Ломоносов — энциклопедист

Труды Ломоносова по физике охватывали большой круг проблем. Он занимался изучением молекулярно-кинетической теории теплоты и газов, исследованиями атмосферного электричества, разрабатывал теорию света и цветообразования, рассматривал вопросы, связанные с изучением массы и веса тела, проводил опыты по замораживанию ртути и т. д.

Развитие  физики в первой половине XVIII в. проходило в обстановке борьбы двух направлений — французского естествоиспытателя Р. Декарта и английского физика и философа И. Ньютона. Р. Декарт, известный также под латинизированным именем Картезий, наиболее последовательно выражал механистические представления о природе. Он и его последователи — картезианцы — наделяли материю лишь самыми простыми механическими свойствами: протяженностью, непроницаемостью и инерцией. Они исключали понятие силы, не признавали взаимодействий тел на расстоянии. Естественно, что законы и явления небесной механики, особенно связанные с движением планет, оказалось невозможным сколько-нибудь убедительно объяснить с позиции картезианства. Но картезианцы к этому и не стремились. Их логические построения опирались не на изучение конкретных явлений природы, а на умозрительные схемы, составленные на основании надуманных гипотез.

Ньютон и  его последователи строили свои механистические теории на основе практики и хорошо проведенных экспериментов. Выдающуюся роль в механике Ньютона играло понятие силы, вызывающей перемещение тел в пространстве. Закон всемирного тяготения, открытый великим английским ученым, стал основным законом небесной механики. Идеи ньютоновской механики постепенно распространились на всю физику. Многие физические процессы последователи Ньютона стремились объяснить результатом движения материальных частиц и тел под действием различных сил. Однако эти силы считались присущими не всем частицам материи, и это привело к тому, что многие фи шки стали приписывать такие избирательно действующие силы частицам каких-то невесомых жидкостей (флюидов).

Обе гипотезы казались Ломоносову далекими от истины.

 «В наше время причина теплоты приписывается особой материи, которую большинство называют теплотворной, другие — эфиром, а некоторые — элементарным огнем... Это мнение в умах многих пустило такие глубокие корни и настолько укрепилось, что повсюду приходится читать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы привлекаемой каким-то приворотным «зельем»; или, наоборот,— о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом. Поэтому мы считаем нашей обязанностью подвергнуть эту гипотезу проверке» (Т. 2. С. 41).

И Ломоносов разрабатывает собственную мокулярно-кинетическую теорию теплоты, согласно которой единственной причиной теплоты является внутреннее вращательное движение мельчайших «нечувствительных» физических частиц, а температура и степень нагрева тела служат мерой интенсивности движения частиц. «Теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи»,— утверждал ученый (Т. 2. С. 21).

Наиболее  полное изложение теория теплового  движения частиц материи получила в работе Ломоносова «Размышления о причине теплоты и холода», которая была напечатана в 1750 г. на латинском языке в научном журнале Петербургской академии наук — «Новые комментарии». Считая эту работу одной из главных, он в 1764 г. в «Обзоре» своих важнейших открытий писал:

«В  Новых комментариях Петербургской  академии, том I, напечатаны Размышления о причине теплоты и холода, где доказывается, что сила теплоты и разное напряжение ее происходят от внутреннего вращательного движения собственной материи тел, различно ускоряемого, а холод объясняется замедленным вращением частичек. После априорного и апостериорного доказательства всего этого выставляется на дневной свет ясное понимание и геометрическое познание этого основного в природе явления, составляющего сущность остальных явлений, и устраняются смутные домыслы о некоторой бродячей, безаконно скитающейся теплотворной материи»  (Т. 10. С. 408).

В связи с рассмотрением теории теплоты Ломоносов поднимает весьма важный вопрос о границах скоростей теплового движения мельчайших частиц материи и высказывает ценную мысль о существовании абсолютного нуля, то есть температуры, при которой полностью прекращается тепловое движение частиц материи. Но вместе с тем он отмечает, что высшей степени холода на земном шаре не существует.

«Действительно, все, что нам кажется холодным, лишь менее тепло, чем наши органы чувств. Так, самая холодная вода еще теплее, так как лед, в который вода замерзает на более сильном морозе, холоднее ее, т. е. менее тепел»  (Т. 2. С. 3')).

