Первым серьезным трудом Ломоносова по физике была работа, посвященная теории теплоты. Она была прочитана в собрании Академии, как уже было сказано выше, в 1745 г. и называлась «Размышления о причине теплоты и стужи». В этой работе Ломоносов применяет общие представления об атомистическом строении вещества к физическим явлениям, в данном случае тепловым. При этом сами представления об атомах или, как он их называл, «нечувствительных частицах» совершенствуются.
Ломоносов был резким противником не только теории флогистона, о чем мы говорили выше, но и теории теплорода. По этой теории существует некая невесомая и даже, может быть, невещественная материя, теплород. Простое присутствие теплорода в теле приводит к его нагреванию. В противоположность этому выводу Ломоносов считал, что природа теплоты объясняется движением частиц, из которых состоит само тело. Этот вывод был не нов. В XVII в. ряд ученых высказывались в пользу такого представления о природе теплоты. Однако к середине XVIII в. приверженцев такого взгляда на природу теплоты было уже мало и большинство придерживалось теории теплорода.
В своей работе Ломоносов, прежде всего опираясь на опытные факты, доказывает правоту кинетической теории теплоты и возражает против теории теплорода. Он пишет, что, с одной стороны, теплота возбуждается видимым движением, которое при этом пропадает, а с другой стороны, при нагревании появляется движение тел. «Очень хорошо известно, — пишет он, — что теплота и огонь возбуждается посредством движения. От взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем, при ударе кремня об огниво выскакивают искры, железо накаляется от проковывания частыми и сильными ударами. При прекращении движения уменьшается и теплота и нагретые тела, распавшись на нечувствительные частички, рассыпаются в известь или пепел, или в них настолько уменьшается сила сцепления, что они плавятся. Наконец, образование тел, жизненные процессы, произрастание, брожение, гниение теплотою ускоряются, а холодом замедляются или вовсе прекращаются». Будучи твердо уверен в том, что движение в природе не может теряться или появляться из ничего, Ломоносов заключает, что причиной теплоты должно быть движение. Но какое? Это движение должно быть невидимым движением нечувствительных частиц. «Достаточное основание для теплоты, — пишет он, — заключается во внутреннем движении материи».
Ломоносов критикует теплородную теорию и говорит: «...это мнение (речь идет о теории теплорода. — Б. С.) в умах многих пустило столь глубокие корни и настолько укрепилось, что повсюду приходится читать в физических сочинениях то о внедрении в поры тел теплотворной материи, как бы привлекаемой каким-то приворотным зельем, без какого-либо учета равновесия с окружающей теплые тела средой, то о бурном выходе из ее пор, как бы объятой ужасом, с полным пренебрежением по отношению к тому же равновесию».
Ломоносов уточняет характер теплового движения частиц. Тепловое движение частиц, по его мнению, является вращательным. Частица представляет собой шероховатые шарики, подобные зубчатым колесам и способные, сцепляясь друг с другом, передавать движение одной частицы к другой. В твердом теле шероховатые частицы соприкасаются друг с другом и непосредственно передают вращательное движение друг другу. Таким образом происходит теплопередача.
Почему же тогда твердое тело не рассыпается на частицы? Очевидно, потому, что на эти частицы оказывает давление существующая повсюду и неощутимая материя — эфир, которая, в свою очередь, состоит из еще более мелких частичек.
Почему Ломоносов выставил такую гипотезу о теплоте только как о вращательном движении частиц? Это связано с моделью твердого тела. Не признавая дальнедействующих сил, Ломоносов не признавал молекулярных сил, подобных силам тяготения. Поэтому твердые тела не рассыпаются на части, будучи подвержены со всех сторон давлению частиц эфира. Поэтому при тепловом движении частицы твердого тела должны совершать вращательные движения, ибо при этом тело сохраняет свою форму и размеры.
Таким образом, Ломоносов хотя остроумно, но неправильно принял за тепловое движение только вращательное движение частиц. Однако нужно отметить, что такую же ошибку при построении кинетической теории теплоты допустил уже гораздо позже, в середине XIX в., т. е. спустя 100 лет, Джоуль, который на первых порах считал тепловым движением вращательное движение частиц тела. Следует указать, что английский инженер Ранкин, много занимавшийся термодинамикой и молекулярной теорией теплоты в середине прошлого века1, также считал тепловое движение вращательным.
