(род. в 1901 г. - ум. в 1937 г.)
«Отец» советской физики низких температур, выдающийся физик-экспериментатор.
Сталинские репрессии уничтожили немало лучших представителей отечественной культуры, науки, общественной мысли. Одна из самых страшных вещей, о которых приходится задумываться по этому поводу, - трагедия неиспользованного потенциала - не сделанных открытий, не написанных книг. Мы не сомневаемся, что, если бы остался жив Курбас, он бы поставил еще множество выдающихся спектаклей, Мандельштам сочинил строки, которые стали бы крылатыми… А ведь было еще множество детей - в том числе детей наверняка талантливых, возможных гениев. (Хотя бы потому, что они росли в таких семьях, где поколениями рождались и воспитывались профессора, артисты, врачи.) Мы лишь можем подозревать, какой вклад в развитие физики и всего человечества внес бы один из наиболее одаренных советских физиков Лев Шубников. Ведь он был расстрелян в возрасте 36 лет.
Вклад в науку Льва Васильевича Шубникова и так очень велик. Он основоположник физики низких температур в нашей стране, выдающийся экспериментатор, первопроходец в таких областях, как антиферромагнетизм, ядерная физика, сверхпроводимость и т. д. Но обо всем по порядку.
Родился Лев Шубников в Санкт-Петербурге 29 сентября 1901 года. Отец его - Василий Васильевич служил бухгалтером, мать - Любовь Сергеевна - вела дом. По окончании гимназии М. А. Лентовской Лев в 1918 году поступил в Петроградский университет на физико-математический факультет. В тот смутный год он стал единственным студентом своего возраста, поэтому поначалу слушал лекции вместе с ребятами на год его старше, а потом - наоборот, на год младше. Среди последних была и Ольга Николаевна Трапезникова, ставшая впоследствии (в 1925 году) женой и верной соратницей Шубникова.
Уже через год после поступления Лев Шубников начал работать в мастерских Государственного оптического института. В то время молодой физик увлекался парусным спортом, и с этим хобби связана загадочная страница в его биографии. Однажды, совершая путешествие по Финскому заливу, Лев, как бы случайно, оказался в Финляндии, оттуда был выслан в Германию. Вернулся в Советскую Россию он лишь в 1922 году. Этот эпизод даже не вспомнили в 1937 году, на следствии, хотя, безусловно, могли.
Вернувшись, Лев Васильевич стал уже студентом физико-механического факультета Политехнического института, был взят «на заметку» людьми Иоффе. Тот как раз создавал советскую физическую школу, организовал знаменитый Физико-технический университет. Там-то в лаборатории Обреимова и начал практиковаться студент Шубников. Обреимов занимался кристаллами, в 1924 году совместно со своим практикантом он опубликовал в немецком журнале статью о способе выращивания крупных совершенных монокристаллов ряда металлов. Еще через два года Шубников защитил диплом об оптическом методе изучения деформаций в кристаллах.
В то время советские ученые еще могли более или менее свободно общаться с зарубежными коллегами, ездить в довольно продолжительные командировки. Более того, это считалось (и совершенно резонно) полезным для молодых физиков. Планы таких командировок составлял лично Иоффе. По его рекомендации осенью 1926 года Лев Васильевич отправился в Голландию, в знаменитую Лейденскую лабораторию. В Лейдене работали виднейшие мировые ученые, здесь на семинарах можно было встретить Эйнштейна, Дирака, Паули, Бора. В Лейдене, между прочим, был жидкий гелий, который невозможно было найти ни в одной лаборатории мира.
Лабораторией руководил нидерландский ученый В. де Хааз. Именно под его руководством работал здесь и советский ученый. Результатом этого сотрудничества было открытие нового явления, названного эффектом Шубникова-де Хааза. Ученые смогли выявить изменения в сопротивлении висмута в зависимости от магнитного поля при низких температурах.
Как указывал в будущем Ландау, Шубников мог остаться работать в благополучных Нидерландах, но вернулся поднимать физику в Союз. Он принял приглашение занять должность старшего научного сотрудника созданного в 1928 году по инициативе того же Иоффе Физикотехнического института в Харькове. Сюда он и был принят на работу в 1931 году.
В УФТИ собралось целое созвездие имен. Мы не раз на страницах нашей книги уже вспоминали об ученых, работавших тогда в этом прославленном на весь мир институте. Ландау, Синельников, Вальтер. В других главах здесь же называется имя Шубникова и его жены Ольги Трапезниковой. В УФТИ он возглавил первую в СССР криогенную лабораторию, собрал вокруг себя талантливых молодых ученых - как советских, так и зарубежных. Шубников, собственно, основал свою школу физики низких температур. Некоторое время он возглавлял кафедру физики твердого тела в ХГУ, первым стал проводить криогенный практикум для студентов. По его инициативе была создана Опытная станция глубокого охлаждения. Многие материалы и оборудование для лаборатории Льва Васильевича передавал тот же де Хааз, многое было создано «на месте». Лев Шубников был гением экспериментов, в ходе которых им в 1935–1937 годах были сделаны открытия, которые, по единодушному признанию всех ведущих физиков нашей страны, могли бы принести ему Нобелевскую премию. Крупным достижением техники низкотемпературного эксперимента явилось измерение Шубниковым с Трапезниковой и Милютиным теплоемкости метана под давлением. Уровень точности измерений теплоемкости в их работе не уступал современному.
