Помоги проекту - поделись книгой:
В пятом разделе «Начертательной геометрии» рассматривались некоторые теоретические вопросы кривизны пространственных кривых и поверхностей. Монж указывал возможные их применения в технике.
Еще одним важным разделом главного труда Монжа является принципиально новая «Теория перспективы». Позднее на ее основе французский математик Жан-Виктор Понселе (1788–1867) построит свою проективную геометрию.
О перспективе Монж писал следующее:
«Искусство перспективы заключается в изображении на картине, форма и положение которой известны, предметов, также заданных по форме и положению, такими, как они кажутся глазу с определенной точки зрения».
Главная заслуга Гаспара Монжа состоит в том, что он познакомил людей с геометрией трех измерений и научил переходить от нее к плоской геометрии, и наоборот.
Академик Доминик-Франсуа Араго (1786–1853) характеризует открытие Монжа следующим образом:
«Монж имел счастье открыть существенные свойства пространства, ограниченного поверхностями, способными для строгого определения. Архимед желал, чтобы на его гробнице была изображена сфера, вписанная в цилиндр. Монж имеет также полное право требовать, чтобы на его памятнике были начертаны прекрасные и общие свойства кривых линий.
Монж был основателем первой школы в мире, которой завидуют все государства и которая принесла неисчислимые услуги чистым и прикладным наукам».
А еще Монж был прекрасным лектором. Свои лекции по начертательной геометрии он всегда читал с большим подъемом, позволяя себе «лирические отступления», в которых содержалось много нового и интересного. Его речь буквально гипнотизировала слушателей. Ученики обожали своего профессора и после лекций провожали его до дома.
При этом Монж требовал от своих учеников не пассивного изучения предмета, а активности в решении задач, выходящих за пределы учебного курса. Многие его ученики стали крупными учеными. Ими, в частности, были член Директории и военный министр Лазар Карно (1753–1823), академики Огюстен-Луи Коши (1789–1857) и Франсуа Дюпен (1784–1873), генерал-лейтенант русской службы и главный директор путей сообщения России Августин де Бетанкур (1758–1824) и многие другие.
Когда Наполеон в 1799 году совершил переворот и захватил власть в стране, Монж последовал за новоявленным диктатором. После провозглашения Империи знаменитый ученый был сделан сенатором (в 1806 году он даже председательствовал в сенате), кавалером ордена Почетного легиона и графом де Пелюз (графский титул он получил в 1808 году по имени города в дельте Нила). Ему были дарованы поместья и многочисленные знаки отличий.
И все же, хотя Монж и обожал Наполеона, это не мешало ему стоять за правду. Когда Наполеон превратил республику в империю, некоторые воспитанники Политехнической школы отказались приносить ему присягу. Возмущенный император захотел сурово наказать зачинщиков этого неповиновения, но Монж смело выступил на их защиту: «Государь, мы долго старались сделать их республиканцами, дайте им, по крайней мере, время превратиться в сторонников империи. Вы поворачиваете слишком круто!» Монж оказался одним из немногих, кто не оставил своего императора после разгрома при Ватерлоо. Ежедневно он являлся в опустевший Мальмезонский дворец к своему кумиру – ведь их связывала почти двадцатилетняя дружба.
После возвращения во Францию Бурбонов бонапартист Монж был лишен всех званий, титулов и наград. Его изгнали из Политехнической школы и Академии наук, он вынужден был скрываться от властей.
Его место в Академии кто-то должен был занять. Найдется ли во Франции математик, настолько лишенный представлений о приличии, чтобы занять место этого крупнейшего ученого, создателя Политехнической школы, воспитавшей десятки ученых с мировым именем?..
И такой человек нашелся. Им стал ученик Монжа Огюстен-Луи Коши, написавший за свою жизнь свыше 800 работ по математическому анализу, теории интегральных вычетов, теории чисел и т. д. В 1816 году он проявил себя ярым монархистом. После этого по очищенному от сторонников Наполеона Парижу пошел шепот тех, кто в глубине души сочувствовал Монжу: «Его место беззастенчиво занял Коши – великий ученый, не наделенный, однако, совестью».
Гаспар Монж умер 28 июля 1818 года. Он ушел из жизни в полной нищете и забвении, его немногочисленным друзьям даже было запрещено участвовать в его похоронах. Один лишь Бертолле, его верный друг, осмелился произнести речь в его память.
Лишь в 1820 году выпускникам Политехнической школы удалось добиться почетного захоронения Монжа на престижном парижском кладбище Пер-Лашез. А в декабре 1989 года его останки были перенесены в Пантеон, где покоятся самые знаменитые люди Франции.