В работе Ломоносова много отдельных интересных выводов из кинетической теории теплоты, некоторые из которых были сделаны вторично только в XIX в.
Во-первых, следует отметить, что Ломоносов уже определенно различает температуру тела и количество теплоты и дает этим понятиям толкование. Температура тела, по Ломоносову, определяется скоростью вращения нечувствительных частиц, а количество теплоты — их «количеством движения». Далее, Ломоносов совершенно определенно говорит о существовании абсолютного нуля температур и поясняет это понятие с точки зрения кинетической теории теплоты. Он говорит, что если нельзя себе представить наибольшую скорость вращения частиц, значит, нельзя представить и наибольшую степень теплоты. Зато можно представить наименьшую ее степень. Наименьшая степень теплоты, или, говоря современным языком, абсолютный нуль, соответствует полной остановке движения нечувствительных частиц.
Ломоносов правильно рассматривает процесс теплопроводности как передачу теплового движения от одной частицы к соседней. Наконец у него начинает появляться понятие теплоемкости тел и т. п.
К теории теплоты Ломоносова академики Петербургской Академии наук отнеслись несколько скептически. В протоколе Академии было отмечено: «некоторые из академиков вынесли о ней (т. е. о работе Ломоносова. — Б. С.) следующее суждение: похвально приложение и желание г. адъюнкта заняться теорией теплоты и холода, но им кажется, что он слишком рано взялся за дело, которое, по-видимому, пока еще превышает его силу: прежде всего доказательства, с помощью которых он надеялся частью установить, частью опровергнуть различные внутренние движения тела, отнюдь недостаточны». Далее следует указание о недопустимости «поносить Бойля».
Следующими работами по физике, опубликованными Ломоносовым, были работы по кинетической теории газов. Их было две: «Попытка теории упругой силы воздуха» и «Прибавление к размышлению об упругости воздуха», опубликованные в 1750 г. в трудах Академии.
Первая из этих работ была зачитана в собрании Академии наук в 1748 г., в том же году, что и работа «Размышление о причине теплоты и холода».
В указанных работах Ломоносов разработал теорию упругости воздуха, основываясь на своей модели частиц, образующих тела. Он объяснил причину давления газов на стенки сосуда и связал теорию газов со своей теорией теплоты.
Представление о том, что воздух состоит из маленьких частиц, свободно движущихся во все стороны, и что упругость его объясняется ударами этих частиц о стенки сосуда, не было совсем новым. Незадолго перед тем, как Ломоносов написал свою работу об упругости воздуха, Даниил Бернулли в своей «Гидродинамике» высказал подобную гипотезу.
Ломоносов более подробно и обстоятельно и более обоснованно разработал молекулярно-кинетическую модель газа, на основе которой объяснил его упругие свойства.
Представление Ломоносова об атомном строении газов очень близки к представлениям, которые были установлены в середине XIX в. и которые стали по-настоящему развиваться с этого времени. Отличие модели Ломоносова от первых моделей строения газов середины XIX в. заключается только в механизме взаимодействия его частиц. Если в этих моделях взаимодействие между атомами рассматривалось как взаимодействие между сталкивающимися упругими шариками, то в модели Ломоносова взаимодействие рассматривалось иначе.
Полагая молекулы газа простейшими объектами, Ломоносов не мог считать их упругими. Упругость молекул нужно было бы объяснять, предполагая их сложное строение. Ломоносов же считал эти молекулы, или атомы воздуха, простейшими объектами, которые имели самые простые свойства. Они были абсолютно твердыми, шероховатыми шариками. Поэтому Ломоносов принял особый механизм взаимодействия молекул газа. Он считал, что атомы газа отталкиваются друг от друга подобно сталкивающимся вращающимся волчкам. Вращение же атомов следовало из того, что газ нагрет, а теплота, по Ломоносову, — вращательное движение частиц тела.
Ломоносов оправдывал данную им теорию газа на опыте. Он пишет: «Ведь та теория наилучшая, которая не только не противоречит ни одному свойству той вещи, для объяснения которой она предложена. Но объяснением этих свойств пользуется как самыми убедительными доказательствами, подтверждающими ее. Поэтому и мы в дальнейшем исследуем нашу теорию, разбирая важнейшие свойства воздуха и различные происходящие с ним явления».
