Выдающиеся российские физики Георг Вильгельм Рихман Начало научной деятельности
| Вид материала | Документы |
- Георг Вильгельм Фридрих Гегель, 221.47kb.
- Выдающиеся физики и электротехники создатели основ электропривода доминик Франсуа Жан, 684.27kb.
- Программа обучения адвокатов со стажем адвокатской деятельности до 1 года и стажеров, 31.1kb.
- Ханнанов Наиль Кутдусович, Институт научной информации и мониторинга рао, e-mail: khann@dio, 244.27kb.
- Георг Фридрих Риман Готфрид Вильгельм Лейбниц литература, 208.32kb.
- Рационализм как гносеологическая категория у Гегеля, 303.18kb.
- Государственные награды Российской Федерации, 348.46kb.
- Отчет о научной деятельности Отделения теоретической физики им. И. Е. Тамма в 2008, 719.79kb.
- Российские Нобелевские Лауреаты, 876.38kb.
- Л. И. Корочкин Онтогенез, эволюция и гены, 218.11kb.
1 2
Выдающиеся российские физики
Георг Вильгельм Рихман
Начало научной деятельности
Георг Вильгельм Рихман родился 11 июля 1711 г. в семье казначея в г. Пернове (Пярну), который после поражения Карла XII под Полтавой вошел в состав Эстляндии. Отец еще до рождения сына умер от чумы. Мать вышла замуж вторично. Начальное и среднее образование юноша получил в Ревеле (ныне Таллинн), большом портовом городе на берегу Финского залива, где были гимназия и навигацкая школа.
К сожалению, материалы о юношеских и студенческих годах Рихмана не сохранились. Но можно предполагать, что большие способности и исключительное трудолюбие выделяли его из среды сверстников. Свое образование он продолжил в немецких университетах сначала – в г. Галле, а затем в г. Йене, где с особым старанием изучал физику и математику. «Я, – писал Рихман, – по природе лифляндец, учился <...> на собственном иждивении, чтоб со временем моими трудами российскому государству пользу учинить». К тому времени Эстляндия и Лифляндия вошли в состав Российского государства, и это признание характеризует ученого как убежденного патриота России.
Желая более обстоятельно изучить физику, он уезжает в Петербург. 22 июля 1735 г. юноша представляет президенту Петербургской академии наук пробное сочинение по физике и просит принять его в академию. Просьба была удовлетворена, и 13 октября 1735 г. Рихмана зачислили студентом академии «для занятий физическими науками» с окладом 150 рублей в год.
Большую роль в воспитании и научной подготовке Рихмана сыграл академик Крафт, ученик Г.Бильфингера, руководитель кафедры физики и физического кабинета академии, находившийся под влиянием прогрессивных идей Д.Бернулли и Л.Эйлера. Отличаясь широким кругозором, любовью к эксперименту и горячим желанием постоянно знакомить российского читателя с последними научными достижениями, Крафт воспитывал эти качества и в своем талантливом ученике. «С самого начала моего поступления, – писал Рихман, – вначале в качестве студента помогал профессору Крафту в физическом кабинете и продолжал изучение физики по его советам и указаниям». Рихман с разрешения президента присутствовал на собраниях академии, где слушал видных ученых, в том числе и Л.Эйлера. исследования он проводил в физическом кабинете, где насчитывалось около 400 приборов (из них 180 относились к механике, 101 – к оптике, 40 – к магнетизму и 25 – к теплоте и метеорологии): выяснял, как происходит испарение, разрабатывал проекты «особой молотилки» и «водоподъемной машины», писал рассуждение «О сифоне». Одновременно опубликовал в издаваемых Академией наук «Примечаниях к Санкт-Петербургским ведомостям» научно-популярные статьи «О фосфоре», «О янтаре», «О орфирейском плавании под водой», «Физическое известие о целительных водах вообще», «О достойных примечания переменах, которыми поверхность Земли от времени до времени подвержена бывает» и др. Особо стоит отметить «Беседу между двумя философами о пустом и наполненном пространстве», посвященную вопросам строения материи, движения, непрерывности и дискретности.