Работа Ломоносова «Размышления о причине теплоты  и холода» получила широкую известность как в России, так и за рубежом. Оригинальность и смелость выводов русского ученого наряду с интересом к ним одних естествоиспытателей вызвали необоснованные нападки других, в основном сторонников теории теплорода. Только Л. Эйлер согласился с, концепцией Ломоносова. В 1747 г. рукопись этой работы вместе с другой работой Ломоносова «О действиях химических растворителей вообще» были посланы в Берлин на отзыв знаменитому математику П. Эйлеру. В полученном ответе содержалась высокая оценка работ русского академика. Л. Эйлер писал:

«Все  сии сочинения не токмо хороши, но и превосходны, ибо он [Ломоносов] изъявляет 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 г. Ломоносову, что он одарен самым счастливым остроумием для объяснения явлений физических и химических. Желать надобно, чтобы все прочие Академии были в состоянии показать такие изобретения, которые показал г. Ломоносов» (Т. 10. С. 573).

Одновременно  с разработкой молекулярно-кинетической теории теплоты Ломоносов создал основы молекулярно-кинетической теории газов, прежде всего воздуха.

Развивая  идеи Д. Бернулли, Ломоносов дал подробное  обоснование кинетики газовых частиц и физическое объяснение механизма  их взаимодействия. В своих работах «Опыт теории упругости воздуха» и в «Прибавлении к размышлениям об упругости воздуха» ученый доказал, что при больших давлениях упругость [аза отступает от закона Р. Бойля. Он объединил идею Ньютона о взаимном отталкивании частиц газа с теорией Д. Бернулли о движении этих частиц, игнорирующей их взаимное отталкивание. Введенное Ломоносовым понятие О «беспорядочном чередовании» в «нечувствительные промежутки времени» атомов воздуха (смесь газон, так как другие газы в то время были неизвестны), то есть представление О мгновенном взаимодействии соприкасающихся между собой атомов, составляет основную идею современной кинетической теории газов.

Исследования  по кинетической теории газов Ломоносов  относил к числу своих важнейших работ. В конце жизни, в 1764 г., он писал:

«Диссертация  о причине упругости воздуха  приводит жаждущего более обоснованной естественной науки к механическому объяснению причин упругости, исключающему предположение о том, что причина таковой кроется в упругих частичках, но согласованному во всех своих выводах с нашей теорией теплоты» (Т. 10. С. 408-409).

Теория газов, разработанная Ломоносовым, была новым  словом в науке и явилась основанием для дальнейших исследований в XIX в. Многие идеи, впервые высказанные ученым в «Опыте теории упругости воздуха» и в других трудах, получили подтверждение в физике следующего столетия.

Учение  о свете и цветообразовании

С начала своей  научной деятельности Ломоносов  интересовался природой света и цветов. Разработка теории цветообразования для него имела особое значение — не только теоретическое, но и практическое. С 1749 г. ученый начал проводить опыты по изысканию «разноцветных стекол к мозаичному художеству», создавая свою теорию света и цветообразования. Работа продолжалась несколько лет. В феврале 1754 г. Ломоносов писал Л. Эйлеру в Берлин:

«В  течение трех лет я был погружен в физико-химические испытания, предпринятые для разработки учения о цветах. И труд мой оказался не бесплодным, так как кроме результатов, полученных мною при различных растворениях и осаждениях минералов, почти три тысячи опытов, сделанных для воспроизведения разных цветов в стеклах, дали не только огромный материал для истинной теории цветов, но и привели к тому, что я принялся за изготовление мозаик» (Т. 10. С. 502).

Теоретическое и практические исследования по проблемам  света и цветообразования Ломоносов обобщил в «Слове о происхождении света, новую теорию о цветах представляющую», которое он произнес в Публичном собрании Петербургской академии наук 1 июля 1756 г. Рассмотрев гипотезы о природе света, в частности теорию истечения света, предложенную И. Ньютоном, он пришел к выводу, что свет распространяется колебательным движением частиц эфира, заполняющего мировое пространство. Следуя за Декартом, Ломоносов предлагает модель эфира, состоящую из частиц трех разных размеров. Он разрабатывает принцип «совмещения», который позволил ему дать свое объяснение цветовых явлений, в том числе и механизма взаимодействия цветных лучей с поверхностью тел. Он включил в свою теорию представление Э. Мариотта о трех основных цветах — красном, желтом и синем, поскольку оно совпадало с его собственными наблюдениями.

