позже именно Максвеллом в его теории электромагнитного поля. По Ломоносову, электрические и оптические явления происходят в одной и той же среде, в эфире, т. е. имеют до известной степени одинаковую природу. Только свет является колебательным движением частиц эфира, тогда как электричество — их вращательным движением. Говоря о вращательном движении частиц эфира, он писал: «Сим орудием электрическая сила действует и ясно представлена, истолкована и доказана быть может без помощи непонятного вбегающих и выбегающих без всякой причины противным движением чудотворных материи».

Следует подчеркнуть, что идея о связи электрических и оптических явлений, владевшая Ломоносовым, возникла у него не только из общих соображений, но, по-видимому, была навеяна также результатами, полученными им при экспериментальных исследованиях оптических и электрических явлений. Во всяком случае, он искал такую связь при изучении этих явлений. Об этом говорят его многочисленные записи. Так, в его записях встречаются такие: «отведать в фокусе зажигательного стекла или зеркала электрической силы», «испробовать, будут ли цвета ярче в воде наэлектризованной и простой». Интересный эксперимент, который намечал сделать Ломоносов, заключался в том, чтобы определить, «будет ли луч света иначе преломляться в наэлектризованном стекле и воде». Последний опыт был отписан в 1875 г. Керром, который открыл явление двойного лучепреломления — эффект Керра.

Вообще для Ломоносова как физика характерно стремление искать связи между физическими явлениями различной природы, устанавливать связи между тепловыми и электрическими явлениями, между тепловыми и световыми явлениями, а также различными физическими и химическими явлениями. В его записях, например, можно прочесть: «будет ли наэлектризованное олово плавиться при меньшей степени огня?»; «изучать преломление солнечных лучей в растворах сравнительно с таковым в воде»; «приносит ли что-нибудь электрическая сила к растворению солей»; «каков будет свет электрических искр и пламень, вызванный в растворах солей и в соляных жидкостях»; «наблюдать, способствует ли электрическая сила к кристаллизации или мешает» и т. д. Подобные эксперименты не были характерны для физиков и вообще ученых в XVIII в. В это время различные физические явления или явления различной природы исследовались отдельно, главным образом без связи друг с .другом. Такого рода опыты стали характерными для ученых уже в XIX в., в период открытия закона сохранения и превращения энергии и позже. В заключение рассмотрения исследований Ломоносова по оптике и электричеству остановимся кратко на конструировании им оптических и электрических приборов.

 

 

Из оптических приборов укажем здесь на усовершенствование Ломоносовым зеркального телескопа или зрительной трубы Ньютона. Отражательный телескоп Ньютона состоял из цилиндрической трубы, внутри которой помещалось вогнутое зеркало. Лучи от рассматриваемого предмета, отраженные от этого зеркала, отражались затем от маленького плоского зеркальца, поставленного под углом 45° к оси цилиндра. И наконец, они попадали в окуляр, как показано на рисунке. Конструкция Ньютона имела недостатки. Во-первых, наблюдение велось сбоку и, следовательно, зрительная труба Ньютона была неудобна для использования именно как зрительная труба. Во-вторых, часть, света, попадающая в трубу, задерживалась плоским зеркальцем. Ломоносов предложил слегка наклонить большое зеркало и рассматривать получаемые от него изображения непосредственно в окуляр. В этом случае наблюдатель смотрит в зрительную трубу прямо в направлении рассматриваемого предмета1. Кроме того, весь световой поток, попадающий в зрительную трубу, попадает и в глаз наблюдателя2. Ломоносову не удалось из-за волокиты со стороны академического начальства построить данную трубу. Ее конструкция осталась неосуществленной. В записках Ломоносова, относящихся к 1764 г., указано в числе других незавершенных дел устройство «катодиотрической трубы об одном зеркале».

Конструкция зрительной трубы, предложенная Ломоносовым, была полезна. Известно, что впоследствии: такая же конструкция была применена в конце XVIII в. известным   английским   астрономом   Гершелем в его большом телескопе3.

Вторым интересным оптическим прибором, конструкцию которого предложил Ломоносов, была «ночезрительная труба».

Экспериментальные исследования различных оптических приборов, в частности зрительных труб, при различных освещениях для различных предметов привели Ломоносова к выводу, что для лучшей видимости предмета в сумерках полезнее всего применять зрительную трубу с объективом большого диаметра и маленьким окуляром, диаметр которого равен диаметру человеческого зрачка. В связи с этим Ломоносов предложил конструкцию «ночезрительной трубы».

Первый образец этого прибора, изготовленный им, демонстрировался в 1758 г, в Академии наук. Однако академики отрицательно отнеслись к изобретению Ломоносова. Ломоносов продолжал работать над усовершенствованием конструкции «ночезрительной трубы» и неоднократно заявлял об этом. Однако он по-прежнему не встречал поддержки. Особенно отрицательно отозвался об изобретении Ломоносова академик Петербургской Академии наук Эпинус, который в письменной форме изложил свои возражения против изобретения Ломоносова. При этом он принципиально отвергал возможность с помощью какого-либо оптического аппарата улучшить видимость предмета в сумерках. Эпинус исходил из простых законов геометрической оптики. Из этих законов, как известно, действительно следует, что яркость изображения не может превышать яркости предмета. Поэтому Эпинус был прав с точки зрения геометрической оптики. Тем не менее он был не прав в оценке изобретения Ломоносова.

Идея Ломоносова основывалась на законах физиологической оптики. Оказывается, механизм зрения человека будет различным при дневном свете и в сумерках. С. И. Вавилов, специально исследовавший изобретение Ломоносовым «ночезрительной трубы», писал: «глаз, рассматривающий днем ярко освещенные и ночью слабо освещенные предметы, работает совершенно иначе. Днем средний человеческий невооруженный глаз способен различать предметы, видимые им под углом не меньше 1°; ночью этот минимальный угол (предел разрешающей способности глаза) возрастает во много раз. Искусственное увеличение с помощью трубы угла, под которым виден предмет, несомненно, повышает разрешающую способность глаза. Но в какой степени это происходит и насколько это влияет на различимость предметов в. сумерках, мог решить только опыт. Этот опыт и был произведен Ломоносовым с положительным результатом».

Уже после смерти Ломоносова его конструкция «ночезрительной трубы» была использована участниками полярной экспедиции Чичагова. Затем немецкий ученый Ламберт сконструировал зрительную трубу, предназначенную для наблюдения в сумерках. Позже, уже в 1803 г., специальную зрительную трубу для ночных наблюдений сконструировал французский астроном Лаландт. «В наше время, — пишет С. И. Вавилов, — «ночезрительная труба» (конечно, в современном виде) стала общеупотребительным прибором».

 

  • 1. Наблюдатель смотрит в направлении, противоположном, рассматриваемому предмету. — Прим.админа.
  • 2. Экранирование светового потока диагональным зеркалом в системе Ньютона редко превышает 10% – 15%. — Прим.админа.
  • 3. Позднее, в XIX в., после того, как была разработана технология изготовления качественных астрономических зеркал, от системы Ломоносова отказались из-за того. что получались некачественные изображения. Но для середины XVIII в. система Ломоносова была полезна.  — Прим.админа.

Добавить комментарий

Plain text

  • HTML-теги не обрабатываются и показываются как обычный текст
  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.