В 1740 г. как способный и хорошо подготовленный физик Рихман избирается адъюнктом, а через год «за особливые свои труды и прилежание» – вторым профессором по кафедре теоретической и экспериментальной физики. За короткий срок он обогатил отечественную и мировую физику рядом ценных экспериментальных исследований и открытием многих важных закономерностей в области тепловых и электрических явлений.
В «Трудах Петербургской академии» напечатаны девятнадцать его работ по калориметрии и термометрии, по теплообмену и испарению жидкостей, по упругим свойствам воздуха, две работы по электричеству, одна по магнетизму и одна по картографии. Остались неопубликованными пять работ по молекулярной физике, сорок сообщений и статей по статическому электричеству и магнетизму, три работы по механике, две по оптике и перевод курса физики Сегнера. «В истории мировой науки в прошлых веках, – писал академик С.И.Вавилов, – нельзя указать другой пример столь быстрого и эффективного выращивания науки, как это было в России в первой половине XVIII века через посредство Петербургской академии».
С 1744 г., после отъезда Крафта в Германию, Георг Рихман остается единственным руководителем кафедры физики и физического кабинета Академии наук, который благодаря его стараниям и энергии стал в середине XVIII в. центром научно-исследовательской и учебной деятельности в России. Ученый придавал особое значение систематическому пополнению кабинета вновь изобретенными приборами, «которые способны будут к учинению новых экспериментов» и, в частности, «к деланию экспериментов электрических». Эту сторону деятельности своего друга высоко ценил М.В.Ломоносов. Немало новых приборов для физического кабинета было изготовлено в академической инструментальной мастерской по проектам самого Рихмана: оригинальный электрометр, электрическая машина с двумя вращающимися шарами, самопишущий прибор для определения средней температуры воздуха, барометр особой конструкции и многие другие. Каждый новый прибор, как правило, давал возможность производить более точные измерения, а иногда и более глубоко изучать сущность того или иного физического явления. «В физике, – говорил ученый, – нелегко что-либо установить, не прибегая к опытам и испытаниям, а голые рассуждения, не подкрепленные опытом, часто ведут к ошибкам». В этом он был полным единомышленником Ломоносова.
С 1742 по 1753 гг. он читал лекции молодым русским ученым, при этом подробно останавливался на задачах, которые следовало решить: «Студентов обучал я в математике и в физике с знатным успехом, которые моим тщанием до того приведены, что уже и других опять в тех науках обучать могут». Его учениками были ставшие позднее академиками С.К.Котельников, С.Я.Румовский, А.С.Протасов, будущие адъюнкты Академии наук М.Сафронов и В.И.Клементьев и профессора открытого в 1755 г. Московского университета А.А.Барсов и Н.Н.Поповский. Но больше всего он радовался успехам и гордился самоотверженностью своего друга М.В.Ломоносова. Да и тот считал Рихмана «лучшим профессором» Петербургской академии наук.
Георг Рихман зарекомендовал себя чрезвычайно широко образованным ученым, хорошо знакомым со многими областями науки. Он внимательно следил за развитием естествознания, критически приглядывался к нововведениям и вошел в историю науки как один из крупнейших основоположников теплофизики и электричества. Он успешно разрабатывал некоторые вопросы оптики, магнетизма, механики, картографии, впервые в России начал изучать явление холодного свечения тел, т.е. люминесценции. Им были проведены большие исследования по искусственному намагничиванию стрелок с целью их использования в компасах, что имело немаловажное практическое значение для мореходного дела и для геодезии. Он неоднократно отстаивал право на свободное и честное “искание” объективной истины, на собственные убеждения, независимые от влияния вековых догм и авторитетов, на то, что он называл «свободой философствования».
Огромное значение для изучения тепловых явлений сыграла термометрия. Она, по существу, и положила начало количественному изучению этого важнейшего раздела физики. До ее возникновения на Руси, например, сведения о погоде записывали так: «1657 год, генваря, 30-го дня, пяток. День был до обеда холоден и ведрен, а после обеда оттепелен, в ночи было ветрено». Если требовалось отметить температуру воздуха в зимний день, то записывали так: «Мороз мал». Или: «Мороз лютый». Появление первых термометров связано с изобретенным Г.Галилеем термоскопом, а позже – пригодными для научных измерений термометрами Фаренгейта, Реомюра и Цельсия. С помощью термометра (хотя к началу 40-х гг. XVIII в. в употреблении находилось не менее тринадцати различных шкал) ученые сразу же приступили к количественным исследованиям тепловых явлений.