Уже осенью 1931 года был запущен водородный ожижитель Хука, через два года в УФТИ был свой жидкий гелий. Первую в СССР работу, посвященную свойствам жидкого гелия, написал Шубников вместе с Кикоиным.
Шубников изучал магнитные свойства сверхпроводников и сплавов, температурный ход теплоемкостей при низких температурах. В исследовании магнитных свойств сплавов, по признанию физика Курта Мендельсона, Харьковская лаборатория опередила Лейденскую и Оксфордскую. Большой цикл работ лаборатории Льва Васильевича посвящен исследованию тепловых и магнитных свойств хлоридов переходных металлов, что привело, как считается, к экспериментальному открытию явления антиферромагнетизма. Совместно с Борисом Лазаревым Шубников измерил магнитный момент протона и открыл явление ядерного парамагнетизма твердого водорода. Также ученый первым исследовал сверхпроводники второго рода.
Лев Васильевич и Ольга Трапезникова наряду с Ландау стали ключевыми фигурами в жизни института. Они жили в знаменитом доме физиков на улице Чайковского, где бывали мировые знаменитости. Ландау и Шубникова связывали очень близкие дружеские отношения. Их в шутку называли «Львом тонким» и «Львом толстым» (толстым был сам Лев Васильевич). Дау признавался, что его в УФТИ и привлек тот факт, что здесь работал Шубников. А кроме того, знаменитый своей непрактичностью будущий нобелевский лауреат, по его собственным словам, «был на полном пансионе у Олечки Шубниковой», здесь его кормили… Ландау и его жена Кора вместе с Ольгой и Львом Шубниковыми ездили в отпуск.
В середине 1930-х в институте началась нешуточная борьба между директором, которого поддерживали органы НКВД и партийная организация области, и рядом ученых во главе с Ландау. Вроде бы физики не хотели заниматься спускаемыми сверху военными заказами, а может, и просто - пришла их очередь… Сначала в 1935 году благодаря заступничеству Пятакова и Бухарина физикам удалось победить своего директора, тот был уволен. Но вскоре все началось по новой. Многие сотрудники УФТИ были обвинены в участии в троцкистских, антисоветских организациях. В том числе и иностранцы, которые спасались в Союзе от фашистского режима в своих странах, искренне сочувствовали делу социализма. Попали в застенки НКВД и сотрудники Шубникова и Ландау. Впоследствии многих из них удалось освободить, кого-то депортировали, за кого-то заступились видные ученые - Капица, Бор и другие. Но не все спаслись. Не удалось этого сделать и Шубникову.
6 августа вернувшегося с юга Льва Васильевича арестовали и увезли на допрос. Уже через день он признался во всех смертных грехах, назвал фамилии всех своих коллег. Ольга была тогда на последнем месяце беременности. Она рассказывает, что позже мужа привозили на «черном воронке» в роддом, показывали новорожденного сына. Не исключено, что именно так из Льва Шубникова выбили необходимые признания. Затем он был переведен в Москву, а 10 ноября вместе с проходившими по тому же делу физиками из УФТИ Розенкевичем и Горским Лев Васильевич Шубников был расстрелян.
Как было тогда заведено, друзья и жена погибшего не знали о расстреле. Сына ученого регистрировать отказались, предложили определить в детский дом, но Ольге Николаевне удалось, оставив квартиру и работу, перебраться вместе с ребенком в Питер.
Ландау через некоторое время тоже был арестован. Письмо в его защиту написал Петр Капица. Выйдя из тюрьмы в 1939 году, Лев Давидович обратился к своему заступнику: «Петр Леонидович, умоляю Вас, спасите Шубникова! Только Вам это под силу!» Кора Ландау пишет, что знаменитый физик отказался это сделать, поскольку тогда ему бы пришлось взять Шубникова в свой институт. Супруга Льва Давидовича утверждает, что Капица завидовал Льву Васильевичу, поскольку тот мог поставить эксперимент лучше самого Петра Леонидовича. Так или иначе, в 1939 году, как мы теперь знаем, было слишком поздно.
В 1956 году Шубников был реабилитирован. Зная о готовящемся пересмотре дела, Ландау писал военному прокурору: «Лев Васильевич Шубников, несомненно, был один из крупнейших физиков, работавших в области низких температур не только у нас в Союзе, но и в мировом масштабе.
Многие его работы до настоящего времени являются классическими. Говорить о его вредительской деятельности в области физики низких температур совершенно абсурдно, учитывая, что он как раз являлся одним из создателей этой области у нас. Его горячий патриотизм подчеркивается тем, что он добровольно бросил работу в Голландии для работы на Родине. Ущерб, нанесенный отечественной науке безвременной гибелью Л. В. Шубникова трудно переоценить».
Ольге Николаевне сообщили, что ее муж умер в 1945 году. Эта дата и стоит во многих биографиях Шубникова. О том, что на самом деле произошло с ее мужем, Трапезникова узнала лишь в 1991 году. А через шесть лет умерла и она.
Эта статья уделит внимание истории открытия закона всемирного тяготения. Здесь мы ознакомимся с биографическими сведениями из жизни ученого, открывшего эту физическую догму, рассмотрим ее основные положения, взаимосвязь с квантовой гравитацией, ход развития и многое другое.
Гений
Сэр Исаак Ньютон - ученый родом из Англии. В свое время много внимания и сил уделил таким науками, как физика и математика, а также привнес немало нового в механику и астрономию. По праву считается одним из первых основоположников физики в ее классической модели. Является автором фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», где изложил информацию о трех законах механики и законе всемирного тяготения. Исаак Ньютон заложил этими работами основы классической механики. Им было разработано и интегрального типа, световая теория. Он также внес большой вклад в физическую оптику и разработал множество других теорий в области физики и математики.