Электродинамика Ампера
Имя Андре-Мари Ампера (1775–1836) широко известно во всем мире, и сейчас его ежедневно произносят тысячи людей. Достаточно взглянуть на любой домашний электроприбор, и там можно обнаружить его электротехнические характеристики, например: «-220V 50Hz 3,2А». Это значит, что прибор рассчитан на питание от стандартной электросети переменного тока напряжением 220 вольт с частотой 50 герц, а сила потребляемого прибором тока составляет 3,2 ампера.
Эта единица силы тока названа в честь великого французского ученого. Парадокс состоит в том, что имя Ампера давно стало достоянием человечества, но мало кто знает о его жизни.
Андре-Мари Ампер родился в Лионе в семье богатого торговца шелками. Его мать, Жанна Сарсе, тоже была дочерью одного из крупных лионских торговцев. Детство Андре-Мари прошло в небольшом поместье Полемье, купленном отцом в окрестностях родного города. Он никогда не ходил в школу, но чтению и арифметике выучился очень быстро. Его отец, Жан-Жак Ампер, принадлежавший к либеральным кругам буржуазии, свято веривший в прогресс разума, был одним из образованнейших людей своего времени. Он составил богатейшую библиотеку из сочинений известных философов, писателей и ученых, включая труды греческих и римских классиков.
Еще в детстве Андре-Мари Ампер поражал всех своими выдающимися способностями и поистине энциклопедическими знаниями. В истории науки, пожалуй, нет другого такого примера, чтобы 13-летний мальчик направил в Академию наук свои научные работы. Удивительно, но Андре-Мари сделал это: он послал в Лондон несколько своих трудов по математике, в том числе в одном из них он высказал серьезные замечания по поводу работ всемирно известного математика Леонарда Эйлера (1707–1783). Еще более удивительно то, что этот мальчик никогда не учился в школе, и главным источником его знаний была библиотека отца.
Несмотря на занятость, Жан-Жак Ампер всегда находил время, чтобы лично заниматься воспитанием сына. С трехлетнего возраста Андре-Мари уже с огромным интересом слушал, как отец пересказывал ему отрывки из «Естественной истории» Плиния, узнавая об окружающем его мире, о жизни животных и птиц. Проводя много времени в библиотеке отца, читать мальчик научился сам.
У ребенка очень рано обнаружились математические способности. Сотрудник лионского лицея, друг отца, пораженный ранним развитием мальчика, помог ему понять основы высшей математики, и Андре-Мари увлекся исчислением бесконечно малых величин. Не бросая математики, Ампер с увлечением занимался ботаникой, литературой и историей. Чтобы было удобнее читать «умные» книги, он самостоятельно выучил латынь и греческий.
Вскоре юный Ампер серьезно начал изучать физику. Но самое главное заключалось в том, что он стремился разобраться и глубоко понять прочитанное. А читал он все подряд. Например, уже в 14 лет он прочитал все 28 томов «Энциклопедии» Дидро и д’Аламбера, в восемнадцать лет – «Небесную механику» Лапласа. А еще у него хватало времени на «аналитическую» механику Лагранжа, на писание стихов и даже поэм, на придумывание международного языка…
Разносторонняя творческая жизнь Ампера-младшего была нарушена страшной трагедией. В июле 1789 года грянула Великая французская революция, началась открытая борьба между умеренными сторонниками реформ и экстремистски настроенными якобинцами. Отца Ампера революция застала на посту лионского судьи. По ложному доносу он был брошен в тюрьму и в 1793 году казнен на гильотине. Узнав об этом, Андре-Мари был так потрясен, что потерял сознание.
Долгое время 18-летний юноша был в состоянии душевного смятения: он забросил занятия, стал замкнутым, целыми сутками не выходил из дома. Вылечили его время и природа. Только уходя далеко в лес, он постепенно начал обретать душевное равновесие.
С 1796 года Андре-Мари Ампер стал давать в Лионе частные уроки по химии, математике, физике и латинскому языку, что позволило ему приобрести педагогический опыт и несколько укрепило материальное положение семьи.
В 1799 году он женился, а еще через год у него родился сын, которого в честь трагически погибшего деда назвали Жан-Жаком.
В 1801 году Ампер получил место преподавателя физики и химии в Центральной школе городка Бурк-ан-Бреса (в 60 километрах от Лиона). Потом, по предложению энциклопедиста Жана д’Аламбера, он был назначен преподавателем математики и астрономии в только что открывшемся Лионском лицее.
Но судьбе было угодно нанести еще один страшный удар этому талантливому человеку. В июле 1803 года от «грудной болезни» скончалась его любимая жена, оставив трехлетнего Жан-Жака на руках Ампера и его сестры, которая была вынуждена отказаться из-за этого от своей личной жизни.
После этого Ампер твердо решил уехать из Лиона, где все напоминало о печальных событиях, произошедших в его жизни. Он воспользовался предложением все того же д’Аламбера и переехал в Париж, где с 1804 года был назначен репетитором в Политехнической школе – самой престижной из технических школ Франции, среди первых преподавателей которой были такие крупнейшие ученые, как Жозеф-Луи Лагранж, Клод-Луи Бертолле и др.