Придавая  большое значение этой работе, Ломоносов писал, что в ней «показывается, сколь прочно и правильно несравненными мужами Картезием (Декартом.— Г. П.) и Мариоттом установлена теория света и числа цветов. Здесь также предлагается новая элементарная система и выводится новое, доселе неизвестное свойство первичных элементов, обозначенное названием «совмещение»; утверждается, что оно — причина весьма многих явлений природы, обусловленных мельчайшими корпускулами» (Т. 10. С. 410).

С современных  научных позиций взгляды Ломоносова на природу света и цветообраэования кажутся наивными. Однако материалистическое объяснение в XVIII в. этих сложных явлений природы явилось важным звеном в развитии науки о свете.

С. И. Вавилов, создатель советской научной  школы оптики, творец люминисцентных ламп, анализируя труды Ломоносова по вопросам света и цветообразования, писал:

«Мы видим, что Ломоносова увлекали в  путь построения трехцветной теории света идея о трех химических элементах  и желание построить не только оптическую, но одновременно и химическую теорию. Ломоносов разделил учесть многих великих ученых своего времени: как у Ньютона, Эйлера и Бошковича, так и у Ломоносова объяснение света оказалось ошибочным, но в историческом разрезе нельзя не удивляться остроумию гипотезы Ломоносова, ее глубокой оригинальности и предчувствия идеи резонанса между светом и веществом. С другой стороны, в этой теории Ломоносова для нас особо показателен пример его последовательного механического атомизма» (Вавилов С. И. Соч. М., 1956. Т. 3. С. 175).

«Смерть Г. В. Рихмана».

Работа  худ. В.В. и Л. Г. Петровых, 1959 г.

В 1757 г. «Слово о происхождении света, новую  теорию о цветах представляющее»  было напечатано отдельным изданием на русском языке, а год спустя оно вышло на латинском языке  и стало известно Западной Европе. В научных журналах Англии, Франции, Германии, Голландии появились подробные  изложения труда русского ученого. Хорошо знал об этой работе английский ученый Т. Юнг, который считается одним из основоположников трехцветной теории зрения. В его обширной библиографии по натурфилософии, вышедшей в 1807 г., работой Ломоносова открывается раздел книг и статей по физической оптике.

Учение  об электричестве

Одной из физических проблем, которая привлекала внимание многих ученых XVIII в., являлся вопрос о природе электрических явлений. Эта проблема не ускользнула от внимания Ломоносова. Он увлеченно занимался этой областью физической науки, пытаясь найти первопричину электрических явлений и определить их природу. Он обратился к изучению атмосферного электричества, что, по его мнению, должно явиться ключом к глубокому пониманию природы электрических явлений. Первые исследования атмосферного и статического электричества Ломоносов начал проводить в начале 1750-х гг. вместе с акад. Г. В. Рихманом. Основываясь на своих наблюдениях, Ломоносов сделал важное для того времени открытие — что электрические заряды в атмосфере существуют и в отсутствие грозовых явлений. Он писал: «...без всякого чувствительного грому и молнии происходили от громовой машины сильные удары с явными искрами и с треском, издалека слышным, что еще нигде не примечено и с моею давнею теориею о теплоте и с нынешнею об электрической силе весьма согласно» (Т. 3. С. 514).

26 июля 1753 г. Ломоносов и Рихман с помощью незаземленной особой электроизмерительной установки, так называемой «громовой машины», во время грозы проводили наблюдения, каждый — у себя дома. От сильного удара молнии погиб Рихман. Ломоносов тяжело пережинал смерть друга и коллеги. Он писал: «Умер Рихман прекрасною смертию, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет» (Т.10. С. 485).

Это трагическое событие не поколебало решимости Ломоносова продолжать научные изыскания в области электричества. Некоторые итоги своих изысканий ученый изложил в «Слове о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих», которое он прочитал в ноябре 1753 г. в Публичном собрании Петербургской академии наук. Вслед за «Словом» он напечатал «Изъяснения, надлежащие к Слову о электрических воздушных явлениях», в которых Ломоносов на основе глубокого изучения всех известных ему фактов и, главное, на основе своих долголетних наблюдений и многочисленных экспериментов развил и обосновал собственную теорию атмосферного электричества. Он изложил свои взгляды на многочисленные физические явления, относящиеся к вопросам электричества, метеорологии и астрономии. Он выдвинул собственную теорию образования электрических зарядов в атмосфере, дал объяснение происхождению северных сияний, образованию комет, установил связь между природой света и электричества, разработал свою концепцию о восходящих и нисходящих потоках воздуха, которая имела большое значение для правильного понимания и объяснения различных метеорологических процессов. Наконец, предложил способы защиты от грозовых явлений.