Закон
Закон всемирного тяготения и история его открытия уходят своим началом в далекий Его классическая форма - это закон, при помощи которого описывается взаимодействие гравитационного типа, не выходящее за пределы рамок механики.
Его суть заключалась в том, что показатель силы F гравитационной тяги, возникающей между 2 телами или точками материи m1 и m2, отделенными друг от друга определенным расстоянием r, соблюдает пропорциональность по отношению к обоим показателям массы и имеет обратную пропорциональность квадрату расстояния между телами:
F = G, где символом G мы обозначаем постоянную гравитации, равную 6,67408(31).10 -11 м 3 /кгс 2 .
Тяготение Ньютона
Прежде чем рассмотреть историю открытия закона всемирного тяготения, ознакомимся более детально с его общей характеристикой.
В теории, созданной Ньютоном, все тела с большой массой должны порождать вокруг себя особое поле, которое притягивает другие объекты к себе. Его называют гравитационным полем, и оно имеет потенциал.
Тело, обладающее сферической симметрией, образует за пределом самого себя поле, аналогичное тому, которое создает материальная точка той же массы, расположенная в центре тела.
Направление траектории такой точки в поле гравитации, созданным телом с гораздо более большой массой, подчиняется Объекты вселенной, такие как, например, планета или комета, также подчиняются ему, двигаясь по эллипсу или гиперболе. Учет искажения, которое создают другие массивные тела, учитывается с помощью положений теории возмущения.
Анализируя точность
После того, как Ньютон открыл закон всемирного тяготения, его необходимо было проверить и доказать множество раз. Для этого совершались ряды расчетов и наблюдений. Придя к согласию с его положениями и исходя из точности его показателя, экспериментальная форма оценивания служит ярким подтверждением ОТО. Измерение квадрупольных взаимодействий тела, что вращается, но антенны его остаются неподвижными, показывают нам, что процесс наращивания δ зависит от потенциала r -(1+δ) , на расстоянии в несколько метров и находится в пределе (2,1±6,2).10 -3 . Ряд других практических подтверждений позволили этому закону утвердиться и принять единую форму, без наличия модификаций. В 2007 г. данную догму перепроверили на расстоянии, меньшем сантиметра (55 мкм-9,59 мм). Учитывая погрешности эксперимента, ученые исследовали диапазон расстояния и не обнаружили явных отклонений в этом законе.
Наблюдение за орбитой Луны по отношению к Земле также подтвердило его состоятельность.
Евклидово пространство
Классическая теория тяготения Ньютона связана с евклидовым пространством. Фактическое равенство с достаточно большой точностью (10 -9) показателей меры расстояния в знаменателе равенства, рассмотренного выше, показывает нам эвклидову основу пространства Ньютоновской механики, с трехмерной физической формой. В такой точке материи площадь сферической поверхности имеет точную пропорциональность по отношению к величине квадрата ее радиуса.
Данные из истории
Рассмотрим краткое содержание истории открытия закона всемирного тяготения.
Идеи выдвигались и другими учеными, живших перед Ньютоном. Размышления о ней посещали Эпикура, Кеплера, Декарта, Роберваля, Гассенди, Гюйгенса и других. Кеплер выдвигал предположение о том, что сила тяготения имеет обратную пропорцию расстоянию от звезды Солнца и распространение имеет лишь в эклиптических плоскостях; по мнению Декарта, она была последствием деятельности вихрей в толще эфира. Существовал ряд догадок, который содержал в себе отражение правильных догадок о зависимости от расстояния.
Письмо от Ньютона Галлею содержало информацию о том, что предшественниками самого сэра Исаака были Гук, Рен и Буйо Исмаэль. Однако до него никому не удалось четко, при помощи математических методов, связать закон тяготения и планетарное движение.
История открытия закона всемирного тяготения тесно связанна с трудом «Математические начала натуральной философии» (1687). В этой работе Ньютон смог вывести рассматриваемый закон благодаря эмпирическому закону Кеплера, уже бывшему к тому времени известным. Он нам показывает, что:
- форма движения любой видимой планеты свидетельствует о наличичи центральной силы;
- сила притяжения центрального типа образует эллиптические или гиперболические орбиты.
О теории Ньютона
Осмотр краткой истории открытия закона всемирного тяготения также может указать нам на ряд отличий, которые выделяли ее на фоне предшествующих гипотез. Ньютон занимался не только публикацией предлагаемой формулы рассматриваемого явления, но и предлагал модель математического типа в целостном виде:
- положение о законе тяготения;
- положение о законе движения;
- систематика методов математических исследований.
Данная триада могла в достаточно точной мере исследовать даже самые сложные движения небесных объектов, таким образом создавая основу для небесной механики. Вплоть до начала деятельности Эйнштейна в данной модели наличие принципиального набора поправок не требовалось. Лишь математические аппараты пришлось значительно улучшить.
Объект для обсуждений
Обнаруженный и доказанный закон в течение всего восемнадцатого века стал известным предметом активных споров и скрупулезных проверок. Однако век завершился общим согласием с его постулатами и утверждениям. Пользуясь расчетами закона, можно было точно определить пути движения тел на небесах. Прямая проверка была совершена в 1798 году. Он сделал это, используя весы крутильного типа с большой чувствительностью. В истории открытия всемирного закона тяготения необходимо выделить особое место толкованиям, введенным Пуассоном. Он разработал понятие потенциала гравитации и Пуассоново уравнение, при помощи которого можно было исчислять данный потенциал. Такой тип модели позволял заниматься исследованием гравитационного поля в условиях наличия произвольного распределения материи.