А тем временем во Франции была провозглашена Империя, и Наполеон был коронован в соборе Парижской Богоматери. Еще будучи первым консулом, Наполеон – покровитель наук и ремесел – специальным декретом создал Ассоциацию содействия промышленности (SPI), которая ежегодно проводила поощрение научно-практических исследований, в том числе и в области электричества.
В 1801 году в Париж приехал итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1827), и он продемонстрировал Наполеону действие своего «Вольтова столба» – первого в мире гальванического элемента. На глазах удивленной публики Вольта показывал опыты по «оживлению» отрезанных членов лягушек, ящериц и угрей с помощью малых количеств электричества. Наполеон был настолько поражен увиденным, что щедро наградил «волшебника», и в честь него была выбита памятная медаль.
Потом Наполеон еще два раза посетил выступления Вольта, и каждый раз выступал с речью, из которой следовало, что он считает приезд итальянца важной вехой в истории французской науки. А примерно через полгода Наполеон направил министру внутренних предложение учредить премию в 6000 франков за лучшие работы в области электричества.
Занятый преподавательской деятельностью, Ампер, к сожалению, не принял участия в конкурсе, объявленном Наполеоном. Специальной премии удостоился англичанин Гемфри Дэви (1778–1829), также много работавший с Вольтовым столбом.
После падения Наполеона премия была упразднена. Многие специалисты полагают, что, если бы премия продолжала существовать, она, несомненно, досталась бы Амперу за открытие, которое он сделал несколькими годами позднее.Надо сказать, что годы юности Ампера – это было время великих открытий в области электричества. Так, первая статья Алессандро Вольта о гальваническом электричестве появилась, когда Амперу исполнилось двадцать пять. А чего, например, стоили эксперименты Бенджамина Франклина, одного из авторов Конституции США и известного ученого! Американец провел их, когда Амперу было всего шестнадцать лет. В них Франклин продемонстрировал «электрическое колесо», вращавшееся под действием электростатических сил, ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «—», привел доказательство электрической природы молнии, впервые применил электрическую искру для взрыва пороха и т. д.
Естественно, подобные события не могли оставить увлекающегося Ампера безучастным, и он то и дело стал возвращаться к электричеству.
К 27 годам Ампером уже в самом общем виде были сформулированы те идеи, благодаря которым он через несколько лет приобретет всеобщую известность. Впрочем, некоторые биографы придерживаются сомнительного, но весьма эффектного мнения о том, что вся электродинамика Ампера была придумана им в течение двух недель, последовавших за демонстрацией в Париже опытов датского физика Ганса-Кристиана Эрстеда (1777–1851). Однако на самом деле такое вряд ли могло быть возможно, ведь вопросы связи электричества и магнетизма занимали Ампера еще за 20 лет до того дня, когда его посетило озарение, и все эти годы он думал о них, может быть, не непрерывно, но достаточно настойчиво.
Из найденных исследователями деятельности Ампера документов следует, что однажды, а именно 24 декабря 1801 года, он присутствовал на докладе знаменитого Алессандро Вольта в Лионской академии наук. Более того, он не просто присутствовал, но и отважился прочитать собственный доклад, и это были наброски системы, которая должна была бы объединить самые разрозненные отрасли физической науки в одно стройное знание. Таким образом, уже в этом докладе Ампер интуитивно увидел какие-то общие корни, связывающие или, точнее, питающие и электричество, и магнетизм.
Однако серьезнее заняться электричеством в те годы Амперу не довелось. У него просто не хватало на это времени. К тому же тогда молодой ученый серьезно увлекся математикой, которую он рассматривал как мощный аппарат для решения всевозможных прикладных задач. В частности, он выполнил некоторые работы, связанные с теорией вероятностей, и одна из них называлась «Соображения о математической теории игры».
Отметим, что именно благодаря математическим успехам Ампер начал довольно быстро двигаться по лестнице научной славы (кстати сказать, его кандидатура в Академию будет выдвинута именно по математическому отделению).
А в 1805 году Ампер получил место репетитора в Политехнической школе в Париже.Среди хорошо знавших его людей Ампер славился своей рассеянностью.
Про него рассказывали, что однажды он с сосредоточенным видом варил в воде три минуты свои часы, держа яйцо в руке.
Другой часто приводимый случай: Ампер шел по улице, производя, как всегда, в уме сложные расчеты. Он ничуть не удивился, когда прямо перед ним возникла прекрасная черная доска, спокойно достал из сюртука непременный кусок мела и стал записывать результаты.
Он не удивился и тогда, когда доска начала двигаться вперед, и для того, чтобы поспешить за ней, ему пришлось идти, а затем бежать.
