Старых лампочек тусклый накал

В первой половине ХХ века физика пережила подлинную революцию: когда, казалось бы, все основные открытия уже были сделаны и окружающий мир в основных своих чертах полностью описан, выяснилось, что на самом деле ученые лишь приблизились к порогу совершенно новых представлений об устройстве мира. Но дело было не только в открытиях Гейзенберга, Эйнштейна, Бора и других. Никогда прежде теоретическая наука не была так тесно связана с практическими изобретениями, а значит — с политикой. Политики же не только воспользовалась плодами научных открытий, но и сами захотели влиять на деятельность ученых. О том, что из этого вышло, читайте в нашей серии материалов «Физика XX века».

В XIX веке физика добилась поразительных успехов. Ученым удалось найти объяснения практически всем наблюдаемым явлениям: электрическим, магнитным, тепловым, звуковым и световым (они до сих пор составляют почти весь курс школьной физики, за исключением разве что второй половины 11 класса).

В самом начале века англичанин Томас Юнг доказал, что свет является волной (опровергнув своего великого соотечественника Исаака Ньютона, считавшего, что свет — это поток частиц), а француз Огюстен Жан Френель математически развил волновую теорию света.

Наложение двух волн друг на друга называется интерференцией. Если в какой-то точке пространства встречаются две впадины или два горба, амплитуда суммарной волны возрастает, и такая интерференция называется конструктивной. Если же встречаются горб и впадина, то амплитуда падает и интерференция — деструктивная.

Интерференция бывает только у волн. Если добавить к одному потоку маленьких шариков, налетающих на стенку, второй такой же, то шарики будут ударять в стенку более или менее равномерно и нигде на стенке число попавших в нее шариков не должно уменьшиться. Чтобы доказать, что свет является волной, Томас Юнг в 1801 году провел такой эксперимент. Он светил (из источника a) на экран (S2) с двумя небольшими прорезями (b и c) и наблюдал за тем, как свет падал на стену (F) за экраном. Если бы свет, как считал Ньютон, был потоком частиц, на стене оказались бы два светлых пятна напротив прорезей. Однако на стене появилась череда светлых и темных полос, соответствующих конструктивной и деструктивной интерференции волн, исходящих из двух щелей на экране (до разных точек стены свет от каждой из щелей проходит разное расстояние, и поэтому интерференция оказывается то конструктивной, то деструктивной).

Поначалу волновой оптике было трудно преодолевать авторитет Ньютона. Френель, представивший свою работу на конкурс Французской академии наук, столкнулся с тем, что один из членов жюри, Симон Пуассон, оказался принципиальным противником волновой теории света и принялся с пристрастием доказывать ее ошибочность. И ему это почти удалось! Пуассон заметил, что из уравнений Френеля следует, что если между источником света и стеной поставить небольшой непрозрачный экран, то в некоторых случаях на стене в центре тени должно оказаться яркое светлое пятно. Было очевидно, что такое нелепое следствие свидетельствует об ошибочности всей теории.

Однако другой член жюри, Франсуа Араго, решил все-таки поставить эксперимент, и к всеобщему удивлению обнаружил ровно то, что предсказывала теория Френеля, светлое пятно за экраном (в русской традиции это явление часто называется пятном Пуассона, что не вполне справедливо). Френель получил премию, и после был избран академиком, а эта история явилась одним из первых примеров того, что правильная теория способна не просто объяснить то, что уже наблюдалось, но и предсказать противоречащие интуиции явления, которые иначе можно было бы обнаружить только случайно, да и то при удачном стечении обстоятельств.

Пятно Пуассона-Араго

В 1860-х годах британец Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнетизма, и это стало одним из величайших достижений физики XIX века. Основываясь на работах соотечественника Майкла Фарадея, а также французов Шарля Кулона, Андре-Мари Ампера и других, он смог сформулировать несколько уравнений (в современной записи — четыре), которые полностью описывали любое электрическое или магнитное явление.

Кроме того, Максвелл заметил, что из его уравнений следует существование электромагнитных волн, скорость распространения которых совпадает со скоростью света. Он сделал смелое (и правильное) предположение, что световая волна также является электромагнитной, объединив тем самым электричество, магнетизм и оптику в рамках одной теории. Электромагнитные волны были экспериментально обнаружены уже после смерти Максвелла немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 году.

Один из самых ярких физиков ХХ века, американец Ричард Фейнман, оценил вклад Максвелла в физику так: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием XIX столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием».

Джеймс Максвелл

Научные результаты изучения электромагнетизма довольно быстро получили практическое применение благодаря работам английских, немецких, русских и американских физиков и инженеров. В 1832 году Фарадей изобрел электрогенератор, и к концу века центральные электростанции, обеспечивающие уличное освещение, появились во многих городах Европы и Северной Америки. Кстати, принцип генерации электроэнергии, изобретенный Фарадеем, используется и на современных электростанциях.

Одним из основных результатов применения электричества в XIX веке стало стремительное развитие систем связи. К 1852 году телеграфные системы появились в США, Великобритании, Пруссии, Австрии, Франции и Канаде, их общая длина превысила длину экватора и приближалась к 50 тысячам километров. В 1873 году американец Александр Белл изобрел телефон, а в конце века открытые Герцем электромагнитные волны стали основой для радиосвязи.

Фарадей изобрел также и электродвигатель, позже усовершенствованный немецким и русским физиком-изобретателем Борисом Якоби. Электрический локомотив был впервые испытан в Великобритании в 1838 году, а в 1881 году в Германии между Берлином и Лихтенфельдом был запущен трамвай.

Первая в мире трамвайная линия между Берлином и Лихтенфельдом. Wikimedia commons

Еще более грандиозное применение в транспорте получила другая бурно развивавшаяся в XIX веке область физики — термодинамика. Усовершенствованный паровой двигатель позволил начать коммерчески успешное использование паровозов и пароходов, а изобретенный во второй половине века двигатель внутреннего сгорания дал старт автомобильной промышленности и авиастроению.

Теоретической основной термодинамики было представление о том, что все вещества состоят из микроскопических частиц — атомов, и хотя сами атомы было невозможно наблюдать техникой XIX века, успехи термодинамики убедили большинство ученых в правильности атомной гипотезы.

Использование тепловых машин в промышленности стремительно меняло структуру и условия труда. Если в 1700 году тягловые животные производили 20 процентов всей работы в Англии и Уэльсе и еще 16 процентов приходилось на ручной труд, то в 1850 году 91 процент всей энергии вырабатывалось за счет сжигания угля, а на труд людей и животных оставалось всего 7 процентов энергетического бюджета.

Многим казалось, что машины вскоре совсем вытеснят людей с работы и лишат их средств к существованию. В начале XIX века эти опасения привели к возникновению движения луддитов, которые устраивали беспорядки в английских городах и разрушали станки. Движение было жестоко подавлено войсками. Тем не менее, рынок труда адаптировался к новым условиям, и безработица в Англии на протяжении XIX века была ниже 10 процентов.

Луддиты, ломающие ткацкий станок, 1812. Wikimedia commons

Научные достижения и их техническое применение, резко менявшие жизнь людей, вызывали огромный интерес. В 1851 году в Лондоне была организована Великая выставка промышленных работ всех народов, которую посетило 6 миллионов человек (население Великобритании составляло в тот момент около 18 миллионов). Выставка оказалась коммерчески очень успешной, и прибыль, полученная от продажи билетов (186 тысяч фунтов, или более 18 миллионов фунтов в пересчете на современные деньги), была потрачена на создание знаменитых лондонских музеев: Виктории и Альберта, Научного и Естественной истории.

В XIX веке научными лидерами были, прежде всего, Англия, а также Франция и германские государства, страны с богатыми научными традициями и сильной экономикой, которые могли и поддерживать исследования, и применять их результаты. Тем не менее, до второй половины века правительства почти никак не поддерживали научные исследования. Только в 1850 году английский парламент впервые выделил Королевскому обществу (британский аналог Академии наук) 1000 фунтов для распределения в виде грантов.

Майкл Фарадей, сын кузнеца, который в 13 лет вынужден был бросить школу и пойти работать, не совершил бы своих открытий, если бы не частные деньги, на которые в 1799 году в Лондоне был основан Королевский институт. Эта организация была призвана распространять научные знания посредством публичных лекций и демонстраций экспериментов, и Фарадею удалось убедить директора химической лаборатории института взять себя на место лаборанта.

Портрет Майкла Фарадея на банкноте достоинством 20 фунтов стерлингов. В левой части купюры — Фарадей читает лекцию в Королевском институте (рядом находится электрогенератор Фарадея). wikimedia commons

На частные деньги были построены и первые в Англии университетские лаборатории — Кларендонская в Оксфорде и Кавендишская в Кембридже, в которых студенты могли учиться проводить эксперименты, ассистируя своим профессорам.

При этом практическая польза научных открытий была очевидной, и в XIX веке в Европе было основано 70 новых университетов (в 7 раз больше, чем в XVIII веке!). Однако традиционно считалось, что основной работой университетских профессоров является преподавание, а наукой они могут заниматься в свободное время по желанию.

Выбирать профессоров, основываясь, в том числе, на их научных заслугах, начали в Германии, а в 1879 году в Берлине был основан Имперский физико-технический институт, где ученый был вообще освобожден от преподавания и мог сосредоточиться исключительно на исследованиях. Это, а также значительный рост экономики после победы в 1871 году во франко-прусской войне с контрибуцией в 5 миллиардов франков и объединения Германии предопределило рывок немецкой науки в конце XIX — начале XX века.

К концу XIX века ученые открыли законы, управляющие движением тел любого размера, от атомов до планет, разобрались в природе электричества, магнетизма, света и теплоты. Казалось, что ответы на все принципиальные вопросы по физическому устройству мира уже получены и физика как наука близка к своему завершению. Осенью 1874 года Макс Планк, студент первого курса Мюнхенского университета, обратился к профессору Филиппу фон Жолли за советом, стоит ли посвящать жизнь карьере физика-теоретика.

Жолли не советовал, ведь в этой области уже почти все известно и осталось закрыть несколько незначительных пробелов. Планк, однако, решил, что ему будет вполне достаточно не делать открытий, а глубоко разобраться в том, что уже известно. Оба ошиблись.

Ленточка из шотландки — первое достоверное цветное изображение, изготовленное Максвеллом в 1861 году. Wikimedia Commons

Евгений Гельфер