Таким образом, ни М.В.Ломоносов, ни Г.-В.Рихман не были первопроходцами в этой области физики. В 1744 г. Г.Крафт представил в академию труд «Различные опыты с теплом и холодом», в котором обобщил свои многолетние исследования и нашел эмпирическую формулу для определения температуры смеси двух различных по массе и по температуре количеств одинаковых жидкостей:
где a и b – массы смешиваемых жидкостей, m и n – их температуры соответственно, 11 и 8 – коэффициенты. Крафт брал воду, холодную и горячую, температуру измерял по шкале Фаренгейта. Эти опыты, положившие начало научным исследованиям по калориметрии, были успешно продолжены Г.-В.Рихманом. Его труды вошли в историю физики в качестве основополагающих.
В 1744 г. Рихман представляет в академию труд «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешивании жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты». Однако молодому ученому на академическом собрании были сделаны серьезные замечания, и он провел еще одно исследование, подтверждающее справедливость выведенной им формулы, которое и представил в академию в 1748 г. Рихман убедительно доказал, что формула Крафта для определения температуры смеси применима только для случая смешивания двух малых объемов воды и что она неточна. Проведя огромное число тщательно выверенных опытов, Рихман получил довольно точную формулу (вошедшую в историю физики под его именем) для определения температуры смеси произвольного числа разных порций одной и той же жидкости разной температуры:
где m1, m2 ... mk – массы смешиваемых жидкостей, t1, t2 ... tk – соответствующие им температуры. Тогда понятия о теплоемкости тела еще не было, так что надо было обладать незаурядной интуицией, чтобы вывести уравнение, точность которого, с современной точки зрения, определяется лишь степенью зависимости теплоемкости от температуры.
Используя формулу Рихмана, физики уже в XVIII в. успешно освоили новые методы калориметрических исследований, и вскоре английский физик и химик Дж.Блэк и независимо от него шведский физик И.Вильке открыли «скрытую теплоту плавления льда». На основе этой формулы был разработан способ смешивании жидкостей для определения их теплоемкостей. Этот способ также был назван именем Рихмана и до сих пор является одним из основных при определении теплоемкости, удельной теплоемкости и других теплофизических величин: из школьного курса физики известно, что удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле
где Q – количество теплоты, которое необходимо передать телу массой m, чтобы повысить его температуру от t1 до t2.
В 1751 г. ученый прочитал небольшую заметку «О шкале степеней тепла и холода», написанную Исааком Ньютоном пятьдесят лет тому назад. В ней были не только описаны различные опыты по охлаждению тел, но и на их основе сделаны выводы о том, что количество теплоты «в заданное время» отдаваемое нагретым железом «смежным с ним холодным телам» пропорционально «всей теплоте железа». При этом указывалось, что «если времена охлаждения принимать равными», то понижение температуры нагретого железа происходит в геометрической прогрессии и может быть найдено «легко по таблице логарифмов». Эта установленная Ньютоном закономерность вошла в науку как закон охлаждения тел. Тем не менее исследования Рихмана по конвективному теплообмену и открытый им закон были выдающимся вкладом в развитие теплофизики и получили самую высокую оценку в мировой науке.
Развитие метеорологии и гидрологии привели Г.Рихмана к мысли вплотную заняться изучением процессов, происходящих при испарении воды. Впервые он сделал попытку связать теорию испарения с законом охлаждения тел. Для своих опытов ученый использовал открытые цилиндрические сосуды, имеющие различные поверхности испарения, заполняя их на различную глубину водой. Количество испарившейся жидкости за определенный промежуток времени определялось по разности веса объема исходной и оставшейся воды. На основе многочисленных опытов Рихман установил, что испарение воды зависит от разности площадей поверхности, от массы и глубины воды в сосуде. Он также показал, что испарение всегда сопровождается понижением температуры воды.
С целью оснащения отечественных метеорологических станций новыми и точными теплоизмерительными приборами Рихман создал гидравлический испаритель для точного измерения количества испаряемой воды, метеорологический термометр для измерения средней температуры за сутки, барометр особой конструкции.
Первый электростатический измерительный прибор
Считается, что толчком к началу исследований по электричеству в России послужило письмо Л.Эйлера в Академию наук от 15 августа 1744 г. с приглашением принять участие в конкурсе Берлинской академии наук на решение задачи о причине электрических явлений. Письмо было рассмотрено на заседании академического собрания 24 августа. Было принято решение «...произвести также и здесь исследования над явлениями электричества и тщательно изучить все сочинения, написанные по этому предмету, а те, которых нет здесь, как можно скорее добыть».
Это новое направление возглавил Г.Рихман. Он очень внимательно изучил все труды по этому вопросу, после чего решил особое внимание уделить методике и технике эксперимента. Так как опытов по электричеству до него в академии никто не проводил, не было и необходимых приборов и материалов. Пришлось приобретать их самому, а кое-что и изготавливать. Заказы ученого – стеклянные трубки разных размеров, стеклянный полый шар, шар металлический и несколько подставок из смолы для изоляции – были быстро выполнены в инструментальной академической мастерской. Была изготовлена и электрическая машина типа машины Гауксби со стеклянным шаром, но с некоторыми усовершенствованиями – более устойчивая и с большим числом оборотов шара. Рихман долго обдумывал, как проводить свои опыты, какую цель перед собой поставит. Анализ работ европейских физиков показал, что все они использовали только описательный, качественный метод. Идти по проторенному пути было не в характере ученого. Поэтому он решает сначала создать прибор, с помощью которого можно было бы измерять электрические заряды, создаваемые на телах при электризации трением, и изобретает «указатель электричества» (рис. 1, 2). Это устройство представляло собой вертикальную металлическую линейку (длиной около 52 см и массой около 615 г), к которой подводился электрический заряд от электростатической машины. К верхнему концу линейки прикреплялась льняная нить (длиной около 61 см и массой около 45 мг). Как только металлической линейке передавался электрический заряд, льняная нить отталкивалась от нее и отклонялась на некоторый угол в зависимости от величины заряда. Угол отклонения измерялся на деревянном квадранте с дуговой шкалой, разделенной на градусы. Для более точных измерений каждый градус был разделен на четыре равные части. В целях устранения контакта льняной нити с квадрантом (во избежание частичной утечки заряда) конец этой нити был удален от него на одну линию (2,5 мм).
Введение в конструкцию электрометра указателя шкалы с делениями принципиально изменяло функцию и назначение прибора. Так как в то время единиц для выражения величины электрических зарядов еще не было, то их можно было сопоставлять по градусной шкале. Так был создан первый электрометр, и принцип его работы сохранился в ряде современных электроизмерительных приборов.
Для измерения «электрической силы» ученый решил использовать и весы. Измерять величину заряда взвешиванием оказалось менее удобным, чем с помощью «указателя электричества». Но через полтора столетия идею Г.-В.Рихмана физики стали активно использовать для измерения разностей потенции.
Продолжая свои конструкторские изыскания, Рихман решил для «определения интенсивности электрической силы» использовать электрический звонок. Этим методом он сумел проверить, «каким образом по быстроте звона можно распознавать наибольшую степень электричества». Между двумя колоколами помещался железный молоточек. Получив электрический заряд от электростатической машины, молоточек притягивался к колоколу и ударял по нему, производя звон.алов. Сегодня на этом принципе основано устройство абсолютного электрометра.
Ученый на протяжении ряда лет продолжал совершенствовать свой электрометр. Жизнь показала, что наиболее правильное решение было найдено все-таки Г.-В.Рихманом.
Исследования по электростатике
Создав приборы, предназначенные для количественного изучения электрических явлений, Г.Рихман сразу же приступил к выполнению намеченных исследований. Все полученные результаты он подробно записывал в специальную тетрадь «Новые опыты над электрическими явлениями». Это была первая в России работа по электричеству. К числу своих открытий Рихман относил опыты по электризации воды, спирта, снега и льда. Ученый поочередно помещал эти вещества в металлический сосуд, ставил его на наэлектризованную железную подставку и, поднося к поверхности исследуемого вещества палец, наблюдал проскакивание искр и даже свечение. При помощи наэлектризованного льда он воспламенял ненаэлектризованный винный спирт. В этих опытах, как, впрочем, и во всех последующих, физик-экспериментатор постоянно использовал изобретенный им электрометр.