Доска оказалась задней стенкой кареты…
Повторный брак Ампера, заключенный в 1806 году с некоей Жанной-Франсуазой Потто, оказался крайне неудачным. Во время его второго брака к Амперу не допускались ученики, его письма вскрывали, а самому ему не раз предлагали «убираться, если ему что-то не нравится». Кончилось тем, что Ампер и в самом деле ушел и некоторое время жил в здании Министерства внутренних дел. Кроме того, множество огорчений доставлял ученому и его сын. В течение нескольких лет все это серьезнейшим образом мешало научной работе Ампера.
Однако, преодолевая невзгоды, Ампер продолжал научные исследования в области математики, химии, физики и философии. В 1808 году Наполеон, потрясенный талантом Ампера, назначил его генеральным инспектором университетов, чем тот и занимался всю свою жизнь.
В 1809 году Ампер стал профессором математики Политехнической школы, а в 1814 году был избран членом Академии наук. Произошло это по представлению академиков Лагранжа и Лапласа и благодаря его обширному труду, посвященному дифференциальным уравнениям в частных производных. Удостоившись столь высокой чести, он стал на один уровень с прочими «бессмертными» – Лапласом, Фурье, Монжем, Коши, Араго, Био, Гей-Люссаком, Френелем и др. Как писал об Ампере один из академиков, «ни один человек не высказывал столько новых идей в разговорах и дискуссиях, как он».
Он стал академиком в 39 лет, причем в избрании его работы по магнетизму и электричеству не играли ни малейшей роли – их, по существу, не было. Ампер был избран по секции геометрии за исследования в области математики.
Став академиком, Ампер приступил к исследованиям связи между электричеством и магнетизмом (этот круг явлений ученый называл электродинамикой).
Не оставлял он и занятий химией, и к его достижениям в этой области следует отнести открытие – независимо от Амедео Авогадро (1776–1856) – закона равенства молярных объемов различных газов. Этот закон по праву следует называть законом Авогадро-Ампера.
Кроме того, Ампер сделал первую попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их свойств.
Но, как мы понимаем, совсем не эти исследования, безусловно, интересные сами по себе, сделали Ампера знаменитым. Настоящим классиком науки он стал благодаря своим исследованиям в области электромагнетизма, и произошло это, когда режим Наполеона пал и в страну вновь вернулись Бурбоны. Но Ампер словно и не заметил произошедшего, ведь научные эксперименты всегда полностью поглощали его внимание.
11 сентября 1820 года Ампер присутствовал на заседании Академии, где сообщалось об открытии датчанином Эрстедом действия электрического тока на магнитную стрелку. Собственно, так было открыто замечательное свойство электрического тока – создавать магнитное поле. Академик Доминик-Франсуа Араго повторил перед академиками опыты Эрстеда и прокомментировал их.
Араго заявил, что при прохождении электрического тока через проводник последний становится магнитом. С таким объяснением согласился и академик Жан-Батист Био (1774–1862). После этого «бессмертные» чинно разошлись по домам.
А Ампер после демонстрации опытов Эрстеда направился к слесарю, чтобы заказать для себя копию приборов, показанных академиком Араго. Ему не терпелось поскорее установить эти приборы дома, в маленькой квартирке на улице Фоссе-де-Сен-Виктор, и все эксперименты проделать своими собственными руками. Пока слесарь выполнял заказ, Ампер соорудил лабораторный стол и пригласил в помощники своего друга химика Огюстена-Жана Френеля (1788–1827).
Небольшой Вольтов столб, замкнутый проводом, стал основным объектом изучения Ампера. Он подносил компас то к проводу, то к столбу и сразу же убеждался, что стрелка изменяет свое направление и рядом с проводом, и рядом с самим столбом. Но стоило цепь разомкнуть – этот эффект полностью пропадал. Следовательно, магнитные явления сопутствуют не всякому электричеству?
Их в то время было два: одно, ответственное за притяжение бумажек и пушинок, называлось статическим электричеством; другим было вольтовское, или гальваническое, электричество, и с его помощью можно было разлагать воду и кислоты (его получали с помощью Вольтовых столбов, изобретенных Алессандро Вольта).
Так вот, магнетизм (то есть физическое явление, при котором материалы оказывают притягивающую или отталкивающую силу на другие материалы на расстоянии) оказался присущим лишь второму электричеству. Он существовал, когда цепь была замкнута, когда по ней от одного полюса Вольтова столба к другому шел ток. Но когда тока в цепи не было, Вольтов столб проявлял все свойства «первого» электричества – скопившиеся на его концах заряды могли притягивать пушинки. Стоило зарядам прийти в движение, когда цепь замкнута, и электричество № 1 тут же превращалось в электричество № 2. И только электричество в движении (гальваническое) давало магнитный эффект.