В теории Ньютона было немало трудностей. Главной из них можно было считать необъяснимость дальнодействия. Нельзя было точно ответить на вопрос о том, как силы притяжения пересылаются сквозь вакуумное пространство с бесконечной скоростью.
«Эволюция» закона
Последующие двести лет, и даже больше, множеством ученых-физиков были предприняты попытки предложить разнообразные способы по усовершенствованию теории Ньютона. Данные усилия окончились триумфом, совершенным в 1915 году, а именно сотворением Общей теории относительности, которую создал Эйнштейн. Он смог преодолеть весь набор трудностей. В согласии с принципом соответствия теория Ньютона оказалась приближением к началу работы над теорией в более общем виде, которое можно применять при наличии определенных условий:
- Потенциал гравитационной природы не может быть слишком большим в исследуемых системах. Солнечная система является примером соблюдения всех правил по движению небесного типа тел. Релятивистское явление находит себя в заметном проявлении смещения перигелия.
- Показатель скорости движения в данной группе систем является незначительным в сравнении со световой скоростью.
Доказательством того, что в слабом стационарном поле гравитации расчеты ОТО принимают форму ньютоновых, служит наличие скалярного потенциала гравитации в стационарном поле со слабо выраженными характеристиками сил, который способен удовлетворить условия уравнения Пуассона.
Масштаб квантов
Однако в истории ни научное открытие закона всемирного тяготения, ни Общая теория относительности не могли служить окончательной гравитационной теорией, поскольку обе недостаточно удовлетворительно описывают процессы гравитационного типа в масштабах квантов. Попытка создания квантово-гравитационной теории является одной из самых главных задач физики современности.
Со точки зрения квантовой гравитации взаимодействие между объектами создается при помощи взаимообмена виртуальными гравитонами. В соответствии с принципом неопределенности, энергетический потенциал виртуальных гравитонов имеет обратную пропорциональность промежутку времени, в котором он существовал, от точки излучения одним объектом до момента времени, в котором его поглотила другая точка.
Ввиду этого получается, что в малом масштабе расстояний взаимодействие тел влечет за собой и обмен гравитонами виртуального типа. Благодаря данным соображениям можно заключить положение о законе потенциала Ньютона и его зависимости в соответствии обратному показателю пропорциональности по отношению к расстоянию. Наличие аналогии между законами Кулона и Ньютона объясняется тем, что вес гравитонов равняется нулю. Это же значение имеет и вес фотонов.
Заблуждение
В школьной программе ответом на вопрос из истории, как Ньютон открыл закон всемирного тяготения, служит история о падающем плоде яблока. Согласно этой легенде, оно свалилось на голову ученому. Однако это - массово распространенное заблуждение, и в действительности все смогло обойтись без подобного случая возможной травмы головы. Сам Ньютон иногда подтверждал данный миф, но в действительности закон не был спонтанным открытием и не пришел в порыве сиюминутного озарения. Как было написано выше, он разрабатывался долгое время и был представлен впервые в трудах о «Математических началах», вышедших на обозрение публике в 1687 году.
«Подумай о той пользе, которую приносят нам благие примеры, и ты найдешь, что воспоминание о великих людях не менее полезно, чем их присутствие»
Механика - одна из самых древних наук. Она возникла и развивалась под влиянием запросов общественной практики , а также благодаря абстрагирующей деятельности человеческого мышления . Еще в доисторические времена люди создавали постройки и наблюдали движение различных тел. Многие законы механического движения и равновесия материальных тел познавались человечеством путем многократных повторений, чисто экспериментально . Этот общественно-исторический опыт, передаваемый от поколения к поколению, и был тем исходным материалом, на анализе которого развивалась механика как наука. Возникновение и развитие механики было тесно связано с производством , с потребностями человеческого общества. «На известной ступени развития земледелия, пишет Энгельс, - и в известных странах (поднимание воды для орошения в Египте), а в особенности вместе с возникновением городов, крупных построек и развитием ремесла, развивалась и механика . Вскоре она становится необходимой также для судоходства и военного дела».
Первые дошедшие до наших дней рукописи и научные сообщения в области механики принадлежат античным ученым Египта и Греции . Древнейшие папирусы и книги, в которых сохранились исследования некоторых простейших задач механики, относятся главным образом к различным задачам статики , т. е. учению о равновесии . В первую очередь здесь нужно назвать сочинения выдающегося философа древней Греции (384-322 гг. до нашей эры), который ввел в научную терминологию название механика для широкой области человеческого знания, в которой изучаются простейшие движения материальных тел, наблюдающиеся в природе и создаваемые человеком при его деятельности.
Аристотель родился в греческой колонии Стагира во Фракии. Отец его был врачом македонского царя. В 367 году Аристотель поселился в Афинах, где получил философское образование в Академии известного в Греции философа-идеалиста Платона . В 343 году Аристотель занял место воспитателя Александра Македонского (Александр Македонский говорил: «Я чту Аристотеля наравне со своим отцом, так как если я отцу обязан жизнью, то Аристотелю обязан всем, что дает ей цену» ), впоследствии знаменитого полководца древнего мира. Свою философскую школу, получившую название школы перипатетиков , Аристотель основал в 335 году в Афинах. Некоторые философские положения Аристотеля не утратили своего значения до настоящего времени. Ф. Энгельс писал; «Древние греческие философы были все прирожденными стихийными диалектиками, и Аристотель, самая универсальная голова среди них, исследовал уже все существенные формы диалектического мышления». Но в области механики эти широкие универсальные законы человеческого мышления не получили в работах Аристотеля плодотворного отражения.