Он указывает на ряд свойств воздуха, подтверждающих его теорию. Показав, что согласно его модели газ должен следовать закону Бойля — Мариотта, он далее отмечает, что это не совсем верно. Для достаточно сжатых газов этот закон не будет точно выполняться. Ломоносов правильно указывает одну из причин этого — конечный размер частиц газа. Вопрос об отступлении газов от закона Бойля — Мариотта был рассмотрен гораздо позже, только во второй половине XIX в., Ван-дер-Ваальсом.
Исследования Ломоносова по теории теплоты и газов, опубликованные в академических Записках «Novi Commentarii» в 1750 г., читались не только в России, но и за границей, поскольку данные «Записки» были хорошо известны за рубежом. Реакция на них была в основном отрицательная, так как большинство физиков склонялось к теории теплорода. С точки зрения этой теории рассматривались и работы Ломоносова. Появились даже критические отзывы на его работы. В 1754 г. немецкий физик Арнольд даже написал диссертацию, которую посвятил критике теории теплоты Ломоносова. «Диссертация» была написана явно тенденциозно, с искажением высказанных положений Ломоносова. Ломоносов опубликовал ответ на эту диссертацию во французском журнале «Nouvelle Bibliothéque germanique» в 1755 г. под названием «Рассуждение об обязанностях журналистов при изложении ими сочинений, предназначенное для поддержания свободы философии».
Работы Ломоносова по теории теплоты и газов в последующее время обсуждались в печати. Так, в широко известном в свое время физическом словаре Геллера «Gellers Physikalishe Wörterbuch» 1824 — 1841 гг. в слове «(die Wärme» излагается теория теплоты Ломоносова. Поскольку в это время продолжала господствовать теория теплоты, основанная на представлении о существовании теплорода, то автор данной статьи отрицательно отзывался о теории теплоты Ломоносова.
Совсем иначе к оценке работ Ломоносова отнесся Эйлер. В 1741 г. советник академической канцелярии Шумахер, один из противников Ломоносова, решил послать его первые работы на просмотр Эйлеру в Германию2. Шумахер рассчитывал получить отрицательный отзыв Эйлера на них. Однако, вопреки ожиданию, Эйлер высоко оценил работы Ломоносова. Он так же, как и Ломоносов, был противником теории теплорода, и его взгляды на природу теплоты были близки к взглядам Ломоносова.
В своем отзыве о работах Ломоносова Эйлер писал: «Все сии сочинения не токмо хороши, но и превосходны, ибо он изъясняет физические и химические материи, самые нужные и трудные, кои совсем неизвестны и невозможны были к истолкованию самым остроумным ученым людям, с таким основательством, что я совсем уверен в точности его доказательств. При сем случае я должен отдать справедливость господину Ломоносову, что он одарован самым счастливым остроумием для объяснения явлений физических и химических. Желать надобно, чтобы все прочие Академии были в состоянии показать такие откровения, которые показал господин Ломоносов».
Одновременно с работами по теории теплоты и газов Ломоносов занимался и экспериментальными исследованиями, в том числе и по физике. Одним из таких исследований была работа «Анемометр, показывающий наибольшую быстроту любого ветра и одновременно изменение в его направлении». Эта работа была опубликована только в 1751 г., но прочитана в Академии в 1748 г. В работе дано описание устройства оригинального прибора, с помощью которого можно определять направление и скорость ветра. Данный прибор имел ряд положительных качеств, отличающих его от уже существующих подобных приборов.
Вторая экспериментальная работа, на которую мы здесь укажем, посвящена конструированию нового прибора «универсального барометра» для измерения вариаций силы тяжести. Об этом приборе Ломоносов доложил в Академию наук в 1749 г. Что касается опубликования этой работы Ломоносова, то она осталась неопубликованной при его жизни.
«Универсальный барометр» состоял из двух стеклянных баллонов, соединенных тонкой стеклянной U-образной трубкой. Большой баллон наполнялся ртутью, а из пространства над ней воздух удалялся так, чтобы нижний мениск ртути занимал примерно среднее положение в нижней части U-образной трубки. При изменении силы тяжести центр тяжести ртути также менял свое положение, что отмечалось по изменению положения мениска. Таким образом можно было измерять изменения силы тяжести. Прибор помещался в тающий лед.
Сконструированный Ломоносовым прибор имел некоторые недостатки и был недостаточно точен. Однако сама идея была интересна. Приборы, построенные по такому же принципу, что и «универсальный барометр» Ломоносова, в последующем стали применяться при гравиметрических измерениях.
Добавить комментарий