А раз так, естественно, тут же возникла идея измерить какой-то мерой интенсивность этого движения. И Ампер первым в мире произнес тогда слова «сила тока». Неудивительно, что через много лет единица силы тока была названа именно его именем –
«Я описал приборы, которые я намереваюсь построить, и среди прочих – гальванические спирали и завитки. Я высказал ту мысль, что эти последние должны производить во всех случаях такой же эффект, как магниты. Я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам».
Пророческие слова Ампера, выношенные им в течение всего лишь одной недели, стали основой его электродинамики – науки, изучающей электромагнитное поле и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд, а также сводящей все магнитные явления к явлениям электрическим.
Всех в тот день поразил тон Ампера: он высказал мнение, что спирали и завитки должны вести себя как магниты. Он был абсолютно уверен в этом.
На следующий день, 19 сентября 1820 года, Ампер решил как можно скорее проверить, будут ли завитки и спирали обнаруживать те же свойства, что и магниты. Однако слабые Вольтовы столбы, имевшиеся в распоряжении Ампера и Френеля, не дали желаемого эффекта. Это было сродни катастрофе, ведь заявления, сделанные Ампером, грозили так и остаться неподтвержденными… А может быть, даже и оказаться неверными…
Тем не менее уже через несколько дней Амперу предстояло выступать с новым докладом, подтверждающим его теории. А нужных результатов экспериментов все не было и не было: доказать, что притяжение и отталкивание объясняются только электрическими токами, а магнитные свойства являются лишь следствием протекающих токов, никак не удавалось.
25 сентября 1820 года Ампер должен был подняться на трибуну. К счастью, накануне он вспомнил, что для университета только что был изготовлен новый большой Вольтов столб. Он оказался на месте, но начальство, поднятое на ноги в воскресный день по такому поводу, давать прибор не пожелало, видимо, боясь, что ценная вещь будет испорчена в процессе каких-то сомнительных экспериментов. Амперу пришлось идти к мастерам, делавшим столб, и при университетском начальстве заказать еще один точно такой же. При этом он пообещал, что отдаст университету новый прибор, как только он будет изготовлен. Только на таких условиях Амперу удалось заполучить необходимый Вольтов столб и доставить его к себе в квартиру.
Новый Вольтов столб был превосходен. Ток, шедший по его спиралькам и завиткам, легко превращал их в магниты, они притягивались одними концами и отталкивались другими – словом, вели себя точно так же, как куски магнитного железняка или намагниченного железа – единственные магниты, известные в то время…
Короче говоря, когда 25-го числа Ампер поднимался на кафедру Академии, он уже мог доказать всем, что его взгляды, столь самуверенно высказанные неделю назад, были совершенно правильны. До нас дошли следующие слова Ампера из протокола заседания:
«Я известил о новом факте притяжения и отталкивания двух электрических токов без участия какого-либо магнита, а также о факте, который я наблюдал со спиралеобразными проводниками. Я повторил опыты во время этого заседания».
Спиралеобразные проводники, которые взаимодействовали друг с другом, словно магниты, Ампер потом назвал соленоидами (от греч.
Вывод Ампера стал его выдающимся вкладом в науку: не проводник, по которому течет ток, становится магнитом, а, наоборот, магнит представляет собой совокупность токов.
В «Истории физики» Марио Льоцци читаем:
«Он подумал, что если магнит понимать как систему круговых параллельных токов, направленных в одну сторону, то спираль из металлической проволоки, по которой проходит ток, должна вести себя как магнит, то есть должна принимать определенное положение под воздействием магнитного поля Земли и иметь два полюса. Опыт подтвердил предположения относительно поведения такой спирали под действием магнита, но не совсем ясны были результаты опыта, относящиеся к поведению спирали под действием магнитного поля Земли. Тогда Ампер решил взять для выяснения этого вопроса один-единственный виток проводника с током; оказалось, что виток ведет себя точно как магнитный листок.
Таким образом, обнаружилось непонятное явление: один-единственный виток ведет себя как магнитная пластина, а спираль, которую Ампер считал в точности эквивалентной системе магнитных пластинок, вела себя не совсем как магнит. Пытаясь разобраться, в чем тут дело, Ампер с удивлением обнаружил, что в электродинамических явлениях спиральный проводник ведет себя точно как прямолинейный проводник с теми же концами. Из этого Ампер заключил, что в отношении электродинамических и электромагнитных действий элементы тока можно складывать и разлагать по правилу параллелограмма. Поэтому элемент тока можно разложить на две составляющие, из которых одна направлена параллельно оси, а другая – перпендикулярно. Если суммировать результаты действия разных элементов спирали, то результирующая окажется эквивалентной прямолинейному току, идущему по оси, и системе круговых токов, расположенных перпендикулярно оси и направленных в одну сторону. Поэтому, чтобы спираль, по которой проходит ток, вела себя точно как магнит, нужно скомпенсировать действие прямолинейного тока. Этого Ампер, как известно, добился очень просто, выгнув вдоль оси концы проводника. Но все же существовало различие между спиралью, по которой проходит ток, и магнитом: полюса спирали находились только на концах, тогда как полюса магнита – во внутренних точках. Чтобы устранить и это последнее различие, Ампер оставил свою первоначальную гипотезу о токах, прямо перпендикулярных оси магнита, и принял, что они расположены в плоскостях, находящихся под разными углами к оси».