Архимеду принадлежит большое число технических изобретений , в том числе простейшей водоподъемной машины (архимедова винта), которая нашла применение в Египте для осушения залитых водой культурных земель. Он проявил себя и как военный инженер при защите своего родного города Сиракузы (Сицилия). Архимед понимал могущество и великое значение для человечества точного и систематического научного исследования, и ему приписывают гордые слова: «Дайте мне место, на которое я мог бы встать, и я сдвину Землю».
Архимед погиб от меча римского солдата во время резни, устроенной римлянами при захвате Сиракуз. Предание гласит, что Архимед, погруженный в рассмотрение геометрических фигур, сказал подошедшему к нему солдату: «Не трогай моих чертежей». Солдат, усмотрев в этих словах оскорбление могущества победителей, отрубил ему голову, и кровь Архимеда обагрила его научный труд.
Известный астроном древности Птолемей (II век нашей эры- есть сведения, что Птолемей (Claudius Ptolemaeus) жил и работал в Александрии со 127 по 141 или 151 г. По арабским преданиям, умер в возрасте 78 лет.) в своей работе «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах » разработал геоцентрическую систему мира, в которой видимые движения небесного свода и планет объяснялись исходя из предположения, что Земля неподвижна и находится в центре вселенной. Весь небесный свод делает полный оборот вокруг Земли за 24 часа, и звезды участвуют только в суточном движении, сохраняя свое относительное расположение неизменным; планеты, кроме того, движутся относительно небесной сферы, изменяя свое положение относительно звезд. Законы видимых движений планет были установлены Птолемеем настолько, что стало возможным предвычисление их положений относительно сферы неподвижных звезд.
Однако теория строения вселенной, созданная Птолемеем, была ошибочной; она привела к необычайно сложным и искусственным схемам движения планет и в ряде случаев не могла полностью объяснить их видимых перемещений относительно звезд. Особенно большие несоответствия вычислений и наблюдений получались при предсказаниях солнечных и лунных затмений, сделанных на много лет вперед.
Птолемей не придерживался строго методологии Аристотеля и проводил планомерные опыты над преломлением света. Физиологооптические наблюдения Птолемея не утратили своего интереса до настоящего времени. Найденные им углы преломления света при переходе из воздуха в воду, из воздуха в стекло и из воды в стекло были весьма точны для своего времени. Птолемей замечательно соединял в себе строгого математика и тонкого экспериментатора.
В эпоху средних веков развитие всех наук, а также механики сильно замедлилось . Более того, в эти годы были уничтожены и разрушены ценнейшие памятники науки, техники и искусства древних. Религиозные фанатики стирали с лица земли все завоевания науки и культуры. Большинство ученых этого периода слепо придерживалось схоластического метода Аристотеля в области механики, считая безусловно правильными все положения, содержащиеся в сочинениях этого ученого. Геоцентрическая система мира Птолемея была канонизирована. Выступления против этой системы мира и основных положений философии Аристотеля считались нарушением основ священного писания, и исследователи, решившиеся сделать это, объявлялись еретиками . «Поповщина убила в Аристотеле живое и увековечила мертвое», - писал Ленин. Мертвая, бессодержательная схоластика заполнила страницы многих трактатов. Ставились нелепые проблемы, а точное знание преследовалось и хирело. Большое число работ по механике в средневековье было посвящено отысканию «перпетуум мобиле », т. е. вечного двигателя , работающего без получения энергии извне. Эти работы в своем большинстве мало способствовали развитию механики (Идеологию средневековья хорошо выразил Магомет, говоря: «Если науки учат тому, что написано в коране, они излишни; если они учат другому, они безбожны и преступны»). «Христианское средневековье не оставило науке ничего», - говорит Ф. Энгельс в «Диалектике природы».
Интенсивное развитие механики началось в эпоху Возрождения с начала XV века в Италии, а затем и в других странах. В эту эпоху особенно большой прогресс в развитии механики был достигнут благодаря работам (1452- 1519), (1473-1543) и Галилея (1564-1642).
Знаменитый итальянский художник, математик, механик и инженер, Леонардо да Винчи занимался исследованиями по теории механизмов (им построен эллиптический токарный станок), изучал трение в машинах, исследовал движение воды в трубах и движение тел по наклонной плоскости. Он первый познал чрезвычайную важность нового понятия механики-момента силы относительно точки. Исследуя равновесие сил, действующих на блок, установил, что роль плеча силы играет длина перпендикуляра, опущенного из неподвижной точки блока на направление веревки, несущей груз. Равновесие блока возможно только в том случае, если произведения сил на длины соответствующих перпендикуляров будут равны; иначе говоря, равновесие блока возможно только при условии, что сумма статических моментов сил относительно точки привеса блока будет равна нулю.
Революционный переворот в воззрениях на строение вселенной был произведен польским ученым , который, как образно написано на его памятнике в Варшаве, «остановил Солнце и сдвинул Землю». Новая, гелиоцентрическая система мира объясняла движение планет, исходя из того, что Солнце является неподвижным центром, около которого по окружностям совершают движения все планеты. Вот подлинные слова Коперника, взятые из его бессмертного произведения: «То, что нам представляется как движение Солнца, происходит не от его движения, а от движения Земли и ее сферы, вместе с которой мы обращаемся вокруг Солнца, как любая другая планета. Так, Земля имеет больше, чем одно движение. Видимые простые и попятные движения планет происходят не в силу их движения, но движения Земли. Таким образом, одно движение Земли достаточно для объяснения и столь многих видимых неравенств на небе».
В работе Коперника была вскрыта главная особенность движения планет и даны расчеты, относящиеся к предсказаниям солнечных и лунных затмений. Объяснения возвратных видимых движений Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна относительно сферы неподвижных звезд приобрели ясность, отчетливость и простоту. Коперник ясно понимал кинематику относительного движения тел в пространстве. Он пишет: «Всякое воспринимаемое изменение положения происходит вследствие движения либо наблюдаемого предмета, либо наблюдателя, либо вследствие движения того и другого, если, конечно, они различны между собой; ибо когда наблюдаемый предмет и наблюдатель движутся одинаковым образом и в одном направлении, то не замечается никакого движения между наблюдаемым предметом и наблюдателем».
Подлинно научная теория Коперника позволила получить ряд важных практических результатов: увеличить точность астрономических таблиц, провести реформу календаря (введение нового стиля) и более строго определить продолжительность года.
Работы гениального итальянского ученого Галилея
имели фундаментальное значение для развития динамики
.
Динамика как наука была основана Галилеем, который открыл многие весьма важные свойства равноускоренных и равнозамедленных движений.
Основания этой новой науки были изложены Галилеем в книге под названием «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению».
В главе III, посвященной динамике, Галилей пишет: «Мы создаем новую науку, предмет которой является чрезвычайно старым. В природе нет ничего древнее движения, но именно относительно него философами написано весьма мало значительного. Поэтому я многократно изучал на опыте его особенности, вполне этого заслуживающие, но до сего времени либо неизвестные, либо недоказанные. Так, например, говорят, что естественное движение падающего тела есть движение ускоренное. Однако в какой мере нарастает ускорение, до сих пор не было указано; насколько я знаю, никто еще не доказал, что пространства, проходимые падающим телом в одинаковые промежутки времени, относятся между собой как последовательные нечетные числа. Было замечено также, что бросаемые тела или снаряды описывают некоторую кривую линию, но того, что эта линия является параболой, никто не указал».
Галилео Галилей (1564—1642)
До Галилея силы, действующие на тела, рассматривали обычно в состоянии равновесия и измеряли действие сил только статическими методами (рычаг, весы). Галилей указал, что сила есть причина изменения скорости, и тем самым установил динамический метод сравнения действия сил. Исследования Галилея в области механики важны не только теми результатами, которые ему удалось получить, но и последовательным введением в механику экспериментального метода исследования движений.
Так, например, закон изохронности колебаний маятника при малых углах отклонения, закон движения точки по наклонной плоскости были исследованы Галилеем путем тщательно поставленных опытов.
Благодаря работам Галилея развитие механики прочно связывается с запросами техники, и научный эксперимент планомерно вводится как плодотворный метод исследования явлений механического движения. Галилей в своих беседах прямо говорит, что наблюдения над работой «первых» мастеров в венецианском арсенале и беседы с ними помогли ему разобраться в «причинах явлений не только изумительных, но и казавшихся сперва совершенно невероятными». Многие положения механики Аристотеля были Галилеем уточнены (как, например, закон о сложении движений) или весьма остроумно опровергнуты чисто логическими рассуждениями (опровержение путем постановки опытов считалась в то время недостаточным). Мы приведем здесь для характеристики стиля доказательство Галилея, опровергающее положение Аристотеля о том, что тяжелые тела на поверхности Земли падают быстрее, а легкие - медленнее. Рассуждения приводятся в форме беседы между последователем Галилея (Сальвиати) и Аристотеля (Симпличио):
«Сальвиати
: ... Без дальнейших опытов путем краткого, но убедительного рассуждения мы можем ясно показать неправильность утверждения, будто тела более тяжелые движутся быстрее, нежели более легкие, подразумевая тела из одного и того же вещества, т. е. такие, о которых говорит Аристотель. В самом деле, скажите мне, Сеньор Симпличио, признаете ли Вы, что каждому падающему телу присуща от природы определенная скорость, увеличить или уменьшить которую возможно только путем введения новой силы или препятствия?
Симпличио:
Я не сомневаюсь в том, что одно и то же тело в одной и той же среде имеет постоянную скорость, определенную природой, которая не может увеличиваться иначе, как от приложения новой силы, или уменьшаться иначе, как от препятствия, замедляющего движение.
Сальвиати
: Таким образом, если мы имеем два падающих тела, естественные скорости которых различны, и соединим движущееся быстрее с движущимся медленнее, то ясно, что движение тела, падающего быстрее, несколько задержится, а движение другого несколько ускорится. Вы не возражаете против такого положения?
Симпличио:
Думаю, что это вполне правильно.
Сальвиати
: Но если это так и если вместе с тем верно, что большой камень движется, скажем, со скоростью в восемь локтей, тогда как другой, меньший - со скоростью в четыре локтя, то, соединяя их вместе, мы должны получить скорость, меньшую восьми локтей; однако два камня, соединенные вместе, составляют тело, большее первоначального, которое имело скорость в восемь локтей; следовательно, выходит, что более тяжелое тело движется с меньшей скоростью, чем более легкое, а это противно Вашему предположению. Вы видите теперь, как из положения, что более тяжелые тела движутся с большей скоростью, чем легкие, я мог вывести заключение, что более тяжелые тела движутся менее быстро».
Явления равноускоренного падения тела на Земле наблюдались многочисленными учеными до Галилея, но никто из них не смог открыть истинных причин и правильных законов, объясняющих эти повседневные явления. Лагранж замечает по этому поводу, что «нужен был необыкновенный гений, чтобы открыть законы природы в таких явлениях, которые всегда пребывали перед глазами, но объяснение которых тем не менее всегда ускользало от изысканий философов».
Итак, Галилей был зачинателем современной динамики . Законы инерции и независимого действия сил Галилей отчетливо понимал в их современной форме.
Галилей был выдающимся астрономом-наблюдателем и горячим сторонником гелиоцентрического мировоззрения. Радикально усовершенствовав телескоп, Галилей открыл фазы Венеры, спутников Юпитера, пятна на Солнце. Он вел настойчивую, последовательно материалистическую борьбу против схоластики Аристотеля, обветшалой системы Птолемея, антинаучных канонов католической церкви. Галилей относится к числу великих мужей науки, «которые умели ломать старое и создавать новое, несмотря ни на какие препятствия, вопреки всему».
Работы Галилея были продолжены и развиты (1629-1695), который разработал теорию колебаний физического маятника
и установил законы действия центробежных сил.
Гюйгенс распространил теорию ускоренных и замедленных движений одной точки (поступательного движения тела) на случай механической системы точек. Это было значительным шагом вперед, так как позволило изучать вращательные движения твердого тела. Гюйгенс ввел в механику понятие о моменте инерции тела относительно оси
и определил так называемый «центр качаний»
физического маятника. При определении центра качаний физического маятника Гюйгенс исходил из принципа, что «система весомых тел, движущихся под влиянием силы тяготения, не может двигаться так, чтобы общий центр тяжести тел поднялся выше первоначального положения». Гюйгенс проявил себя и как изобретатель. Он создал конструкцию маятниковых часов, изобрел балансир-регулятор хода карманных часов, построил лучшие астрономические трубы того времени и первый ясно увидел кольцо планеты Сатурн.
Исаак Ньютон - основатель современной физики
Журнал: Тайны вселенной №7(117), 2017 год
Легенда Кембриджа
Будущий основатель физики в её современном понимании родился в деревеньке Вулсторп, в семье мелкого фермера Исаака Ньютона 25 декабря 1642 года. С самых ранних лет Исаак (названный в честь отца) проявлял интерес и способности к постижению наук. В 1661 году одарённый юноша оканчивает школу и поступает вТринити-колледж при Кембриджском университете. Спустя несколько лет Ньютон получает степень магистра и становится полноправным членом колледжа. В 1687 году в свет выходит главный труд учёного «Математические начала натуральной философии», в котором излагались основные принципы механики и закон всемирного тяготения. Это произведение во многом стало отправной точкой для нового метода научного познания, который взяли на вооружение последующие поколения исследователей. Авторитет Ньютона в научном мире и английском обществе в целом стал настолько высоким, что в 1696 году ему была предложена должность хранителя Монетного двора. Проведённая в эти годы Ньютоном финансовая реформа серьёзно улучшила состояние британской экономики. Кроме того, Ньютон дважды избирался в парламент от Кембриджского университета, где также старался принести максимальную пользу учёному сообществу. В конце концов корона пожаловала достойному просвещённому мужу дворянство. Умер сэр Исаак Ньютон в своём доме в Кенсингтоне 20 марта 1725 года в возрасте 82 лет.Покорённые вершины
Довольно сложно подробно и полно рассказать обо всех открытиях и достижениях Исаака Ньютона в различных областях науки. Он занимался математикой, физикой, алхимией, философией. К примеру, Ньютон создал телескоп новой конструкции, сильно упростивший жизнь астрономам, разработал теорию света, а также сформулировал начала математического анализа. Но особенной вехой в исследовательской деятельности учёного стала классическая механика, при создании которой использовался новый научный метод, порывавший с прежней традицией.В работе всей своей жизни - «Математические начала натуральной философии» - Исаак Ньютон старался показать, что можно максимально просто и с опорой на проверяемые факты и строгие вычисления объяснить все явления во Вселенной. Позднее систему, описанную в «Началах», назвали ньютоновской механикой. Она подробно описывала свойства тел, их взаимодействие, а также законы движения в пространстве.
Взять, например, гипотезу о силе тяготения, заставлявшей планеты двигаться относительно Солнца и друг друга по определённой траектории. Предположение о существовании этой силы выдвигали учёные ещё в эпоху Древней Греции. Однако наука того времени не смогла найти доказательств, объяснявших, почему планеты движутся именно так, а не иначе. С помощью наблюдений и математических уравнений Ньютону удалось вывести формулу, позволявшую вычислить и точно измерить взаимодействие, благодаря которому планеты и Солнце взаимно притягиваются друг к другу. Так, для определения силы тяготения нужно лишь знать массу двух тел и расстояние между ними, а также некоторую постоянную величину, вычисленную Ньютоном с помощью самолично разработанных методик. Британский учёный определил, что чем больше масса объекта, тем сильнее он воздействует на другие объекты, но с увеличением расстояния сила взаимодействия ослабевает.
Новый научный подход
Помимо закона всемирного тяготения Исаак Ньютон вывел и обосновал множество других положений и принципов своей механики. Само её появление стало возможным благодаря новому научному методу, введённому ещё Галилеем и улучшенному и доработанному Ньютоном. Прежде, занимаясь исследованиями, мыслители сначала придумывали стройную и логически верную гипотезу, а затем пробовали объяснить с её помощью наблюдаемое явление. Если гипотеза не выдерживала проверки, они начинали рассуждать о влиянии неизвестных сил, вводили все новые и новые термины, не объясняя толком их значения и происхождения и уходя все дальше от истины. Подход же Ньютона был экономным, опирался на эксперимент и точное измерение величин. Каждый объект, считал учёный, определяется с помощью чётких характеристик: массы, скорости, расстояния и т.д. Эти характеристики можно измерить с большой точностью, проверить результат в эксперименте и строго доказать выдвинутую гипотезу, не прибегая к необоснованным догадкам. Научный метод Ньютона привёл к потрясающим результатам: с его помощью возникла механика, ставшая базой современной физики, а также был открыт путь для развития всего естествознания в целом. Вклад Исаака Ньютона в будущее науки сложно переоценить, и он поистине заслуживает благодарности потомков.Где мой любимый ученый? Он на много опередил время! Знал то, что не знал даже ЭйнШтейн! Добавьте Тесла!
Нико́ла Те́сла (серб. Никола Тесла; 10 июля 1856, Смиляны, Австро-Венгрия, ныне в Хорватии - 7 января 1943, Нью-Йорк, США) - американский физик, инженер, изобретатель в области электротехники и радиотехники.
Широко известен благодаря своему научно-революционному вкладу в изучение свойств электричества и магнетизма в конце XIX - начале XX веков. Патенты и теоретические работы Теслы сформировали базис для современных устройств, работающих на переменном токе, многофазовых систем и электродвигателя, позволивших совершить второй этап промышленной революции.
Современники-биографы считали Теслу «человеком, который изобрёл XX век» и «„святым заступником“ современного электричества». После демонстрации радио и победы в «Войнах токов» Тесла получил повсеместное признание как выдающийся инженер-электрик Америки. Ранние работы Теслы проложили путь современной электротехнике, его открытия раннего периода имели инновационное значение. В США по известности Тесла мог конкурировать с любым изобретателем или учёным в истории или популярной культуре.
Переменный ток
С 1889 года Тесла приступил к исследованиям токов высокой частоты и высоких напряжений. Изобрёл первые образцы электромеханических генераторов ВЧ (в том числе индукторного типа) и высокочастотный трансформатор (трансформатор Теслы, 1891), создав тем самым предпосылки для развития новой отрасли электротехники - техники ВЧ.
В ходе исследований токов высокой частоты Тесла уделял внимание и вопросам безопасности. Экспериментируя на своём теле, он изучал влияние переменных токов различной частоты и силы на человеческий организм. Многие правила, впервые разработанные Теслой вошли в современные основы техники безопасности при работе с ВЧ токами. Он обнаружил, что при частоте тока свыше 700 периодов в секунду болевое воздействие на нервные окончания прекращает восприниматься. Электротехнические аппараты, разработанные Теслой для медицинских исследований, получили широкое распространение в мире.
Эксперименты с высокочастотными токами большого напряжения (до 2 млн вольт) привели изобретателя к открытию способа очистки загрязнённых поверхностей. Аналогичное воздействие токов на кожу показало, что таким образом возможно удалять мелкую сыпь, очищать поры и убивать микробы. Данный метод используется в современной электротерапии.
Теория полей
В 1888 году Тесла (независимо от Г. Феррариса и несколько ранее его) дал строгое научное описание сути явления вращающегося магнитного поля. В том же году Тесла получил свои основные патенты на изобретение многофазных электрических машин (в том числе асинхронного электродвигателя) и системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока. С использованием двухфазной системы, которую он считал наиболее экономичной, в США был пущен ряд промышленных электроустановок, в том числе Ниагарская ГЭС (1895), крупнейшая в те годы.
Тесла одним из первых запатентовал способ надежного получения токов, которые могут быть использованы в радиосвязи. Патент U.S. Patent 447920 (англ.), выданный в США 10 марта 1891 года описывал «Метод управления дуговыми лампами» («Method of Operating Arc-Lamps»), в котором генератор переменного тока производил высокочастотные (по меркам того времени) колебания тока порядка 10 000 Гц. Запатентованной инновацией стал метод подавления звука, производимого дуговой лампой под воздействием переменного или пульсирующего тока, для чего Тесла придумал использовать частоты, находящиеся за рамками восприятия человеческого слуха. По современной классификации генератор переменного тока работал в интервале очень низких радиочастот.
Тесла демонстрирует принципы радиосвязи, 1891 г.
В 1891 г. на публичной лекции описал и продемонстрировал принципы радиосвязи. В 1893 году вплотную занялся вопросами беспроволочной связи и изобрел мачтовую антенну.
Резонанс
Катушки Тесла до сих пор используются кое-где именно для получения искусственных молний. В 1998 году инженер из Стенфорда Грег Лей продемонстрировал публике эффект «молнии по заказу», стоя в металлической клетке под гигантским контуром Тесла и управляя молниями с помощью металлической «волшебной палочки». Недавно он развернул кампанию по сбору средств на строительство еще двух «башен Тесла» где-то на юго-западе США. Проект обойдется в 6 миллионов долларов. Однако укротитель молний надеется вернуть расходы, продав установку Федеральному управлению авиации. С помощью нее авиаторы смогут изучать, что происходит с самолетами, попавшими в грозу.
Беспроводная передача энергии