Важнейшим результатом первых опытов Рихман считал выделение проводников и изоляторов. Интерес к изучению электропроводности сохранился у Рихмана до конца его короткой жизни. Большое внимание Г.-В.Рихман уделял исследованию электроемкости различных по своей массе и объему тел. Г.-В.Рихман был не только выдающимся физиком-экспериментатором, но и пропагандистом науки об электричестве.
Большой интерес для истории отечественной науки представляют и первые опыты по электрофизиологии (1745 г.). Их цель – изучение влияния электричества на организм животных. Была сделана попытка изучения влияния электризации человека на его пульс, однако «не заметил, чтобы от электризации ускорялось обращение крови». Этот вывод несколько позже был подтвержден исследованиями немецкого физика Г.Кюна.
Атмосферное электричество
Много времени Г.Рихман уделял изучению и научному обоснованию наиболее безопасных методов грозозащиты: признавая заземленный громоотвод, он в 1752 г. предложил метод превентивной защиты, имеющий целью предупредить возможность образования молнии.
К 1753 г. теории атмосферного электричества еще не было. К решению самых, казалось бы, простых вопросов приходилось еще подходить буквально на ощупь. У Рихмана, в частности, возник вопрос: происходит ли электризация воздуха во время артиллерийской стрельбы? Был необходим эксперимент. Ученый решил воспользоваться тем, что 25 апреля в Петербурге в день коронации императрицы Елизаветы предполагалась пальба из пушек. Вместе с Ломоносовым во время залповой стрельбы из 50 орудий он точно установил, что нить в его электрометре совершенно не отклонялась. Попутно было доказано, что зажженный порох и возникающее от него пламя не электризуют воздух. Позже М.В.Ломоносов сделает вывод, что не гром и молния являются причиной электрического поля в атмосфере, а именно наличие этого поля, зарядов в атмосфере является причиной молнии и грома. Это утверждение устраняло из науки многочисленные домыслы относительно причин происхождения грозы.
Убийца – шаровая молния
Установка Рихмана находилась на столе в сенях. «Электрический указатель» тонкой железной проволокой соединялся с молниеотводом на крыше. Дверь из сеней выходила на север, откуда надвигалась туча, сопровождаемая сильными порывами ветра. Зная, что проводимые им опыты представляют серьезную опасность для жизни, экспериментатор не разрешил художнику близко подходить к прибору. Налетел сильный порыв ветра, Рихман приблизился к электрометру и остановился от него на расстоянии 30 см. Неожиданно из толстого железного прута прямо в левую часть его лба ударил бледно-синеватый огненный шар величиной с кулак. Это была шаровая молния! Раздался оглушительный удар, «будто бы из малой пушки выпалено было», и ученый, «не издав ни малого голосу», замертво свалился на стоящий за ним сундук. Бывший вблизи Соколов был тоже повален на пол и оглушен. Сени наполнились дымом.
Услышав сильный удар, жена Рихмана выбежала из комнаты в сени. Не обнаружив у пострадавшего пульса, мужественная женщина попыталась домашними средствами привести его в чувство, но ничего не помогало. Сразу же были посланы люди за жившими неподалеку Ломоносовым и Кратценштейном, врачом по образованию. Вскоре те уже были у тела. Были приняты все необходимые меры, однако спасти Рихмана было уже нельзя.
Зафиксировав смерть, Ломоносов и Кратценштейн, врач по образованию, установили, что у двери на кухне отшибло кусок дерева 60 см длиной, который был отброшен и раздроблен в мелкую крошку. Раздроблена была сверху до низу и деревянная колода, которая находилась у дверей. Она «вместе с крючьями и с дверью» тоже была отброшена в сени.
Анализ этих загадочных обстоятельств привел Кратценштейна к мысли, что шаровая молния или, по его словам, «луч молнии», проник в помещение не по проводу, а через дверь в результате порыва северного ветра, который приоткрыл дверь. Шаровая молния попала в сени, а затем, притянувшись к проводнику, прошла по проволоке на электрометр и ударила Рихману в лоб. Эти предположения полностью подтверждают то, что видел своими глазами Соколов, а видел он не линейную, а именно шаровую молнию
Ленц Эмилий Христианович
Эмилий Христианович Ленц родился 24 февраля 1804 года в Дерпте (ныне Тарту). В 1820 году он окончил гимназию и поступил в Дерптский университет. Самостоятельную научную деятельность Ленц начал в качестве физика в кругосветной экспедиции на шлюпе "Предприятие" (1823-1826). В 1827 году он выполнил обработку полученных данных и проанализировал их. В феврале 1828 года Ленц представил в Академию наук доклад "Физические наблюдения, произведенные во время кругосветного путешествия под командованием капитана Отто фон Коцебу в 1823, 1824, 1825 и 1826 гг.". За этот труд в мае 1828 года Ленц был избран адъюнктом Академии по физике.
В 1829-1830 годах Ленц занимался геофизическими исследованиями в южных районах России. В июле 1829 года он участвовал в первом восхождении на Эльбрус и определил высоту этой горы. Он установил, что уровень Каспийского моря на 30,5 м ниже Черного. В марте 1830 года он был избран экстраординарным академиком.
Начиная с 1831 и по 1836 год он занимался изучением электромагнетизма. Ленц, открыл закон, определивший направление индуцируемого тока. Он известен сейчас как правило Ленца. 29 ноября 1833 году это открытие было доложено Академии наук. В 1834 году Ленца избрали ординарным академиком по физике.
В 1836 году Ленц был приглашен в Петербургский университет и возглавил кафедру физики и физической географии. В 1840 году он был избран деканом физико-математического факультета, а в 1863 году - ректором университета. В 1839 году он составил "Руководство к физике" для русских гимназий, выдержавшее одиннадцать изданий.
В 1842 году Ленц открыл независимо от Джеймса Джоуля закон, согласно которому количество тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока сопротивлению проводника и времени. Совместно с Борисом Семеновичем Якоби Ленц разработал методы расчета электромагнитов в электрических машинах, установил существование в последних "реакции якоря". Он изучал зависимость сопротивления металлов от температуры.
В 1851 году был опубликован труд Ленца "Физическая география". Ленц рассмотрел строение земной коры, происхождение и перемещение образующих ее пород и показал, что она непрерывно изменяется и что этот процесс влияет на рельеф материков. Он открыл важные закономерности суточного и годового хода температуры и давления воздуха, ветровой деятельности, испарения воды, конденсации водяного пара и образования облаков, электрических и оптических явлений в атмосфере: объяснил происхождение голубого цвета неба, радуги, кругов около Солнца и Луны и ряда редких атмосферных явлений.
Русский ученый установил причину небольшого повышения температуры воды с глубиной в зоне к югу от 51 градуса южной широты и отметил, что подобная инверсия этой характеристики должна иметь место и в Северном Ледовитом океане. Ленц установил, что соленость воды мало изменяется с глубиной, а в верхнем слое уменьшается с широтой. Плотность воды возрастает с широтой и с глубиной. Главная причина такого ее изменения заключается в уменьшении температуры воды в этих направлениях.
Ленц пришел к выводу, что из-за увеличения плотности воды с широтой в Мировом океане наряду с течениями, вызываемыми ветром и наклоном уровня, должно существовать общее и не менее сильное движение поверхностных вод из тропической зоны в области высоких широт и движение глубинных вод из этих областей в тропическую зону.
Ленц заключил, что наибольшая часть солнечной радиации поглощается Мировым океаном. Эта энергия расходуется в основном на испарение воды, вызывая ее кругообращение в эпиогеосфере. Поэтому океаны, огромные резервуары тепла и влаги, играют гигантскую роль в формировании климата Земли. Наряду с американским ученым М.Ф. Мори, он был основоположником учения о взаимодействии океана с атмосферой.
Выдающиеся географы С.О. Макаров, М.А. Рыкачев, Ю.М. Шокальский, Л.С. Берг и другие неоднократно отмечали точность океанографических наблюдений, достоверность и большое значение научных результатов, полученных Ленцем.