Так на свет появились правило для определения направления, в котором отклоняется стрелка вблизи проводника с током (правило Ампера), и закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера).
Новые идеи Ампера были приняты далеко не всеми его коллегами. После первого доклада о взаимодействии проводников с током один из его противников спросил:
«А что, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? Ведь это само собой разумеется, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга».
Ампер даже не сразу нашел, что ответить, но тут ему на помощь пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и показал их окружающим.
«Каждый из них, – сказал он, – тоже оказывает действие на стрелку, однако же, они никак не действуют друг на друга, и потому ваше заключение ошибочно. Ампер открыл, по существу, новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда».
В дальнейшем Ампер продолжил свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы, и он нашел закон, который теперь носит его имя.
Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука – электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению британского физика Джеймса Максвелла (1831–1879), по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели.
Чуть позже Ампер разработал теорию магнетизма, согласно которой все магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию скрытых в телах так называемых круговых электрических молекулярных токов. Таким образом, Ампер впервые указал на тесную «генетическую» связь между электрическими и магнитными процессами и последовательно проводил чисто токовую идею происхождения магнетизма.
В 1822 году он открыл магнитный эффект катушки с током (соленоида), сделал вывод, что соленоид, обтекаемый током, является эквивалентом постоянного магнита, и выдвинул идею усиления магнитного поля путем помещения внутрь соленоида железного сердечника из мягкого железа.
Кстати сказать, именно Ампер, слывший большим мастером изобретать новые научные термины, первым не только придумал термины «соленоид», «электростатика» и «электродинамика», но и ввел в лексикон ученых название «кибернетика» для еще не существовавшей тогда науки (от греческого слова, переводящегося как «искусство управления»). В 1830 году Ампер писал:
«Правительство (…) постоянно должно выбирать между различными мерами, наиболее пригодными для достижения цели; и лишь благодаря глубокому изучению и сравнению разных элементов, предоставляемых ему для этого выбора знанием всего, что имеет отношение к нации, оно способно управлять в соответствии со своим характером, обычаями, средствами существования, процветания, организацией и законами, которые могут служить общими правилами поведения, и которыми оно руководствуется в каждом особом случае. Итак, только после всех наук, занимающихся этими различными объектами, надо поставить эту, о которой сейчас идет речь и которую я называю кибернетикой, от греческого слова κυβερνητιχη; это слово, принятое вначале в узком смысле для обозначения искусства кораблевождения, получило употребление у самих греков в несравненно более широком значении искусства управления вообще».
Как известно, это предвидение Ампера полностью оправдалось. Кибернетика (в современном понимании, это наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе) возникла в 40-е годы XX века.
Слава Ампера быстро росла. Его часто посещали знаменитые физики, он получал приглашения из других стран для чтения докладов о своих разработках.
В 1824 году он был избран на должность профессора Коллеж де Франс по кафедре общей и экспериментальной физики.
В те же 20-е годы Ампер предложил использовать электромагнитные явления для передачи сигналов и, таким образом, изобрел первый электромагнитный телеграф. Кроме того, он участвовал в улучшении конструкции гальванометра (чувствительного прибора, предназначенного для измерения напряжения или силы тока весьма малой величины).
А еще Ампер опубликовал ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике. В частности, в 1826 году вышел его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», который внес огромный вклад в науку об электричестве. Одним этим трудом он полностью оправдал свое прозвище – «Ньютон электричества».
Отметим, что работа над этой книгой проходила в чрезвычайно трудных условиях. В одном из писем, написанных в то время, Ампер сообщал:
«Я принужден бодрствовать глубокой ночью. Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я, тем не менее, не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах. Я располагаю считаными минутами».
В 1835 году Ампер вдруг вступил в спор со знаменитыми учеными-натуралистами Жоржем-Леопольдом Кювье (1769–1832) и Этьеном-Жоффруа Сент-Илером (1772–1844), предшественниками эволюционной теории Дарвина, и опубликовал две биологические работы, в которых изложил свою точку зрения на процессе эволюции.
На одном из научных диспутов противники идеи эволюции живой природы спросили Ампера, действительно ли он считает, что человек произошел от улитки. На это Ампер ответил: «Я убежден в том, что человек возник по закону, общему для всех животных».
А еще большим увлечением Ампера в последние годы жизни стала классификация наук. В 1834 году вышел первый том его книги «Опыты философии наук или аналитического изложения естественной классификации всех человеческих знаний». Второй том был издан уже после смерти ученого.
Безусловно, научной работе Ампера очень мешали регулярные командировки в связи с исполнением его обязанностей генерального инспектора университетов. Эта должность была утомительной для 60-летнего ученого, страдавшего от частых сердечных приступов. Кстати сказать, в одной из таких командировок он и умер. Это произошло в Марселе 10 июня 1836 года.
Последние годы жизни Ампера были омрачены многими семейными и служебными неприятностями, тяжело отражавшимися на его и без того слабом здоровье. А успехи в науке материального благополучия ему не принесли. Жизнь Ампера оборвалась от банального воспаления легких. Он был похоронен в Марселе, и весть о его смерти не была воспринята современниками как-то уж слишком драматически. Его настоящая мировая слава началась лишь с того памятного заседания Международного конгресса электриков в 1893 году, когда термин
«Газовые» законы Гей-Люссака
Жозеф-Луи Гей-Люссак (1778–1850) появился на свет в городке Сен-Леонар в графстве Лимузен. Его отец был медиком, дед – королевским прокурором. Юношеские годы Гей-Люссака, совпавшие со временем Великой французской революции, прошли при крайне стесненных обстоятельствах. Отец его, внесенный в список «подозрительных» и заключенный в тюрьму, преждевременно скончался, а пансион, в котором воспитывался юный Жозеф-Луи, дошел до полной нищеты. Под конец в пансионе остался один Гей-Люссак, за которого семья платила небольшим количеством муки. Сопровождая свою воспитательницу в Париж для продажи молока, будущий великий ученый, на обратном пути лежа в телеге, изучал геометрию и алгебру, готовясь к поступлению в Политехническую школу.
Выдающиеся способности, необыкновенная усидчивость и крепкий организм победили все препятствия, и Гей-Люссак 26 декабря 1797 года блестяще выдержал вступительный экзамен.
Учился Гей-Люссак в Политехнической школе до конца 1800 года (он вышел из нее дипломированным инженером мостов и дорог). Напомним, что Политехническая школа была создана при самом активном содействии Наполеона, который очень высоко ценил ее и мало в чем ей отказывал. И именно при императоре, считавшем себя «научным руководителем человечества», в начале XIX века на сцену вышло новое поколение ученых, включавшее такие имена, как Ампер, Гей-Люссак, Араго, Коши, Френель, Малюс. И это лишь наиболее известные. Кстати, почти все они были выпускниками Политехнической школы.
Химию в этом престижном учебном заведении преподавал знаменитый химик Клод-Луи Бертолле. Между Гей-Люссаком и Бертолле возникла дружба, оказавшая большое влияние на становление молодого ученого.Бертолле взял Гей-Люссака к себе помощником для проведения лабораторных работ. Неожиданно результаты экспериментов получились в корне противоположными тем, которые ожидал Бертолле. Может быть, он в глубине души и огорчился, но сказал Гей-Люссаку: «Молодой человек, вы рождены для открытий. С этого момента вы – мой товарищ. Я хочу быть вашим отцом в науке. Уверен, что я еще буду гордиться этим званием».
Впоследствии Бертолле завещал Гей-Люссаку свою шпагу. Это означало, что он выбрал себе достойного преемника.
С того времени жизнь Гей-Люссака представляла собой непрерывное движение по пути к высшей славе ученого и к высшему общественному положению.
1802 год стал счастливым для молодого ученого. Сначала он выступил на заседании Академии наук со своим первым научным сообщением: «Об осаждении оксидов металлов». Потом, независимо от английского естествоиспытателя Джона Дальтона (1766–1844), открыл закон теплового расширения газов.
Этот закон теперь называется первым законом Гей-Люссака и формулируется так: при постоянном давлении объем постоянной массы газа пропорционален абсолютной температуре (или изменение объема данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционально изменению температуры). В отличие от Дальтона, сделавшего аналогичное открытие в 1801 году, Гей-Люссак первым продемонстрировал, что этот закон применим ко всем газам, а также к парам летучих жидкостей при температуре выше точки кипения.
24 августа 1804 года Гей-Люссак вместе с известным ученым Жаном-Батистом Био поднялся на воздушном шаре, чтобы определить температуру и содержание влаги в верхних слоях атмосферы. Подняться удалось на головокружительную высоту в 4 000 метров. Потом ученый решил повторить эксперимент, и парижане на все лады стали обсуждать этот план. Одни выражали недоумение, сможет ли ученый вернуться на землю, если его шар поднимется до Луны; другие были уверены, что шар в клочья раздерут орлы; третьи считали, что он «возгорится от звезд».
Утром 16 сентября на площади, откуда должен был взлететь воздушный шар, собралась громадная толпа. В девять часов веревки перерезали, и шар взмыл в небо. Раздались восторженные крики, Гей-Люссак помахал толпе своей треуголкой, и минут через двадцать «летающая лаборатория» скрылась в облаках.
После этого Гей-Люссака понесло юго-западным ветром к Нормандии. Обнаружив, что шар, как и во время первого полета, не поднимается выше 4000 метров, молодой ученый выбросил все свое снаряжение и поднялся на 5500 метров. Охваченный желанием побить и этот рекорд, он сбросил вниз еще и стул, на котором сидел, и шар взлетел до 7016 метров. По тем временам это был абсолютный рекорд, в который и сейчас весьма трудно поверить.
Обезумевший от радости Гей-Люссак начал поспешно записывать свои наблюдения: как оказалось, на высоте семь километров интенсивность земного магнетизма заметно не изменяется, а еще он установил, что воздух там имеет тот же состав, что и у поверхности Земли.
Вообще, научная деятельность Гей-Люссака поражает своей обширностью и разносторонностью. Как в физике, так и в химии он оставил после себя множество капитальнейших исследований. И что характерно, он умел находить простые соотношения и точные результаты там, где другим это не удавалось. А еще он показал, что очень хорошо умеет работать «в команде».
Уже в 1805 году Гей-Люссак и известный немецкий ученый и путешественник Александр фон Гумбольдт (1769–1859), изучая отношения объемов реагирующих газов, установили, что один объем кислорода, соединяясь с двумя объемами водорода, образует воду.
В том же 1805 году Гей-Люссак, получив годичный отпуск, в сопровождении все того же Александра фон Гумбольдта отправился в путешествие по Италии и Германии. Основной целью путешествия было исследование состава воздуха и геомагнитного поля на различных географических широтах. В этом путешествии они наблюдали извержение вулкана Везувий и последовавшее за этим сильное землетрясение. Помимо этого, Гей-Люссак установил, что содержание кислорода в воздухе, растворенном в морской воде, составляет 30 % по сравнению с 21 % в атмосферном воздухе. В Милане Гей-Люссак встретился со знаменитым Алессандро Вольта, известным создателем гальванической батареи, которая позволила получать электричество с помощью химических реакций. После этого он вернулся в Париж, чтобы занять место профессора Политехнической школы.
В 1808 году Гей-Люссак опубликовал небольшую заметку «О взаимном соединении газообразных тел». Выводы, сделанные в этой работе, оказались настолько важными, что впоследствии получили название второго закона Гей-Люссака (в русскоязычной литературе этот закон обычно называется
Он гласит: объемы газов, вступающих в химическую реакцию, находятся в простых отношениях друг к другу и к объемам газообразных продуктов реакции. Другими словами, отношение объемов, в которых газы участвуют в реакции, соответствует отношению небольших целых чисел (например, 1: 1 или 1:2).
Измеряя при одинаковых условиях объемы водорода, хлора и хлористого водорода, Гей-Люссак нашел, что один объем водорода и один объем хлора, соединяясь, дают два объема хлористого водорода.
Сходная картина имеет место и при других реакциях с участием газов.
Этот закон, открытый Гей-Люссаком чисто опытным путем, оказал сильное влияние на развитие теоретической химии. Очень важно отметить, что Гей-Люссаку удалось показать, как на основании открытого им закона можно рассчитать еще не известные плотности газообразных веществ. В связи с этим он писал:«Наблюдение, что разные виды горючих газов соединяются с кислородом в простых отношениях 1: 1 или 1: 2, дает нам в руки средство определять плотность паров горючих веществ или, по крайней мере, найти ее приближенно. Если мысленно попытаться перевести все применяемые вещества в газообразное состояние, определенный объем каждого из них будет соединяться либо с равным, либо с двойным, либо с половинным объемом кислорода. Теперь, если мы знаем отношения, в которых кислород может соединяться с горючими веществами, находящимися в твердом или жидком состоянии, мы можем вычислять объем кислорода и объем паров горючего вещества, который соединяется с таким же, либо с двойным, либо с половинным объемом газообразного кислорода».
В 1807 году швед Йенс-Якоб Берцелиус (1779–1848) и англичанин Гемфри Дэви (1778–1829), используя Вольтов столб в качестве источника электричества, получили из расплавов поташа (карбоната калия – К2СO3) и соды (карбонат натрия – Na2CO3) металлы – калий и натрий. Эти металлы обладали удивительными свойствами: они были мягкими, как воск, плавали в воде, самовозгорались и горели ярким пламенем.
Наполеон тогда очень заинтересовался этим открытием и выделил Политехнической школе большую сумму денег на дальнейшие эксперименты. Проведя их, Гей-Люссак и его друг профессор химии Луи-Жак Тенар (1777–1857) обнаружили, что калий и натрий можно получать химическим путем в количествах, достаточных для химического анализа.
Гей-Люссак и Тенар исследовали химические свойства полученных металлов, проверив их взаимодействие со всеми известными в то время веществами. В результате им удалось химически разложить борную кислоту (В2O3) и получить новый элемент, названный впоследствии
Поделиться книгой: