П с. КУДРЯВЦЕВ, И. Я. КОНФЕДЕРАТОВ
ИСТОРИЯ ФИЗИКИ ТЕХН И КИ
Учебное пособие для. студентов педагогических институтов
Ут
J^lui-iu.cmeficmdcj't гг^ссбещени^. РСФСР
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
УЧЕбНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МИНИСТЕРСТВА ПРОСВЕЩЕНИЯ РСФСР Москва • I960
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Учебное пособие «История физики и техники» написано для студентов физического отделения физико-математических факультетов педагогических институтов Оно является первой попыткой совместного рассмотрения истории физики и истории техники в одном курсе.
Главы: ] (§ 1, 2), II (§ 1), IV, VI, VIII написаны И. Я. Конфедера-товым.
Главы: I (§ 3), II (§ 2), III. V, VII, IX написаны П. С. Кудрявцевым.
При составлении учебного пособия встретились трудности, что отразилось на изложении материала. Поэтому отзывы учащихся и преподавателей. а также все практические замечания и предложения, которые могут улучшить книгу в дальнейшем, будут приняты с благодарностью.
,......    /Н	
ВВЕДЕНИЕ
Человеческое общество живет и развивается в материальной среде, обеспечивающей возможность его жизни и развития. В отличие от животных, неспособных сознательно воздействовать на материальные условия своего существования, человек активно воздействует на окружающий его мир. В этом активном воздействии человек создает материальные блага — пищу, одежду, жилища, топливо, орудия производства и т. д., весь тот сложный комплекс условий, который обеспечивает существование и постоянное развитие общества.
Материальные блага создаются человеком в процессе труда. Самый же процесс труда предполагает обязательное наличие орудий труда. Однако одних орудий труда не всегда достаточно для осуществления процесса труда. Так, например, опытный слесарь, располагающий набором первоклассных орудий — инструментов, не сможет работать в темноте, будет работать непроизводительно при слишком высокой или низкой температуре и т. д. Таким образом, кроме орудий труда, непосредственно воздействующих на предмет труда, необходим дополнительный комплекс материальных условий, обеспечивающих возможность протекания процесса труда: освещение, отопление, транспорт, вентиляция и т. п. Вместе с орудиями труда этот дополнительный комплекс представляет средства труда. Взятые в совокупности средства труда, находящиеся в распоряжении общества, составляют содержание понятия техника.
Назначение техники — производство материальных благ. Какое качество техники дает ей возможность выполнять это ее назначение? Маркс писал, что человек воздействует на предмет труда через орудия труда, используя их «физические, химические и механические» свойства. Другими словами, человек воздействует на природу, используя свойства природы. Но для использования свойств природы необходимо познать их. Возникает тесная связь между техникой и наукой о природе — естествознанием, тесная связь между развитием техники и естествознания. Эта связь носит характер постоянного взаимного влияния развития техники на развитие естествознания и, наоборот, развития естествознания на развитие техники.
Движущей силой развития техники, являющейся существенным элементом производительных сил общества, служит потребность общества в материальных благах.
1»
4
ВВЕДЕНИЕ
Постоянный реет потребности общества в материальных благах определяет собой основную закономерность развития техники — ее ускоренный рост. Этот ускоренный рост определяется прежде всего ростом народонаселения. Однако ускорение роста техники значительно превышает ускорение роста народонаселения. Это означает, что рост техники стимулируется не только ростом числа потребителей, но и ростом потребления материальных благ каждым членом общества. Статистика констатирует, что история развития человеческого общества сопровождается повышением душевого потребления материальных благ. Очевидно, что рост душевого потребления материальных благ может быть обеспечен только за счет роста душевого их производства, а следовательно, роста производительности труда членов общества, занятых производительным трудом.
Переход общества в его развитии на новую, высшую ступень возможно осуществить и упрочить только с переходом на новую, высшую ступень производительности труда. Эта закономерность вытекает из закона соответствия производственных отношений характеру производительных сил общества.
Владимир Ильич Ленин писал: «Производительность труда, это, в последнем счете, самое важное, самое главное для победы нового общественного строя» 1. За счет чего можно увеличивать производительность труда? В ранний период развития общества, когда на вооружении его примитивной техники имелись только орудия ручного труда, увеличение производительности труда могло быть достигнуто в основном за счет двух факторов: увеличения продолжительности рабочего дня и интенсификации труда рабочего. В наше время организованная борьба рабочего класса привела к утверждению почти во всех промышленных странах восьмичасового рабочего дня, а в СССР производится постепенный планомерный переход на семичасовой рабочий день. В капиталистических странах в сильной степени используется второй фактор — интенсификация труда — тем более, что с возникновением машинного производства возникает и третий фактор повышения производительности труда — передача функций рабочего машинам. Используя и этот фактор, капиталисты доводят рабочего до полного изнурения.
К. Маркс говорил, что машина наделена чудесными силами облегчить человеческий труд, но в условиях капитализма она вызывает голод и истощение. В социалистических странах передача функций рабочего машинам преследует цель не только повышения производительности труда, но что очень важно, и облегчения труда рабочего.
Машина — важнейший элемент техники, развитие которого не будет отчетливо понятно, если не представить себе, в чем именно заключается передача функций рабочего машине.
В процессе ручного труда рабочий выполняет несколько функций, отличающихся друг от друга по своему характеру. Так, приводя в движение с известным усилием инструмент, рабочий сообщает ему потребное для совершения работы количество механической энергии, вырабатываемой в его мышечной системе. Это — первая, энергетическая, функция, которую выполняет рабочий в процессе производства.
В. И. Лени н. Сочинения, т. 29, Госполитиздат, 1950, стр. 394.
ВВЕДЕНИЕ
5
Однако, если поставить на работу у верстака физически развитого человека, способного отдать инструменту более чем достаточное количество энергии, вся эта энергия может пойти на выработку брака, если данный человек не знаком с технологическим процессом, слагающимся из комплекса специальных операций. Знание этого комплекса и умение его осуществлять дает рабочему возможность выполнять вторую — технологическую функцию производственного процесса.
Затрата энергии необходима также при перемещении предмета труда или полученного из него готового продукта, представляющего собой особую, транспортную функцию производства.
Необходимость наблюдения, контроля и управления за течением технологического процесса, выражающаяся при ручном труде в периодическом использовании контрольно-измерительных устройств (кронциркуля, угольника, калибра и т. д.), определяет четвертую функцию процесса труда — контрольную.
Наконец, процесс труда требует выполнения наиболее сложной — логической — функции, коренным образом отличающей труд человека от бессознательной деятельности животных, о чем писал К. Маркс «Но и самый плохой архитектор от наилучшей пчелы с самого начала отличается тем, что, прежде чем строить ячейку из воска, он уже построил ее в своей голове» \
Расчленение процесса труда на отдельные функции позволяет понять внедрение машин, поскольку машины заменяют человека не вообще, а в выполнении отдельных функций.
Мы имеем машины энергетические, обеспечивающие процесс труда необходимым количеством энергии; машины технологические, обеспечивающие протекание технологических процессов изменения формы, структуры, состава предмета труда; машины транспортные, осуществляющие перемещение материалов и продуктов труда; машины контрольные, автоматически контролирующие и направляющие течение производственных процессов, и, наконец, в наше время начинают внедряться машины, выполняющие заданные им логические функции, машины управляющие и информационные, счетно-аналитические, вычислительные машины и т. д.
Итак, удовлетворяя потребность во все большем и большем душевом потреблении, техника в своем развитии находит пути увеличения производительности труда преимущественно за счет передачи машинам выполнения энергетических, технологических, контрольных, транспортных и логических функций человека в процессе труда.
Однако производительность труда является не единственным показателем качественного уровня развития техники. С развитием техники человек все более интенсивно использует материалы, различные физические и химические процессы. В связи с этим увеличивается количество конечной или промежуточной продукции, получаемой с единицы веса, длины, площади, объема разнообразных энергетических и технологических машин. В самом общем смысле такой показатель качественного состояния техники можно назвать показателем интенсивности ее использования.
Наконец, поскольку техника использует познанные законы природы, то одним из показателей ее уровня развития может служить результат
1 К. Мар кс, Капитал, т. 1, Госполитиздат, 1955, стр. 185.
6
ВВЕДЕНИЕ
сопоставления реального эффекта того или иного технического объекта с идеальным эффектом. Эти показатели — разнообразные козффициенты полезного действия, широко распространенные в современной технике.
Приведенные три вида показателей уровня развития техники — производительность труда, интенсивность использования технических объектов и технологических процессов и коэффициенты полезного действия — имеют свои тенденции развития. Так, производительность труда со временем растет ускоренно. Растет и интенсивность использования техники, хотя характер этого возрастания различен для различных элементов техники. Что же касается коэффициентов полезного действия, то они имеют тенденцию замедленного роста. Так, например, за 9 лет, с 1882 по 1891 год, коэффициент полезного действия электрической передачи увеличился более чем в три раза (от 22% в установке Марселя Д е п р е до 78% в установке Доливо-Добровольского), а до настоящего времени, более чем за 60 лет, увеличился только в 1,2 раза. В дальнейшем же как долго не развивалась бы электропередача, дальнейшее увеличение ее к. п. д. в предельном случае не может быть более чем в 1,05 раза. Изучение динамики изменения коэффициентов полезного действия имеет большое значение как объективный показатель необходимости создания новой техники в тех случаях, когда дальнейший рост к. п. д. при использовании какого-либо закона природы лимитируется рамками этого закона, а потребность в продукте, получаемом на основе этого закона, неуклонно возрастает.
Процесс развития техники — процесс, полный разнообразных противоречий. Наиболее общий вид противоречия, характерного для развития техники, — это противоречие между потребностями общества в материальных благах и возможностями удовлетворить эти потребности на базе существующей техники.
Так, потребность во все большем количестве продукции текстильной промышленности в Англии в середине XVIII в. вошла в противоречие с возможностями ручного производства, разрешившееся изобретением ряда прядильных и ткацких машин. Это и ему подобные противоречия являются конкретной формой проявления основной движущей силы развития техники как существенного элемента производительных сил общества — потребности общества в материальных благах.
В отдельных случаях социальный заказ на новые формы техники проявляется в исключительно отчетливой форме, перерастающей в конкретное техническое задание. Так, потребность в металле и угле поставила перед изобретателями в совершенно конкретной форме задачу создания двигателя, приводящего в движение насосную штангу. Задача об универсальном тепловом двигателе была также поставлена перед изобретателями в совершенно конкретной форме создания двигателя с вращательным движением.
Анализ социального задания и вызываемых им изобретений опровергает идеалистические взгляды на роль деятелей техники, показывая, что слова Маркса: «Критическая история технологии вообще показала бы, как мало какое бы то ни было изобретение XVIII столетия принадлежит тому или иному отдельному лицу» 1 остаются справедливыми для последующих периодов развития техники, когда растущее обобществление труда все более и более исключает из деятельности изобретателя элементы его «личного дела».
1 К. Маркс, Капитал, т. 1, Госполитиздат, 1955, стр. 378,
ВВЕДЕНИЕ
7
Социальный заказ включает в себя в той или иной форме и стимул к изобретательской деятельности.
История техники — наука о законах развития техники. Исследование, обнаружение, открытие законов развития техники — ее основная задача, но законы, являющиеся предметом истории техники как науки, проявляются в неявной форме, и для их раскрытия необходимо исследовать громадный фактический материал. К числу объектов исследования истории техники относятся прежде всего материальные памятники технического творчества людей, хранящиеся в музеях, а затем большой графический материал (чертежи, описания, эскизы, пояснения и т. д.), сохранившийся в архивах, в книгах свидетелей и очевидцев, на страницах газет и журналов, и т. д.
Исследуя обширный материал, история техники использует все методы современной науки, прежде всего научный метод диалектического материализма, а далее, где это представляется целесообразным, — любые методы как технических, так и общественных наук. Исследователь истории техники может в равной степени плодотворно применить синхронистические таблицы, которыми успешно пользуются историки, и технический анализ состава металла древнего оружия и технический расчет эффективности старинной машины.
Поскольку техника использует законы природы, конструктивные формы технических объектов и протекающие в них процессы определяются этими законами. Поскольку же законы природы одинаковы на территории любой страны и в любое время, то и технические объекты одного и того же назначения, использующие одни и те же законы природы, как правило, одинаковы в основах своей конструкции, независимо от того, в какой стране они изобретены.
Так, например, преодоление земного тяготения и выход в космическое пространство могут быть осуществлены посредством использования реактивного принципа, открытого механикой. Поэтому в какой бы стране не запускали искусственные спутники земли или космические ракеты, они неизбежно должны быть сходными в своих основных конструктивных формах. Это положение справедливо для любых технических объектов.
Но это не значит, что техника СССР и капиталистических стран одинакова.
Техника находится в процессе непрерывного развития и ее нельзя рассматривать оторванно от этого процесса. Это сложный процесс, основными характеристиками которого могут служить темпы, направление и характер развития. Эти характеристики определяются экономическими законами общества.
Техника СССР, например, по объему и конструктивным формам схожа с техникой ведущих капиталистических стран. Но темпы ее развития в несколько раз выше, чем в этих странах, и зависят не от законов природы, а от социального устройства нашей страны. Советская техника направлена на повышение материального уровня жизни народа, а техника капиталистических государств — на получение максимальных прибылей небольшой кучкой монополистов. Развитие советской техники имеет плавный поступательный характер, определяемый действующим в условиях социалистического общества законом планомерного развития. Техника капиталистических стран развивается неравномерно: периоды роста сменяются периодами застоя. Поэтому история техники, исследуя закономерности ее разви
8
ВВЕДЕНИЕ
тия, ищет и находит их не только в связи с естествознанием, раскрывающим законы природы, но и в связи с общественными науками, раскрывающими экономические законы общества. Таким образом, история техники — наука в равной степени и техническая и общественная.
Как наука историческая, история техники должна исследовать процесс развития. Процесс развития является не простым процессом постепенных количественных изменений. На известных этапах развития накопившиеся количественные изменения приводят к новому качественному состоянию исследуемого объекта — техники. Действительно, наше время отличается от XVIII в. не только тем, что выпуск промышленной продукции во много раз превышает теперь выпуск промышленной продукции в XVIII в., а по преимуществу тем, как, какими орудиями труда обеспечивается этот возросший выпуск. Маркс писал, что исторические эпохи отличаются не только и не столько тем, что производится, сколько тем, как, какими орудиями труда производится. Иные орудия труда, или более широко, иная техника определяет иное качественное состояние ее развития. Возникает необходимость определения исторических временных границ качественных состояний техники, т. е. разработка периодизации ее развития. Но для определения границ тех или иных качественных состояний необходимы характеристики этих качественных состояний. Чем же можно характеризовать различные качественные состояния такого сложного объекта, как техника? Как можно проследить переход техники от одного качественного состояния к другому, когда отдельные важнейшие составляющие техники, во многом определяющие ее качество на том или ином этапе развития, возникали, развивались и отмирали не одновременно, когда в недрах одного качественного состояния возникали и начинали свое развитие элементы иного качественного состояния?
Тем не менее отдельные совокупности элементов техники, несмотря на разные даты их возникновения и отмирания, представляют отличительные качественные состояния техники в целом. Так, техника, характеризующаяся ручным трудом, углеродистой сталью как главным материалом орудий, водяными колесами и кричной металлургией, качественно отлична от техники, характеризующейся машинным трудом, специальными сплавами, электроприводом и электрометаллургией. Несмотря на разные даты возникновения приведенных элементов техники, они взаимообусловлены единой совокупностью и не соответствуют совокупностям, слагающимся из иных элементов. Действительно, нельзя себе представить сочетание электрометаллургии с водяным колесом или электропривода с ручным трудом.
Таким образом, в развитии техники можно различать качественно отличные ее состояния. Но переход из одного качественного состояния в другое не происходит мгновенно, новое качество складывается постепенно и границы его во времени являются недостаточно отчетливыми.
Границы качественных изменений в развитии производственных отношений общества являются более отчетливыми, отмечаются революционными переходами с одной ступени на другую, от одной общественно-экономической формации к другой. Но в каждой из них устанавливается соответствие между производственными отношениями и производительными силами, одним из существенных элементов которых является техника. Отсюда, несмотря на то, что отдельные элементы техники возникают или отмирают в недрах различных общественно-экономических формаций, качественное
ВВЕДЕНИЕ
9
состояние техники в целом на основе закона соответствия целесообразно ориентировать во времени по соответствующим им в основном общественноэкономическим формациям.
Поэтому целесообразно пользоваться терминологией, установленной наукой об обществе, и рассматривать следующие периоды развития техники: техника первобытного общества, техника рабовладельческого общества, техника феодального общества, техника в период возникновения и утверждения капитализма и империализма, техника при социализме. (Перерастание капитализма в империализм связано с ростом производительных сил общества. Отсюда как характер капитализма на его ранней и поздней стадиях, так и характер соответствующих им производительных сил, включая технику, целесообразно рассматривать как два отличных периода развития: техника в период возникновения и утверждения капитализма и техника в период империализма.)
Изложенные общие определения, закономерности и тенденции в развитии техники дают возможность аналитического рассмотрения обширного исторического материала, критического отбора наиболее характерных фактов и явлений, определения влияний и взаимосвязей.
Подобно тому как это было сказано в отношении истории техники, история физики изучает процесс развития физической науки. Ее задача состоит не только в том, чтобы правильно описать этот процесс, но и главным образом раскрыть внешние и внутренние связи, его обусловливающие. Это значит, что она должна стремиться открыть законы, управляющие развитием физической науки.
С точки зрения марксизма закономерному развитию подчинено все в окружающем нас мире: природа, общество, духовная жизнь общества, в том числе и наука. Марксизм впервые в исторической науке вскрыл действительные причины, обусловливающие развитие общества. К таким причинам он относит способ производства материальных благ, необходимых для жизни людей. Производство материальных благ является действительным общественным бытием, обусловливающим сознание общества. Отсюда вытекает основной закон развития естественных наук, сформулированный Энгельсом: «Итак, уже с самого начала возникновение и развитие наук обусловлено производством» Е
Следует, однако, отметить, что этот закон нельзя понимать слишком прямолинейно. Естествознание, и прежде всего физика, является функцией производства, но функцией очень сложной. Взаимообусловленность физики и производства особенно ясно видна в современной стадии развития науки. Открытия в физике атома способствовали возникновению новых отраслей техники, и в свою очередь физика может успешно двигаться дальше только во всеоружии мощных технических средств, доставляемых высоко индустриализованным производством, а существующие сегодня две формы производственных отношений, социалистическая и капиталистическая, наглядно демонстрируют, как сильно развитие науки зависит от этих отношений.
Эксперимент сыграл в развитии физики решающую роль, он обусловил и то обстоятельство, что физика наших дней стала законодательницей экспериментальных методов во всех других науках. Вместе с тем физика — наука точная, формулирующая свои законы и теории на языке математики,
1 Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 145.
10
ВВЕДЕНИЕ
и это ее вторая особенность. Далее, как уже говорилось, физика чрезвычайно тесно связана с техникой, питает последнюю и получает в свою очередь от нее дальнейшие стимулы развития. Наконец, еще одной особенностью физики является ее тесная связь с мировоззрением, с общим взглядом на мир, с философией. Исторически физика выросла из философии, она связана с последней не только логически, но и генетически — единством происхождения.
Эти особенности физики и обусловливают разнообразные внутренние факторы ее развития. Сюда относится взаимодействие эксперимента и теории, науки и практики, философская борьба.
Философская борьба в истории физики играла и продолжает играть важную роль. Успехи естествознания и, в частности, физики с самого начала были добыты в ожесточенной борьбе с идеализмом, с религией. В свою очередь успехи естествознания нередко порождали гносеологические корни новых идеалистических течений, паразитирующих на том факте, что всякая научная истина относительна, неполна. Материалистическая философия делает из этого факта вывод о возможности неограниченного приближения к абсолютной истине, поскольку в каждой относительной истине содержится часть абсолютной истины. Идеалистическая философия приходит к противоположному пессимистическому выводу о недостоверности и ненадежности научного знания, которое должно заменяться «сверхсознанием», якобы питающимся из внечувственных источников. В классовом обществе религия и ее утонченная форма — идеалистическая философия, пользуются поддержкой господствующих классов, в силу чего наука в этом обществе находится в невыгодном положении, не пользуется полной свободой и только в мире, полностью освобожденном от эксплуатации человека человеком, наука получает возможность действительно свободного и всестороннего развития в интересах человечества.
В. И. Ленин писал: «Раньше весь человеческий ум, весь его гений творил только для того, чтобы дать одним все блага техники и культуры, а других лишить самого необходимого — просвещения и развития. Теперь же все чудеса техники, все завоевания культуры станут общенародным достоянием, и отныне никогда человеческий ум и гений не будут обращены в средства насилия, в средства эксплуатации» х.
В. И. Лени н, Сочинения, изд. 4, т. 26, стр. 436.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
§ I. ТЕХНИКА ПЕРВОБЫТНОГО ОБЩЕСТВА
Ранние взаимоотношения между человеком и природой, унаследованные человеком от животного мира, сводились преимущественно к присвоению готового продукта природы. Формами присвоения являются: собирание, охота, рыболовство, в той или иной форме свойственные животным,,’ Дальнейшим шагом в отношениях человека с природой явилось его воздействие на природу с целью увеличения ее продукта. Формы этого воздействия — земледелие и животноводство. Наконец, деятельность человека начала выражаться в наиболее высокой форме, в форме значительного отхода от природы, когда он, используя ее материал и энергию, начал производить материальные блага, не существующие в природе: одежду, утварь, жилища.
Производство, как высшая форма деятельности, в которой человек совершенно отошел от животного, возникло прежде всего при изготовлении орудий еще в период присвоения и первоначальных форм воздействия на природу. Орудия, способствующие присвоению готового продукта природы: охотничьи копья, лук и стрелы, бумеранг, рыболовные снасти, начали свое развитие с простейшего орудия — камня-ударника. Орудия, обеспечивавшие воздействие на природу: лопаты, мотыги, плуги, начали свое развитие с заостренной палки.
Возникновение всех основных форм связи человека с природой произошло в первобытнообщинную эпоху, изучение которой важно для понимания последующего развития производительных сил общества и его техники. Более того, начальный период — это период становления самого человека, отход его от животного, осуществлявшийся тысячелетиями в процессе сознательного труда. Применение самых примитивных орудий первоначально в процессе присвоения и простейшего воздействия на природу развивало не только руки человека, но и его мышление. Таким образом, как указывал Ф. Энгельс в своей книге «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека», рука человека являлась не только органом труда, но и его продуктом. Необходимость предвидеть результат своего труда в значительной степени сделала продуктом труда и мышление. В процессе труда возникло и развилось средство общения между людьми — речь.
РАЗВИТИЕ ОРУДИЙ ТРУДА
Основные этапы развития орудий труда определены К. Марксом: «Простые орудия, накопление орудий, сложные орудия; приведение в действие сложного орудия одним двигателем — руками человека, приведение
12	ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ' ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
этих инструментов в действие силами природы; машина; система машин, имеющая один двигатель; система машин, имеющая автоматически действующий двигатель, — вот ход развития машин» В
Первые четыре этапа приведенной периодизации получили свое становление в первобытнообщинный период.
Простое орудие, не имеющее составных частей, возникло за много тысячелетий до нашей эры в ранний период каменного века (палеолит) в виде ударника — куска кремня, которому путем скалывания придавалась форма, удобная для охвата пальцами рук. Позднее из того же кремня путем откола изготовлялось более совершенное оружие с режущими кромками и остриями: наконечники стрел и копии, кремневые ножи и скребки (фиг. 1 — 1).
Фиг. 1—1. Ручные колющие и режущие орудия из кремня (Государственный исторический музей. Москва).
Кроме кремня, материалом для орудий служило дерево, кость, из которой изготавливались иглы, наконечники дротиков (фиг. 1—2), топоры (фиг. 1—3). Топоры являлись уже составными орудиями (фиг. 1—4), дающими возможность аккумулировать большее количество механической энергии за счет увеличения высоты подъема орудия, и поэтому сделавшими удар настолько эффективным, что человек смог вступать в единоборство с крупными представителями животного мира. В земледелии составные орудия (мотыга, лопата) значительно увеличили производительность труда при переходе к ним от простой заостренной палки.
В более поздний период каменного века (неолит) кремневые орудия заменяются каменными шлифованными (фиг. 1—5), причем в отдельных случаях шлифованные изделия поражают изяществом форм и тщательностью отделки (фиг. 1—6).
На этих ранних видах орудий можно проследить, как их конструктивная форма определяется познанными закономерностями природы, диктующими единство конструктивной формы с технологическим процессом ее
1 К- Маркса Ф. Энгельс, Сочинения, т. 4, Госполитиздат, 1955, стр. 156.
§ 1. ТЕХНИКА ПЕРВОБЫТНОГО ОБЩЕСТВА
13
Фиг. 1—2. Наконечники дротиков из кости (Государственный исторический музей. Москва).
Фиг. 1—3. Костяной топор (Государственный исторический музей. Москва).
Фиг. 1—4. Составные орудия (каменные молоты, топор и мотыга с деревянными рукоятками).
14
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
использования. Процесс использования кремневого ударника, как и современного молотка, заключается в аккумулировании энергии в поднимаемом орудии за счет эквивалентной затраты энергии работником. В процессе резания кремневой пластинкой, как и современным ножом, необходима концентрация громадного давления на малой поверхности лезвия. В основе обоих процессов лежат, очевидно, закономерности природы, исследуемые механикой. Первобытный человек еще не знал законов механики как сложившейся науки. Однако он находил отдельные закономерности путем опыта, подсказывавшего ему, что ударник должен быть тяжелым, а кремневый нож — острым, что именно эти конструктивные особенности наилучшим образом соответствуют предъявляемым к орудиям требованиям: раздробить кость, отрезать кусок мяса. Так, единство конструктивной формы орудия с техно
Фиг. 1—5. Каменные шлифованные топоры (Государственный исторический музей. Москва).
логическим процессом его использования, определяемое закономерностями объективного мира, познавалось в трудовой деятельности, которая накапливала материал для последующих обобщений, для раскрытия за внешними проявлениями наблюдаемых в опыте взаимосвязей их внутренней, более общей, более глубокой связи.
В процессе трудовой деятельности складывались первые предпосылки для последующего возникновения науки о природе.
Ранним сложным орудием, значительно расширившим возможности человека в области присвоения, явился лук со стрелами. По определению Ф. Энгельса «Лук, тетива и стрела составляют уже очень сложное оружие, изобретение которого предполагает долго накапливаемый опыт и изощренные умственные силы, следовательно, и одновременное знакомство со множеством других изобретений» \ Этими другими изобретениями, раскрытыми
1	Ф. Энгельс, Происхождение семьи, частной собственности и государства, Госполитиздат, 1953, стр. 21—22.
§ 1. ТЕХНИКА ПЕРВОБЫТНОГО ОБЩЕСТВА
15
археологическими изысканиями, явился комплекс простейших машин, осуществлявших такие технологические приемы, как шлифование, пиление, сверление и комбинацию отдельных приемов. Новая технология позволила изготавливать шлифованные топоры и молоты, наконечники стрел и копий, кинжалы и ножи, рыболовные крючки, бумеранги, челноки из цельных стволов деревьев и весла к ним.
В процессе изготовления сложных орудий человек освоил новый технологический процесс — сверление, осуществляемое путем применения вра-
Фиг. 1—6. Шлифованные топоры из нефрита (Государственный исторический музей. Москва).
шательного движения, которое не свойственно рукам человека. Такое движение было осуществлено в первых сверлильных устройствах, представлявших уже достаточно сложное сооружение, перерастающее в машину (фиг. 1—7).
В приведенном выше перечне орудий некоторые названия присущи и современным орудиям: топоры, молоты, ножи. Это значит, что за многие тысячелетия до нашей эры были найдены конструктивные формы и осуществляемые с их помощью технологические процессы, сохранившиеся до нашего времени. Действительно, современный молот или топор отличается от первобытного только материалом, из которого он изготовлен. Стабильность молота, топора и других орудий, изобретенных в глубокой древности, не случайна. Она вытекает из двух причин. Первая состоит в том, что в древнейших орудиях опытным путем были открыты закономерности природы, применение которых (таких, как свойство клина, режущей кромки и др.) остается целесообразным и в наше время. Вторая причина состоит в том, что перечисленные орудия в наше время, как и в далекие времена,
16
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
применяются в качестве ручных орудий. А поэтому их вес и размеры, определяемые возможностями руки человека, сохранились настолько, насколько сохранилась рука и ее возможности.
Фиг. 1—7. Устройство для высверливания отверстий — прототип сверлильного станка.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИНЫ
Стимулом к применению машин явилась потребность в выполнении таких трудовых процессов, которые человеку стало трудно или совершенно невозможно выполнять.
Одним из первых трудовых процессов, который оказался непосильным для человека, был процесс подъема и перемещения тяжестей. Исследование сохранившихся жилищ и сооружений ритуального характера, сложенных из громадных каменных плит, указывает на применение для подъема и перемещения этих плит рычага. На фигурах 1—8 показаны последовательные положения камня при его подъеме и перемещении методом террасирования с использованием рычагов. Следует отметить, что в этом случае, как и во многих других, научное обобщение опыта последовало на целые тысячелетия позднее его практического применения (Архимед, 287—212 гг. до н. э).
Возникновение элементарной транспортной машины раньше машин других видов и назначений объясняется тем, что с задачей подъема и перемещения тяжестей, превосходящих физические возможности, человек столкнулся прежде всего, а простейшие возможности решения подобной задачи, подсказанной опытом в виде применения рычага, уже имелись в наличии.
§ 1. ТЕХНИКА ПЕРВОБЫТНОГО ОБЩЕСТВА
17
Фиг. 1—8. Подъем и передвижение крупных камней:
а и б — при помощи рычагов и катков камень поднимается на некоторую высоту; в — под камень подкладывается опора; г — подняв опорные катки на более высокий уровень путем подсыпки земли, производят те же операции, что и в случаях а и б; д, е и ж — поднятый указанным выше методом камень передвигается на новое место; з — подъем камня в гору посредством террасирования.
Однако первобытное общество оставило следы своей деятельности и в области технологических машин в их простейшей форме. К числу таких машин следует отнести уже упоминавшийся примитивный станок для сверления (фиг. 1—7). В отличие от рычага с преобразованием сил в данном случае достигается трансформация характера движения. Свойственное живому организму возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное движение сверла, необходимое для процесса сверления.
2	и. С. Кудрявого
18
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Вращательное движение, наиболее широко распространенное в современной технике, осваивалось в ранний период жизни общества в устройствах для добывания огня. Сначала это были дощечки из мягких пород
Фиг. 1—9. Дощечка и палочки для добывания огня (Государственный исторический музей. Москва).
дерева (фиг. 1—9), подвергавшиеся сверлению палочкой из твердой породы, вращаемой между ладонями. Позднее вращение палочки осуществлялось посредством «огневого сверла» (фиг. 1—Ю), из которого выросли первые сверлильные станки.
Фиг. 1—10. Огневое сверло.
Кроме возвратно-вращательного движения зажигательных и сверлильных устройств, было освоено и однонаправленное вращательное движение в устройствах для изготовления сосудов из глины.
§ 1. ТЕХНИКА ПЕРВОБЫТНОГО ОБЩЕСТВА
19
Одним из древнейших методов изготовления сосудов была лепка их из длинных глиняных валиков, накладываемых спиралью (фиг. 1—11). Форме сосудов в виде окружности в плане способствовало использование
в качестве основы для посуды плетенки из гибких прутьев, обмазываемых глиной, — один из путей возникновения гончарного ремесла. Плавная погибь прута, исключавшая его поломку, приводила к форме окружности. Процесс изготовления сосудов, имеющих такую форму, потребовал от ремесленника поворачивания изделия, которое постепенно привело к применению быстрого вращательного движения (фиг. 1—12). Так возникла еще одна простейшая
технологическая машина—гончарный Фиг. 1—11. Способ изготовления гли-круг, дающая новый пример исполь- няного сосуда из глиняного шнура, зования закономерностей природы на
основании практического опыта задолго до формирования научных представлений о них. В гончарном круге был впервые применен маховик
Фиг. 1—12. Эволюция гончарного круга:
J — неподвижный круг; 2 — круг с медленным вращением от руки; 3 — круг с быстрым вращением. Гончар толкает ногами массивный ннжний круг, выполняющий функцию маховика; руки высвобождаются для изготовления быстро вращающегося на верхнем круге сосуда.
для выравнивания импульсов движения, получаемых кругом от ног гончара. Первобытный гончар не имел понятия о том, что выравнивающий эффект маховика зависит от его массы и квадрата числа оборотов, но это не мешало ему с успехом применять маховик на практике.
Так практика подготавливала данные для научных обобщений. В связи с этим уместно напомнить высказывание Ф. Энгельса о том, что наука обязана производству не в меньшей степени, чем производство науке.
Другим ранним прототипом технологических машин, сложившихся только в XVIII в., является вертикальный ткацкий станок. В этом станке применено характерное для многих машин вплоть до XIX в. использование силы тяжести. Тяжесть используется для натягивания нитей основы, отдаленных от нитей утка, что явилось первым шагом перехода от плетения к ткачеству. Следующим шагом в развитии ткачества было отделение четных нитей основы от нечетных (фиг. 1—13).
Особое внимание следует уделить зерновой мельнице первобытного общества как ранней технологической машине. Сначала процесс размола зерна обеспечивалс я возврат-
2’
20
ГЛАВА J. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Фиг. 1—13. Вертикальный ткацкий станок:
Четные инти основы отделены от нечетных н натягиваются весом самого ткача, а челнок с намотанной на нем нитью утка протаскивается руками между нитями основы.
(Из книги М. Зикмунд- и И. Ганзелки «К охотникам за черепами», Прага, 1959) но-поступательным движением одного камня по плоской поверхности другого. Низкая производительность подобного устройства определялась медленным движением верхнего камня, ускорить которое очень трудно вследствие проявления инерции при переменах направления движения камня. Единственным правильным решением являлся переход от возвратно-поступательного движения к вращательному, скорость которого можно было значительно увеличить. И это решение было найдено в результате труда многих поколений и выразилось в конструктивной форме вращающегося камня-жернова (фиг. 1—14), расположенного в соответственном углублении неподвижного нижнего камня. В подобной мельнице энергетические функции отчетливо отделены от технологических. Технологическая машина жестко определила характер отдачи работы энергетической машины (двигателя) в форме однонаправленного
§ 1. ТЕХНИКА ПЕРВОБЫТНОГО ОБЩЕСТВА
21
вращательного движения по неизменяемой траектории, заданной самой машиной. Отсюда ранняя энергетическая «живая машина» — человек — освобождалась от выполнения логических и контрольных функций почти полностью. В основном человек-двигатель выполнял только энергетическую функцию, которую с таким же успехом могло выполнить животное или энергия неорганической природы в виде водного потока.
Таким образом, в зерновой мельнице сочеталась потребность в передаче энергетической функции машине (поскольку процесс размола — энергоемкий процесс) с возможностью осуществления
Фиг. 1—14. Ручная мельница (зернотерка):
/ — вращающийся жернов; 2 — камень с выдолбленным углублением; 3 — рукоятка для вращения жернова; 4 — размалываемое зерно.
Чертеж И. Я. Конфедератова.
этой передачи (поскольку энергетическая функция выступает
здесь в чистом виде). Так, в зерновой мельнице сложились предпосылки первой замены человека машиной в сфере выполнения энергетической функции производственного процесса.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ
В современном обществе потребление энергии на производственные процессы, транспорт, сельское хозяйство и бытовые нужды слагается из двух основных видов потребления: потребление теплоты (80%) и механической энергии (20 %).
Фиг. 1—15. Бронзовые косари. Необработанные отливки (Государственный исторический музей. Москва).
В первобытном обществе потребление механической энергии покрывалось исключительно затратой энергии людей.
Самым крупным достижением техники первобытного периода явилось возникновение теплотехники в форме использования и получения огня.
22	Г Л А В A I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Использование огня сразу же начало находить себе применение как в быту, так и в производственной деятельности человека. Согревание у пламени костра, приготовление пищи, защита от диких зверей — обеспечили не только сохранение человеческого общества, но и его значительный рост и распространение.
Однако перечисленные виды раннего бытового использования теплоты еще не определяют всего значения первого заимствования человеком энер-
Фиг. 1—16. Отливки бронзовых кинжалов (Государственный исторический музей. Москва).
гии из кладовых природы. В своих взаимоотношениях с природой, начиная от примитивных форм присвоения до современных форм автоматического производства, человек не может заимствовать от природы ничего, кроме вещества и энергии.
В процессе исторического развития методов этого заимствования каждый новый скачок в освоении новых веществ создавал условия для освоения новых видов энергии, а скачок в освоении новых видов энергии создавал условия для освоения новых веществ. Так, освоив древесину, человек путем трения одного куска дерева о другой научился получать теплоту, а используя теплоту, он научился выплавлять металл.
Получение металла — производственное использование теплоты — оказало решающее влияние на жизнь первобытного общества. Медные и бронзовые орудия ^фиг. 1—15), а затем и оружие (фиг. 1—16), сохранив форму и размеры, определяемые ручным использованием, получили новые качества, значительно увеличившие их эффективность по сравнению с каменными.
§ 1. ТЕХНИКА ПЕРВОБЫТНОГО ОБЩЕСТВА
23
Технология получения металла поставила ряд сложных задач по организации потребных тепловых режимов. Костер, в какой-то степени решав-
ший задачу получения относительно низкоплавкой бронзы, оказывался совершенно непригодным для выплавки железа из руды. Путем длительного опыта, оценивая малейшие достижения и ошибки, передавая из поколения в поколение рецептуру, складывавшуюся ценой большого труда, первобытные металлурги научились использовать воздушные потоки, двигающиеся по склонам холмов, для организации питания воздухом ранних плавильных печей (фиг. 1—17). Зависимость процесса плавки от такого непостоянного фактора, как направле-
Фиг. 1—17. Сыродутная рудоплавильная печь на склоне холма.
Чертеж И. Я. Конфедератова.
ние и сила ветра, привела к решению, заключавшему в себе принципиально новое содержание: человек должен делать сам то, чего
не может найти в природе. Это содержание, являющееся основной формулой перехода от присвоения во всех его формах к воздействию на природу в конкретном случае развития первобытной металлургии выразилось в необходимости «делать ветер».
В сыродутных горнах для раздувания огня стали применять воздуходувные мехи.
В рудоплавильной печи усовершенствованного типа (фиг. 1—18) процесс плавки уже не зависел от
Фиг. 1—18. Схема устройства сыродутного горна для выплавки железа с искусственной тягой:
1 — место для очага; 2 — печной под; 3 — отверстие для выхода дыма.
1 — воздуходувные мехи; 2 — отверстие для выхода газов.
капризов природы. Однако это освобождение не далось даром новаторам ранней металлургии: привод воздуходувных мехов потребовал затраты механической энергии. В качестве источника этой энергии человек мог в
24
ГЛАВА I НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
то время предложить только самого себя, и живые двигатели пролили реки трудового пота для проторения дороги в лучшее будущее человечества. Рудоплавильная печь явилась первым техническим объектом, потребляющим теплоту и механическую энергию.
Решение задачи о наиболее целесообразной организации тепловых режимов принимало новые конструктивные формы. Так возникли обжигательные печи (фиг. 1—19), нагревательные горны, способы выжигания стволов деревьев для получения челнов, способы выжигания лесных массивов для расчистки земли под посевы. Теплота, покоряемая человеком, начала вносить свой вклад в технический прогресс.
РЕЗУЛЬТАТ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
Развитие техники неотделимо от развития производительных сил общества, складывающихся из техники и людей, использующих технику. В течение тысячелетий, прошедших от изготовления простейших кремневых ударников до овладения металлургией железа в ранней форме использования сыродутной плавильной печи, произошел значительный рост производительных сил первобытного общества, наложивший свой отпечаток на его структуру.
В ранний период присвоения готовых продуктов природы, когда общество располагало крайне простым ассортиментом орудий, не было никаких обьективных причин для выделения одних людей среди других по каким-либо признакам, кроме опыта старейших. Наоборот, отсутствие разнообразия в орудиях и методах их применения, с одной стороны, уравнивало членов общества, а, с другой стороны, малая эффективность орудий вызывала необходимость действовать сообща, коллективно.
Когда общество начало переходить от присвоения продуктов природы к целенаправленному воздействию на нее, это воздействие складывалось в зависимости от комплекса природных условий, включающих флору и фауну, климат, почву, влажность. В одних случаях эти условия благоприятствовали развитию земледелия, а в других — скотоводства. В связи с этим людям, жившим в разных условиях, сама природа продиктовала наиболее благоприятный вид воздействия на нее с целью увеличения ее продуктивности либо по урожайности зерновых и огородных культур, либо по росту поголовья скота. Под влиянием внешних природных факторов произошло первое крупное общественное разделение труда, разграничение двух специфически отличных видов деятельности людей, приносящей им различные материальные блага.
На основе различий в форме материальных благ, получаемых в результате воздействия на природу со стороны скотоводческих и земледельческих племен, возник обмен продуктами труда сначала непосредственный, а затем при помощи всеобщего эквивалента — денег.
Вызванная разделением труда ранняя специализация отразилась на специализации (дифференциации) орудий труда. Воздействие на природу потребовало большего числа орудий, больше, металла, более сложных методов его обработки. Заниматься изготовлением орудий каждому для своего индивидуального пользования, уделяя этому виду деятельности время, оставшееся от земледелия и скотоводства, более не представлялось возможным. Производство орудий, а за ним и производство продуктов потребления — одежды, обуви, домашней утвари, украшений и т. п. — требовало!
§ 1. ТЕХНИКА ПЕРВОБЫТНОГО ОБЩЕСТВА
25
большей затраты времени и могло быть обеспечено только деятельностью людей, специально посвятивших себя производству. Эти люди не занимались охотой, земледелием или животноводством, т. е. видами деятельности приносившими людям пищу, они получали ее в обмен на продукт своего труда.
Так сначала из среды земледельцев, а позднее и из среды скотоводческих племен выделились ремесленники, начавшие осуществлять третий, высший тип деятельности человека — производство. Выделение ремесленников означало второе крупное общественное разделение труда.
Второе общественное разделение труда способствовало дальнейшей дифференциации производственной деятельности людей по характеру изготовлявшегося продукта, возникновению профессий. Вместе с этим увеличивался обмен продуктами труда, все более и более принимавший формы торговли. Увеличение объема торговли и дальности перевозок привело к тому, что выделились люди — купцы, посвятившие себя этой деятельности.
Главным результатом разделения труда является специализация людей, орудий, технологических приемов. Специализация — один из основных способов повышения производительности труда. Изготовляя изо дня в день, из года в год один и тот же продукт, передавая свой опыт от отца к сыну, ремесленники неизмеримо лучше овладевали техникой изготовления этого продукта, чем люди, переходящие от одного дела к другому. Они усовершенствовали и специализировали инструменты и приемы, и в конечном итоге ценность труда ремесленников стала неизмеримо выше, чем ценность недифференцированного труда. Возросла производительность труда и в области скотоводства и земледелия, поскольку эти области ремесленники стали снабжать более качественными орудиями труда.
Так возросла ценность труда, возросла и ценность его носителя — человека. Человек как производитель материальных ценностей стал расцениваться значительно дороже человека как биологической особи. Отсюда древняя тенденция истреблять плененных врагов стала постепенно заменяться тенденцией превращения их в рабов. Это — первая форма эксплуатации человека человеком, выражавшаяся в безвозмездном присвоении избытка продукта его труда над потреблением путем прямого принуждения силой оружия.
Возможность производства ценностей в количестве, превышающем их потребление на непосредственные нужды общества, явилась предпосылкой к имущественному неравенству, к неравномерному присвоению продукта общественного труда. В связи с этим древняя родовая община начинает расслаиваться, в качестве экономических ячеек общества выдвигаются семьи, имущественное положение которых дифференцируется все сильнее за счет эксплуатации рабского труда. Общество становится классовым. Разделение общества на класс эксплуататоров-рабовладельцев и эксплуатируемых рабов с их антагонистическими противоречиями вызывает к жизни государство как орудие классового господства с присущими ему атрибутами: классовыми законами, армией, полицейским аппаратом, тюрьмами.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Первобытнообщинный период развития, длившийся тысячелетия, явился периодом становления человека в процессе труда, осуществляемого посредством орудий.
26	Г Л А В A I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
2.	В течение первобытнообщинного периода общество от присвоения готовых продуктов природы перешло к воздействию на природу с целью увеличения ее продуктивности в форме земледелия и скотоводства, а позднее — к производству.
3.	Развитие орудий труда первобытнообщинного периода прошло путь от простых орудий до составных и сложных.
4.	Возникли элементы машин: транспортной •— рычаг; технологической — сверлильный станок, гончарный круг, ткацкий станок, ручная зерновая мельница.
5.	Освоены простейшие формы получения теплоты — зажигание огня, сжигание топлива. Освоены простейшие формы использования теплоты в быту: обогревание, приготовление пищи и в производстве: получение металла, обжиг гончарных изделий, выжигание леса под посевы и древесных стволов для лодок.
6.	В результате развития орудий, роста производительных сил произошло разложение первобытнообщинного бесклассового общества и возникло государство как орудие классового порабощения.
2. ТЕХНИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
Возникновение классов решающим образом изменило условия развития техники в рабовладельческом обществе по сравнению с первобытнообщинным. Прежде всего это изменение отразилось на характере проявления движущих сил развития техники. В условиях первобытного общества потребность человека в материальных благах побуждала его к активной деятельности, направленной на обеспечение себя этими благами. Общность характера потребностей всех членов общества побуждала их к совместной деятельности, наиболее целесообразной при слабости отдельных членов общества.
В условиях рабовладельческого общества основные производители материальных благ — рабы получали от рабовладельца предельно низкий минимум для удовлетворения своих потребностей как малую долю от производимых ими материальных ценностей. Большая доля этих ценностей, присваиваемая рабовладельцем, превышала самый высокий уровень его личных биологических потребностей и вызывала новые формы потребностей. Искусство, для развития которого у первобытного человека почти не было времени, поскольку оно затрачивалось на обеспечение биологического уровня существования, теперь получало возможности высокого расцвета и совершенствования. Оно не могло быть искусством для всех, так как при условии распределения избытков материальных благ поровну между всеми членами общества доля каждого из них не превысила бы некоторого улучшенного биологического уровня. Таким образом, первое классовое общество создавало новые материальные и культурные возможности при условии пользования ими небольшой части общества. Эта меньшая часть — эксплуататоры-рабовладельцы — пользовалась не только благами комфорта, искусства, но возлагала на плечи рабов и колоссальный труд по содержанию государственного аппарата и армии, пополнявшей контингенты рабов. Тем не менее возможности более глубокого разделения труда и его частичной специализации создавали в рабовладельческом обществе условия для подъема производительных сил, невозможного в условиях первобытного общества. Энгельс писал: «Только рабство сделало возможным в более крупном мае-
§ 2. ТЕХНИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
27
штабе разделение труда между земледелием и промышленностью и таким путем создало условия для расцвета культуры древнего мира...» Е
В разное время крупные рабовладельческие государства существовали на территории Азии — Урарту, Хорезм, Ассирия, Вавилония, Персия, Финикия, Китай, Индия; на территории Европы — Греция, Рим; на территории Африки — Египет, Карфаген.
Каждое из этих государств в свое время внесло свою долю в прогресс техники и культуры, в развитие производительных сил общества.
РАЗВИТИЕ ОРУДИЙ ТРУДА
Производство рабовладельческого периода оставалось ручным. Ручными оставались и орудия труда, а поскольку размер, вес, форма ручных орудий определяются рукой работника, то не произошло и существенных изменений в элементах этих орудий. Основное изменение произошло в материале орудий труда. Главным материалом орудий и оружия становится железо, а позднее — углеродистая сталь. Осваивается закалка стали, изыскиваются методы поверхностной цементации железа. Принудительный рабский труд ценой тысяч жизней людей, погибающих в рудниках от непосильного труда и несчастных случаев, обеспечивал обществу все большие и большие количества металла.
В рабовладельческий период охота утратила свое прежнее значение и, несмотря на улучшившееся оружие, играла лишь подсобную роль. Развивалась рыбная ловля, чему способствовал разработанный метод постройки судов из отдельных досок, улучшившиеся рыболовные снасти и сети.
Методы воздействия на природу получили значительное развитие. Увеличился ассортимент культивируемых растений. Кроме проса, унаследованного от более древних времен, получили распространение пшеница, рис, ячмень, масличные и волокнистые культуры. Основным орудием стал плуг, сначала деревянный, позднее с лемехом, обшитым листовым железом. В качестве тягловой силы в течение многих веков использовались рабы. Применение домашних животных, преимущественно волов, для пахоты было довольно редким явлением: использование дешевого рабского труда было экономически выгоднее.
Животноводство развивалось за счет увеличения видов приручаемых животных. Разводились свиньи, овцы, козы, коровы, доставлявшие мясо, шерсть, кожи.
Развитие производства шло как за счет увеличения числа ремесленников, так и за счет выделения более узких специальностей и профессий. Кузнецы и медники, гончары и шорники, оружейники и мебельщики и много других профессий вовлекли значительнс-е число работников, специализировавших и совершенствовавших инструменты и рабочие приемы своего ремесла (фиг. 1—20).
Сохранившиеся орудия, их описания и изображения показывают, что в рабовладельческий период возникли и применялись: напильники, сверла, резцы, ножницы, ланцеты, пилы, рубанки, коловороты, чеканы и другие ручные инструменты. В связи с тем, что стали применяться измерительные приборы и инструменты: отвесы, угольники, циркули, линейки, повысилась точность обработки.
Ф. Э .и г е л ь с, Анти-Дюринг, Госполитиздат, 1957, стр. 169.
28
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Фиг. 1—20. Труд ремесленников различных профессий (древнеегипетский рельеф).
Развитие орудий труда в рабовладельческом обществе протекало в противоречивых условиях. Раб, являвшийся основным производителем материальных ценностей, не был заинтересован в производительности своего труда, не стремился совершенствовать орудия труда. Поэтому в главном источнике материальных благ общества — земледелии и животноводстве,— где рабы составляли подавляющее большинство рабочей силы, производительность труда была низкой, совершенствование орудий труда — незначительным. В области промышленного производства, служившего преимущественно для удовлетворения запросов рабовладельческого меньшинства, где складывалась прослойка свободных ремесленников, происходил процесс углублявшегося разделения труда, а вместе с ним совершенствования орудий и технологических приемов. Вместе с тем именно в этой области значительная доля продукции не являлась продуктом широкого потребления: ювелирные изделия, украшения, утварь дворцов и храмов и т. п.
Значительное развитие получили сложные орудия, из которых складывались машины рабовладельческого периода.
РАЗВИТИЕ МАШИН
В рабовладельческом обществе наибольший стимул для своего развития получили транспортно-подъемные машины. Постройка укреплений, дворцов, общественных зданий, храмов, гробниц, дорог требовала перемещения большого количества строительных материалов и подъема зна-
« 2. ТЕХНИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
29
читальных тяжестей. Широкое применение получил рычаг в одной из ранних задач техники — подъем воды для орошения (фиг. 1—21).
Применение рычагов и катков для транспорта тяжелых объектов (фиг. 1—22) способствовало возникновению колеса, комбинированных, усложненных применений принципа рычага в системах с вращательным движением: воротах, блоках (фиг. 1—23), полиспастах (фиг. 1—24). Позднее комбинации рычага с колесом приняли конструктивные формы зубчатых колес. Для высоких передаточных чисел были найдены самотормозя-щиеся передаточные пары: винт и гайка, червяк и червячное колесо. Таким образом, развитие подъемных и транспортирующих машин обусловило возникновение большинства ныне применяющихся механизмов передачи и трансформации видов механической энергии. Широкое применение подъемных устройств, начиная с простого рычага, при помощи которого возведены такие колоссальные сооружения, как знаменитые египетские пирамиды, и кончая сложными подъемными кранами, применявшимися в технике Рима, позволило автору «Десяти книг об архитектуре» (16—13 гг. до н. э.), древнеримскому зодчему Витрувию дать первое определение машины. Это определение, относящееся к периоду развития, не знавшему еще никаких иных машин, кроме транспортных, сводилось к тому, что «... машина представляет собой связанное соединение деревянных частей, представляющее большие преимущества для поднятия грузов».
Возникновение и рост городов вызвали задачу водоснабжения. Эта задача решалась преимущественно путем канализации воды (фиг. 1—25) для перемещения самотеком от высоколежащих водоемов (акведуки) (фиг. 1^—26). Поскольку в природе такие возможности довольно редки, встала как для целей городского, так и сельскохозяйственного (полив посевов) водоснабжения задача подъема воды. Эта задача красной нитью проходит через всю последующую историю развития техники. Крайне обострявшаяся в отдельные периоды истории, она в значительной степени способствовала техническому прогрессу. Особенность задачи водоподъема состоит в большой энергоемкости водоподъема и поэтому задача распадается
Фиг. 1—21. Древнеегипетский шадуф— водоподъемник (стенная роспись).
Фиг. 1—22. Перевозка монолитной статуи с использованием рычагов и катков. (Ассирийский барельеф.)
Фиг. 1—23. Блок в подъемном устройстве рудника в древнем Китае. (Рельеф на кирпичах )
§2. ТЕХНИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
31
а	6
Фиг. 1—24 Древнеримские подъемные машины:
а — со ступальныи колесом и полиспастом; б — с полиспастом.
на две: нужно разработать транспортирующую часть водоподъемной установки (транспортную машину) и энергетическую машину (двигатель) для привода в движение транспортной. Энергетическая часть задачи в течение
длительного времени решалась путем использования энергии человека. В рабовладельческий период наличие дешевой рабочей силы — рабов — позволяло не только решать задачу подъема отдельных грузов, но и более энергоемкую задачу — водоподъема. Водоподъемное колесо и водоподъемный винт (фиг. 1—27) приводились в действие силой рабов. С другой стороны, при использовании энергии движения воды то же водоподъемное колесо могло быть легко превращено в машину энергетическую. И действительно, такое решение было известно в рабовладельческий период для привода зерновой мельницы, но применялось исключительно редко, поскольку использование рабов обходилось дешевле.
Нашла свое решение и задача создания водоподъемной машины пожарного назна-
чения (фиг. 1	28). В ЭТОЙ ф[(г у—25. Остатки водопровода в Мохенджо-Даро
машине, построенной греком (Индия, III — И тысячелетие до н. э.).
32
ГЛАВ А I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Фиг. 1—26. Сохранившаяся часть древнего Римского акведука.
Ктесибием, представлена возникшая при решении задачи водоподъема исключительно жизненная техническая конструкция для обеспечения переменного объема в замкнутой, полости — цилиндр и поршень, получившая позднее колоссальное распространение в тепловых машинах.
Фиг. 1—27. Архимедов водоподъемный винт.
С возникновением классового рабовладельческого общества начало оказывать влияние на развитие техники, сохранившееся в силе и в наши дни, изготовление различных объектов военного назначения. Строители военных кораблей, сложных метательных машин, стенобитных машин,
§ 2. ТЕХНИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
33
разнообразных средств нападения и защиты не только использовали лучшие достижения техники, но вносили в ее развитие и много нового.
Энергетических машин рабовладельческое общество не создало, поскольку в условиях применения многочисленных рабов в качестве живых двигателей не было стимула к изысканию и использованию энергии природы. В литературе иногда эолипил Герона (фиг. 1—29), относящийся ко II в. до н. э., рассматривается как первая паровая турбина. Считать Герона изобретателем первой паровой турбины нельзя. Прежде всего паровая
Фиг. 1—28. Водяной насос Ктесибия:
/ — цилиндры; 2 — поршни; 3 — всасывающие клапаны; 4 — нагнетательные клапаны; 5 — уравнительный воздушный колпак; 6 — насадок.
Фиг. 1—29. Эолипил Герона:
1 — сосуд для парообразования; 2 — пароотводящие трубки; 3 — шар; 4 — выхлопные трубки.
турбина — двигатель, а в рабовладельческий период в силу дешевизны рабского труда не мог получить применения даже реальный в условиях техники того времени водяной двигатель. Далее, Герои не мог быть изобретателем паровой турбины, поскольку в то время водяной пар отождествлялся с воздухом. Считалось, что из трубок эолипила «дует ветер», почему и сам прибор получил свое наименование в честь Эола — одного из богов ветра.
К числу технологических машин, получивших некоторое развитие, следует отнести ткацкий станок (фиг. 1—30). Однако этот станок оставался ручным, и только частично заменял выполнение технологической функции ткача, вручную протаскивающего челнок.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВЫХ ОТРАСЛЕЙ ТЕХНИКИ
К числу новых отраслей техники, возникших и получивших значительное развитие в рабовладельческий период, прежде всего следует отнести технику возведения громадных сооружений самого разного назначения. В некоторых рабовладельческих государствах земледелие могло успешно развиваться только при условии искусственного обводнения земель. Так возникла потребность в сооружении ирригационных систем.
34
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Фиг. 1—30. Ткацкая мастерская. (Египетская скульптура.)
К числу крупнейших из них следует отнести следующие. В Египте на р. Ниле была возведена сложная Ассуанская ирригационная система с плотинами, водохранилищами, отводными каналами и глубоко продуманной системой регулирования. В Китае в VI в. до н. э. реки Хуанхэ и Янцзы были соединены «Великим каналом» протяженностью свыше 1000 км. На территории современной Армении сохранились остатки гидротехнических сооружений древнего рабовладельческого государства Урарту.
Громадное значение и развитие в рабовладельческий период получили строительное дело и архитектура, вызванные потребностями классового государства: возведение крепостей, проведение дорог, сооружение дворцов для правителей и богачей, храмов для многочисленных служителей религиозных культов, в сооружениях общественного пользования: цирках, театрах, стадионах, маяках, производственных сооружениях (фиг. 1—31, 1-32).
§ 2. ТЕХНИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
.35
Техника ручного труда, примитивные подъемные устройства и несовершенные инструменты не могли обеспечить высокой производительности труда на строительных работах. Поэтому такие громадные сооружения, как храм, целиком высеченный в массиве скалы, или пирамида высотой в 187 м, могли быть воздвигнуты только ценой изнурительного труда сотен тысяч людей в течение многих десятилетий. Создаваемые в подобных условиях памятники архитектуры рабовладельческого периода являются замечательными образцами высокого искусства, поражающие законченностью своих архитектурных форм. Древним зодчим Индии, Хорезма, Урарту, Китая, Рима, Греции, Египта удалось изыскать гармонические пропорции отдельных частей сооружений, целостные композиции архитектурных ансамблей.
К рабовладельческому периоду относится начало строительства дорог — надежного средства связи отдельных частей государства с его административными и торговыми центрами. Реки, пересекавшие трассы дорог, перекрывались мостами, основой которых служили каменные арки. Прочность мостов была такова, что некоторые из них сохранились до настоящего времени, простояв тысячелетия.
В качестве средств быстрой связи были разработаны различные системы оптического телеграфа, позволявшего по вспышкам факелов или их расположению передавать условные сигналы.
Фиг. 1—31. Александрийский маяк (Реконструкция).
3fi
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Фиг. 1—32. Общественная пекарня, обнаруженная при раскопках Помпеи (Рим)
Возник и водный транспорт, отвечая военным потребностям и развитию мирной торговли. Потребность в судах не могла удовлетворяться освоенным в первобытный период методом изготовления судов из целых стволов деревьев путем выжигания. Были разработаны способы постройки судов из отдельных элементов, и таким образом размер судна перестал определяться размерами отдельного дерева. Наборный каркас — остов судна из длинного составного бруса-киля и поперечных «ребер» — шпангоутов обшивался деревянными досками. Щели конопатились паклей, корпус смолили для предохранения дерева от гниения.
Основными двигателями на судах были гребцы-рабы. Ветер использовался только попутный и небольшой, не угрожающий целости непрочных судов.
Использование «живых двигателей» на судах определило и предел возможности их развития. Стремление увеличить общую мощность судна вынуждало распределять гребцов вдоль борта в два или даже в три яруса. При этом гребцы верхнего яруса были вынуждены двигать весла настолько длинные и тяжелые, что с этой работой могли справляться только люди выдающейся силы. Весло четвертого яруса было бы уже не под силу любому атлету.
Возникшее и развивающееся мореплавание позволило финикийцам освоить все побережье Средиземного моря и проникнуть через Гибралтарский пролив до берегов нынешней Англии.
§ 2. ТЕХНИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
37
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Ф. Энгельс характеризовал рабовладельческий период как период, в течение которого человечество «.училось мыслить». В этом определении скрывается глубокий смысл. Человек не сразу научился познавать окружающий его мир. Процесс познания имеет свои ступени развития. «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике — таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности» 1 учит Ленин. Живое созерцание воспринимает действительную реальность в ее конкретной форме, и в ранний период своего развития человек еще не умел усматривать за конкретной формой созерцаемых им предметов и явлений абстрактную сущность. Нужны были тысячелетия для того, чтобы научиться за ослепительным сиянием Солнца, холодным светом Луны, за бегущими по воде от упавшего камня легкими волнами, за росинкой, блестящей в лучах утреннего солнца, увидеть и выделить в абстрактной форме, лишенной цвета и движения, нечто, присущее и Солнцу, и Луне, и волнам, и капле — круг, окружность. Выделение абстрактного общего из конкретных частных форм, образование понятий означает, что человек научился думать.
Умение абстрактно мыслить, возникшее и сложившееся путем тысячелетнего опыта, наблюдений и трудовой деятельности, дало возможность заглянуть в скрытый за внешними конкретными формами механизм явлений и процессов природы, найти закономерности причинных взаимосвязей этих явлений и процессов. Внешние конкретные проявления взаимосвязей человек подмечал и в условиях первичного конкретного образного мышления: закат красный — будет ветер; птицы летают низко — будет дождь, и т. д. Но предметное мышление не дает возможности ответить на такие вопросы, как, например, почему рычагом можно поднять большой груз, почему дерево плавает, а камень тонет и т. д. Развитие техники и производства не удовлетворялось констатацией связей, ответами на вопросы «что» и «как». Успех производства должен был основываться на ответах на вопрос «почему», раскрывать причинность установленных опытом связей. А раскрытие причинности связей невозможно без операций с абстрактными понятиями, в частности для решения приведенных задач статики твердых тел и жидкостей нужно оперировать с понятиями: «длина», «вес», «отношение», «объем», «сила», «движение».
Таким образом, «умение думать», образование абстрактных понятий, как следующий за созерцанием шаг в развитии познания, создавали почву для становления науки.
Вместе с возможностью становления науки возникла и потребность в науке и прежде всего в естествознании и математике, изучающей количественные отношения и пространственные формы.
Необходимость счета, вызванная производством и торговлей, земельные измерения вызвали возникновение и развитие математики. Были разработаны основы геометрии, положено начало развитию теории чисел, разработаны правила составления и решения квадратных уравнений, открыты иррациональные числа.
Мореплавание и потребность в измерении времени вызвали возникновение и развитие астрономии, ограничившееся в рабовладельческий период становлением геоцентрической системы мироздания в трудах Гиппарха
В. И. Ленин, Философские тетради, Госполитиздат, 1947, стр. 146—147.
38
ГЛАВА Г. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
и Птолемея, системы, удовлетворявшей потребности мореплавания и летосчисления того времени.
Архитектура, строительство сложных сооружений, кораблестроение сделали необходимым решение ряда задач статической механики твердых и жидких тел. В этой области обобщающими работами явились труды Архимеда, разработавшего теорию рычага и открывшего закон плавания.
Таким образом в условиях рабовладельческого общества появилась потребность в научных обобщениях вместе с возможностью удовлетворения этой потребности. Так возникало естествознание. Однако возможности его развития были ограничены объемом требований, предъявляемых к естествознанию со стороны производства. Так, например, если условия производства поставили задачи статики твердых и жидких тел и потребовали их решения, то эти условия еще не ставили задач динамики. Развитие естествознания ограничивалось и по методу исследования. «Научившись» думать, т. е. все шире и глубже применять абстрактное мышление, некоторые ученые древнего мира переоценили его значение, оторвали мысль от первоисточника и сочли себя способными ставить и решать любые задачи вне связи с объективным материальным миром. Так разделение умственного и физического труда, порожденное возникновением классового общества, породило и условия для возникновения идеалистического мировоззрения. С другой стороны, древние ученые, остававшиеся на материалистических позициях, не были свободны от рабовладельческой идеологии, считавшей физический труд уделом рабов. Отсюда переоценка логических построений как метода познания и недооценка опыта, эксперимента, поскольку в нем заключены элементы физического труда.
Поэтому наука рабовладельческого периода была умозрительной и, исследуя явления и процессы природы, обращалась за ответами на возникавшие вопросы не к исследуемым явлениям и процессам непосредственно путем постановки эксперимента, а к логическим суждениям, что ограничивало возможности развития естествознания.
ПРЕДЕЛ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
В УСЛОВИЯХ РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
При оценке громадных достижений техники рабовладельческого периода в области строительства величественных сооружений — храмов, пирамид, сфинксов, дворцов, цирков, городов — исторический факт падения могущественных рабовладельческих государств под натиском племен, не располагавших большими материальными ценностями, может представиться случайным. Однако падение рабовладельческих обществ было закономерно подготовлено историческим ходом их развития, обострением присущих им противоречий, перерастанием этих противоречий в затяжной кризис, расшатавший вконец их экономическую базу. Действительно, поражающие нас образцы достижений строительной техники, значительное развитие и специализация ремесла проявлялись в областях производства, не укреплявших материальной основы общества, а направленных на потребности узкой правящей верхушки. Для укрепления и возвеличения этой верхушки возводились прекрасные здания, создавались редчайшие произведения искусства, предметы роскоши и комфорта, тогда как единственному производителю материальных благ — рабу обеспечивался лишь жесткий биоло
§ 2. ТЕХНИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
39
гический минимум, без которого он бы физически не мог существовать. Если для производства предметов роскоши и комфорта рабовладельцев ремесленники специализировались и улучшали орудия труда, то в области производства материальных благ, определяющих условия жизни общества в целом, — пищи и предметов широкого потребления — совершенствование орудий труда было крайне незначительным. В наиболее трудоемкие работы по обработке земли под посев, по уборке урожая техника внесла мало усовершенствований. Раб, единственный производитель материальных ценностей, совершенно не был заинтересован в повышении производительности своего труда, поскольку это повышение не могло принести ему никакого облегчения. Раб ненавидел свой подневольный труд, ненавидел орудия этого труда и при любой возможности остаться безнаказанным ломал их. Поэтому ему доверялось самое грубое, самое примитивное орудие, а возможная производительность достигалась за счет удлинения рабочего дня и изнуряющей интенсификации труда под ударами бичей надсмотрщиков.
В таких условиях рабовладельческие государства в конечный период своего исторического развития оказались чрезвычайно ослабленными внутренними противоречиями, экономически неустойчивыми, не способными противостоять натиску обществ с большим соответствием между производительными силами и производственными отношениями.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	В рабовладельческом обществе развитие техники шло за счет углубления разделения труда в производстве, освоения новых культур в земледелии, применения громадного количества принудительного труда на строительстве.
2.	Развитие орудий труда происходило преимущественно в областях производства, обслуживающих запросы правящего меньшинства. В земледелии и животноводстве прогресс орудий труда был незначительным.
3.	Значительное развитие получили машины для подъема тяжестей и воды. Технологические машины развивались слабо и оставались ручными. Энергетические машины не получили применения.
4.	Возникли новые отрасли техники: строительство ирригационных сооружений, архитектура, дорожное строительство, мостостроение, кораблестроение, градостроительство.
5.	Возникли науки. Потребность в счете и измерениях вызвала к жизни математику; строительство сооружений, машин, кораблей — механику; мореплавание и летосчисление — астрономию. Наука ограничивалась умозрительным методом.
6.	Возникшее на основе производительных сил, возросших в недрах первобытного общества, рабовладельческое общество на поздних стадиях своего развития начало тормозить развитие производительных сил, что послужило причиной его ослабления и упадка.
§ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФИЗИКИ.
ФИЗИКА РАБОВЛАДЕЛЬЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
Наука возникла и прошла первый этап своего развития в условиях рабовладельческого общества, когда сформировались устойчивые государства с развитой земледельческой культурой, ремеслом и торговлей,
40
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
когда получил широкое применение металл (медь, бронза, позднее — железо). Хронологически этот первый этап охватывает длительный промежуток времени, начиная примерно с III тысячелетия до нашей эры и кончая V веком нашей эры. Географические границы распространения науки не оставались неизменными в течение этого периода. Возникнув в странах ирригационного земледелия в долинах рек Нила (Египет), Тигра и Евфрата (Ассирия и Вавилония), позже Инда и Ганга (Индия), Хуанхэ, Янцзы (Китай), наука переместилась затем в страны Средиземноморья (Иония, Греция, Италия), с тем чтобы позднее, в эпоху римской империи, распространить свое влияние па обширное пространство этой империи в Европе, Африке и Азии, продолжая свое развитие в Индии и Китае. Рабовладельческий строй не был однородным и неизменным; в разных странах он, сохраняя свою экономическую сущность, имел свои особенности и вместе с тем развивался. В соответствии с этим наука и техника древнего рабовладельческого общества имела свою длительную историю. Зародившись в странах древнего Востока, она пережила затем своеобразный, оказавший сильное влияние на последующее развитие науки и культуры, античный период нерасчлененной науки и период эллинистической культуры с центром в Александрии. В соответствии с этими этапами подразделяется и история физики рабовладельческого общества.
НАУКА ДРЕВНЕГО ВОСТОКА
История физико-математических наук начинается в долинах рек Нила (Египет), Тигра и Евфрата (Ассирия и Вавилония). Сложившаяся здесь уже в IV тысячелетии до н. э. культура ирригационного земледелия создала предпосылки для устойчивой экономической жизни и цивилизации. Периодические разливы Нила определяли своеобразный ритм хозяйственной жизни Египта. Бурные паводки Тигра и Евфрата выдвигали задачу борьбы с наводнениями, сооружения каналов и плотин, обеспечивающих продуктивность сельскохозяйственного производства. В этих условиях большое значение получили астрономические наблюдения, позволяющие по положению небесных светил определять смену времен года, наступление разливов рек. Измерения земельных участков, учет урожая вызвали потребность в математических знаниях и измерениях. Сложные хозяйственные задачи рабовладельческого Египетского государства привели к созданию интеллигентной прослойки общества — писцов. Они вели канцелярию царя (фараона), храмов, вельмож, вели учет урожая и расходования средств. Этим людям и обязана история науки в физико-математических знаниях. Астрономические наблюдения находились в руках жрецов Египта, Ассирии и Вавилонии, что обусловило большое влияние жреческого сословия на хозяйственную и культурную жизнь этих стран. Рано возникли кадры чиновников и служащих в древнем Китае и наряду с этим школы для обучения письменности и начаткам наук.
Для истории физики период науки древнего Востока имел очень важное значение. В этот период учились наблюдать явления и прежде всего астрономические и метеорологические. Не ограничиваясь качественными наблюдениями, писцы и жрецы этих стран проводили измерения времени, длин, весов. Так, уже в эпоху Шан Инь (XVIII—XII вв. до н. э.) в Китае был создан лунно-солнечный календарь продолжительностью 366 дней, а в эпоху династии Чжоу (XI в. до н. э.) упоминаются солнечные часы.
§ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФИЗИКИ
41
Египтяне начали считать год по восхождению звезды Сириуса, предвещавшей начало разлива Нила, и делили год на тридцать шесть декад по числу групп созвездий, на которые они подразделили пояс Зодиака; к этим тремстам шестидесяти дням они прибавляли каждый год пять дней.
Более высокого уровня, чем у египтян, достигла астрономия и измерение времени у вавилонян. Они вели наблюдения на специальных площадках с такой точностью, что смогли даже установить факт предварения равноденствия. Они разделили пояс Зодиака на двенадцать созвездий, определили периодичность затмений, знали лунный месяц и солнечный год. Они вели счет времени по водяным часам, подразделив сутки на часы и минуты. Это подразделение было связано с перемещением Солнца по небесному своду и с мерой углов. С этим было также связано распространение в Вавилонии шестидесятеричной системы счисления. Вавилоняне установили также систему мер. Единица времени у них связывалась, по-видимому, с единицей длины и веса и определялась временем истечения воды из куба, длина которого составляла одну пятую локтя (единицы длины), а вес равнялся единице — мине (около одного килограмма). 60 минут составляли вавилонский талант. Кроме солнечных и водяных часов, древние знали весы с разновесками, обладали навыками в измерении площадей, в разбивке земельных участков. Высокого уровня достигли у них математические знания (геометрия, арифметика, решение уравнений).
Китайцы уже в III в. до н. э. знали компас. Вавилонские жрецы занимались гаданием по цветам масляной пленки, образовавшейся на поверхности воды. Таким образом, в странах древнего Востока уже в рабовладельческий период складывались предпосылки экспериментальной науки. Однако, несмотря на относительно высокий уровень астрономических и математических знаний, представление о мире в Египте и Вавилонии было фантастическим, основанным на религиозных мифах. Начало материалистического взгляда на мир мы находим в древнем Китае, где уже в глубокой древности возникло учение о первичных материальных элементах мироздания, согласно которому все вещи возникли из пяти элементов: воды, огня, дерева, металла и земли.
АНТИЧНАЯ НЕРАСЧЛЕНЕННАЯ НАУКА
В развернутой форме материалистическое воззрение на природу вырабатывается в древней Греции в период с VI до IV в. до н. э. Греки стремились понять основы мироздания и происходящие в мире изменения средствами разума, не прибегая к фантастическим домыслам. Греческая нерас-члененная наука представляла собой первую попытку построения картины мира, основанной на наблюдении естественных изменений в природе. Греки рассматривали природу в целом, видели в окружающем мире всеобщую связь явлений, непрерывное развитие и изменение. Отсюда стихийнодиалектический характер мировоззрения древних греков. «Древние греческие философы были все прирожденными, стихийными диалектиками...»1— писал Энгельс. Мы встречаемся с идеей развития уже у мыслителей древнейшей ионийской школы Фалеса, Анаксимандра, Анаксимена и особенно Гераклита.
1 К. Маркс и Ф. Энгельс, Избранные произведения, т. II, Госполитиздат,. 1955, стр. 119.
42
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Фалес (около 624—547 гг. до н. э.) искал выражения единства мира в идее, что все в мире произошло из воды и превращается в воду. Анаксимандр (610 — ок. 546 гг. до н. э.) в качестве материальной первоосновы сущего принимал неопределенное беспредельное начало апейрон, из которого возникают и развиваются миры. У Анаксимена (585—525 гг. до н. э.) такой первоосновой является воздух, у Гераклита (530— 470 гг. до н. э.) — огонь. По поводу тезиса Гераклита: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...»— Ленин писал: «Очень хорошее изложение начал диалектического материализма»
Полагая в основе всего сущего единую материю, ионийцы впервые в науке высказали принцип сохранения материи. Это отмечал уже А р и-с т о т е л ь: «Таково, по их мнению, первоначало сущего, поэтому ничто не рождается и ничто не умножается, так как природа, будучи такой, сохраняется навеки». Это утверждение является основой всех последующих научных материалистических взглядов на природу. Ионийцы решительно порывают с религиозными учениями о сотворении мира из ничего божественной силой.
Но почти одновременно с материалистическим воззрением на мир возникают и идеалистические представления, тесно связанные с религией и являющиеся ее утонченной формой. Такие представления легко могли возникнуть и потому, что греческая наука была умозрительной наукой, оторванной от опыта, к которому рабовладельцы относились с пренебрежением, как к занятию, недостойному свободного человека. Стремясь рационалистически познать мир, последователи легендарного мыслителя древней Греции Пифагора (около 580—500 гг. до н. э.), абсолютизируя правильное представление о важности числовых отношений в познании природы, объявили числа... «божественными сущностями». Пифагорейцы искали в числовых отношениях тайн и откровений, они верили в переселение душ, требовали вернуться к донаучным, мифологическим представлениям о Вселенной. Они развили дальше учение ионийцев о мироздании. Если, например, Анаксимандр учил, что Земля является цилиндром, помещенным в центре мира, то пифагореец Ф и л о л а й (470—399 гг. до н. э.) считал Землю сферой и допускал ее движение вокруг «центрального огня» (пироцентрическая система). Вокруг того же огня движутся Солнце, Луна, планеты (к которым пифагорейцы прибавили мифическую антиземлю) и звезды. Движение небесных сфер вокруг центрального огня сопровождается неслышимыми нами гармоничными звуками. Это представление опиралось на реальное наблюдение о числовых соотношениях длин струн, дающих гармонический аккорд. В пифагорейской картине мироздания Ленин усматривал намек на строение материи. Она сыграла свою роль в истории борьбы за гелиоцентрическое мировоззрение.
Другой формой идеалистической реакции на воззрения ионийцев было учение философов так называемой элейской школы (Парменид, Зенон, V в. до н. э.), названной так по греческой колонии Элея в Южной Италии. Элеаты отрицали наличие изменения, движения в природе. Бытие, утверждали они, всегда остается равным самому себе, следовательно, всякое изменение есть только видимость, а не действительность. Большую известность
1 В. И. Ленин, Философские тетради, Госполитиздат, 1947, стр. 294.
§ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФИЗИКИ
43
получили возражения (так называемые «апории») Зенона Элейского против движения, в которых он доказывал, что понятие движения ведет к противоречиям. Как показал дальнейший философский анализ этих апорий, Зенон вскрыл в своих апориях диалектическую противоречивую природу движения. (См. Б. И. Л е и и и, Философские тетради, стр. 239—242).
Дальнейшее развитие научной мысли преодолело односторонний скептицизм элеатов. Объяснение устойчивости существования мира при непрерывном его изменении стали искать в допущении нескольких первичных начал, сочетание и разъединение которых порождает наблюдающиеся изменения. Анаксагор (500—428 гг. до н. э.) в качестве таких начал принимал первичные частицы, «гомеомерии», каждой из которых присущи разнообразные свойства. Эти первичные начала были приведены в движение некоторой активной естественной силой, которую Анаксагор назвал «Нус», т. е. «Разум». Разделением и смешением гомеомерий происходит все существующее. Эмпедокл (490—430 гг. до н. э.) принимал четыре «корня»: огонь, воздух, воду и землю, сочетанием и разделением которых обусловлено происхождение всех существующих вещей. Источником движения являются движущие начала: любовь и вражда. Уничтожения и нарождения в природе нет, есть только соединения и разделения частей. Так античная мысль привела к великому принципу сохранения, являющемуся основой материалистического мировоззрения, который она выразила формулой: «из ничего ничего не бывает».
Этот принцип стал исходным пунктом мировоззрения атомистов. Учение атомистов является наивысшим достижением античной науки, зародившись в эпоху рабовладельческого общества, оно пережило вторичное возрождение в эпоху становления опытного естествознания и ныне стало основой физики и химии. Одним из основателей этого учения был великий греческий философ Демокрит (приблизительно 460—370 гг. до н. э.).
Демокрит исходит из положения о вечности материи: ничто не создается из ничего и все, что существует, не может быть уничтожено. Всякое изменение — это только разъединение или соединение частей. Эти соединения и разъединения закономерны, поэтому все происходящее в мире не случайно, а причинно, обусловлено и необходимо. В основе всего сущего лежат неизменные и неделимые атомы, движущиеся в пустом пространстве. Они отличаются друг от друга формой и величиной. При движении сквозь бесконечное пространство (это движение Демокрит называет падением) большие атомы падают скорее малых, настигая последние, они ударяют в них и производят боковые движения, дающие начало вихревым движениям. Эти вихри и боковые движения и приводят к образованию и исчезновению бесчисленных миров. Человек, как и все существующее, состоит из атомов, его душа состоит из самых мелких, круглых и подвижных атомов, движения которых порождают жизненные явления. Ощущения возникают от мельчайших материальных истечений из тел. Так зрительные ощущения вызываются особыми тонкими копиями вещей — «образов», отделяющихся от предметов.
Воззрения Демокрита были развиты Эпикуром (341—270 гг. до н. э.), деятельность которого относится уже к последующему периоду, однако в целях связности мы рассмотрим учение Эпикура здесь. Оно было изложено в философской поэме «О природе вещей» римским поэтом-философом Лукрецием Каром (около 99—55 гг. до н. э.). Как и Демокрит, Эпикур считает: «Вселенная всегда была такой, какова она теперь, и всегда
44
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Демокрит
будет такой, потому что нет ничего, во что она могла бы измениться, ведь, помимо Вселенной, нет ничего, что могло бы войти в нее и произвести изменения». Другими словами, материальный мир в целом вечен и неизменен. Этот вечный материальный мир состоит из атомов и пустоты. «Атомы движутся непрерывно в течение вечности». Причиной этих движений является сама Вселенная. «Начала атому (этим движениям) нет, потому что атомы и пустота суть причина этих движений». У атомов нет никаких чувственно осязаемых свойств, вроде цвета, запаха и т.д., кроме формы, веса и величины. (У Демокрита атомы отличались только формой и величиной.) Так как во Вселенной нет ни верха ни низа, то атомы движутся с одинаковыми скоростями. Но они — ив этом состоит существенное отличие атомистики Эпикура от атомистики Демокрита — могут самопроизвольно отклоняться очень незначительно от прямолинейных путей, и эти спонтанные боковые отклонения и порождают столкновения и вихревые движения атомов, приводящие к образованию вещей. Эпикур связывает возможность таких спонтанных отклонений с наличием свободной воли у людей. Таким образом, он допускает наряду с необходимостью существование случайности.
Атомисты использовали свою концепцию для объяснения всех явлений мира, в том числе и явлений общественной жизни. При этом они высказывали ряд гениальных догадок, к числу которых, например, относится идея эволюции земли и миров, картина развития человеческого общества вместе с развитием труда и многое другое. Физические явления (свет, теплоту, магнетизм) атомисты объясняли посредством материальных истечений, предвосхищая таким образом будущую концепцию «невесомых». Следует отметить их тонкую наблюдательность. Так, возможность существования «нечувствительных частиц» — атомов — они обосновывают фактом сушки мокрого белья на солнце и увлажнением платья на берегу моря, стиранием руки медной статуи у городских ворот, к которой прикладываются входящие в город, стиранием камней мостовой и т. д. Лукреций описал ярко и точно картину движения пылинок в солнечном луче, которой уподобляется хаотическое движение атомов. Им известны электрические и магнитные явления, впервые описанные Фалесом. Они наблюдали движения небесных светил и метеорологические процессы. Допуская единое происхождение всех небесных миров из атомов, Эпикур полагал, «что во всех мирах есть живые существа, растения и другие предметы, которые мы видим в этом мире». Движение небесных тел обусловлено не таинственными сверхъестественными существами, а «неукоснительным законом вращения небесных тел». Особенно тщательно они наблюдали метеорологические процессы, для которых также искали естественных .причин.
§ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФИЗИКИ
45
Объясняя происхождение молнии, Эпику-р указывал, что она может быть понята «без сказки». «А сказки не будет,—продолжает Эпикур,— если надлежащим образом следовать видимым явлениям и из них брать указания для объяснения невидимых». Основой метеорологических процессов Эпикур считает ветер. Например, облака могут образовываться «вследствие сгущения воздуха под давлением ветров». Но они могут также образоваться вследствие переплетения атомов и «собрания изменений (испарений) из земли и вод». Гром может быть обусловлен разными причинами: кручением воздуха в пустотах туч, вследствие гудения огня, наполненного ветром, внутри туч или трением туч. Разные причины могут вызвать и молнию: трение и столкновение туч, благодаря которому из туч вырываются сочетания атомов, порождающие блеск. Тучи могут собрать рассеянный свет, который потом сдавливается движением туч и ветра, через тучи могут процеживаться тонкие частицы огня, воспламенить их и вследствие движения огня производить гром. «Молния предшествует грому при таком строении туч, или потому, что одновременно со вторжением ветра в тучу выталкивается строение атомов, способное производить молнию, а потом ветер, крутясь, производит этот гул; или потому, что они оба одновременно выпадают из тучи, но молния движется к нам с более напряженной (с более стремительной) быстротой, а гром запаздывает, (приходит позже), подобно тому, как это бывает при некоторых предметах, наблюдаемых с расстояния и производящих какие-нибудь удары».
Подчеркнутое место показывает, что Эпикур допускал возможность различия скоростей света и звука и, вероятно, уже знал о скорости звука, на что указывает заключительное предложение. Ветры образуются вследствие проникновения посторонней материи и вследствие обильного скопления воды. Град образуется сильным замерзанием «ветристых тел», которые собираются и разделяются. Снег образуется, когда тонкая вода выливается из туч, вследствие сильного сдавливания ветрами, а затем замерзает вследствие холодности воздуха, лежащего ниже туч. Роса образуется выделением из воздуха частиц, способных «образовать тонкую сырость». «Лед образуется как вследствие вытеснения из воды частиц круглой формы и соединения находящихся в воде треугольных и остроугольных частиц, так и вследствие прибавления извне таких частиц, которые, сплотившись, доставляют замерзание воде, вытеснив некоторое количество круглых частиц». «Радуга образуется вследствие того, что солнце освещает водообразный воздух, или вследствие особенного смешения света и воздуха».
Мы не приводим дальнейших объяснений Эпикуром атмосферных и космических явлений. Сказанного выше достаточно, чтобы судить о характере этих объяснений. При всей их фантастичности, это все же попытки естественного объяснения явлений природы, опирающихся на наблюдения. В этом их огромное историческое значение: они указывали пуп науке, а не религии.
Большую роль в истории науки сыграла и философия Аристотеля. Знаменитый греческий мыслитель Аристотель (384—322 гг. до и. э.) жил после Демокрита и Платона, в переходный момент греческой истории, когда закончилась эпоха ее наивысшего внутреннего расцвета и началось интенсивное распространение греческой культуры за пределы Греции. После походов Александра Македонского, учителем которого, между прочим, был Аристотель, на развалинах созданной им огромной империи возникли новые, так называемые эллинистические государства на Ближнем и Среднем Востоке. Начиналась новая эллинистическая эпоха антич-
46
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Аристотель
ной культуры, нередко называемая Александрийской, по названию города, основанного Александром Македонским в дельте Нила.
Таким образом, деятельность Аристотеля завершала целый этап в развитии античной науки и культуры. Ему пришлось обобщить и подытожить достижения своих предшественников, что он и выполнил, создав подлинную научную энциклопедию своего времени. В этом огромная историческая заслуга Аристотеля.
Приводя в систему научные знания своей эпохи, Аристотель анализировал и самый процесс мышления, создав логику. Создание логики явилось второй крупнейшей заслугой Аристотеля.
Энциклопедичность Аристотеля и построенная им система логики обеспечили ему огромный авторитет не
только у современников, но и в течение длительного средневекового периода, когда философия Аристотеля господствовала почти безраздельно. Создателям новой опытной науки пришлось бороться со слепым преклонением перед авторитетом Аристотеля. Аристотель не принял материалистического учения Демокрита. Однако вместе с тем он не встал и на позиции своего учителя идеалиста Платона. Он занимал промежуточную колеблющуюся между материализмом и идеализмом позицию, склоняясь в конечном счете к идеализму. Такова, например, его концепция четырех причин, изложенная им в «Физике». Признавая объективное существование материи, Аристотель вместе с тем считает, что материя существует только как возможность, как «материальная причина» вещей. Наряду с этим существует вторая причина — форма, или «формальная причина». Вещь образуется из соединения материи с формой. Превращение возможности в действительность, материи в вещь осуществляется деятельным началом — движением, которое Аристотель называет действующей причиной. «Кроме того, причиной может быть цель; это значит «ради чего», например, причина прогулки—здоровье». Эта четвертая причина — цель, называемая конечной причиной, придает учению Аристотеля о причинах идеалистический, телеологический характер
В своей «Физике» Аристотель рассматривает также понятия пространства, времени и движения. Понятие пространства образуется из понятия «место», которое «представляет собой нечто наряду с телами, и всякое чувственно воспринимаемое тело находится в месте». Следовательно, место неразрывно связано с телами, существует вместе с ними. Чистого места без тел, пустоты в материальном мире не существует. Место является границей объемлющего тела, соприкасающегося с объемлемым. Только тогда тело находится в пространстве, когда оно соприкасается с другим телом, иначе тело нигде не находится. «Земля помещается в воде, вода в воздухе, воздух в эфире, эфир в небе, а небо уже ни в чем другом». Если понятие пространства неразрывно связано с понятием тела, то понятие времени неразрывно
§ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФИЗИКИ
47
связано с движением. Время есть своеобразная мера движения, «число движения по отношению к предыдущему и последующему». Этой мерой является равномерное круговое движение, «так как число его является самым известным. Ни качественное изменение, ни рост, ни возникновение не равномерны, а только перемещение. Оттого и время кажется движением сферы, что этим движением измеряются прочие движения и время измеряется им же».
Таким образом, время связано с реальными процессами и прежде всего с равномерным круговым движением. Не подлежит сомнению, что в этом определении Аристотеля обобщена длительная астрономическая практика, приведшая к разработке календаря и измерению времени.
Движение у Аристотеля — это изменение вообще. Он различает такие формы движения: 1) возникновение и уничтожение; 2) качественное изменение; 3) количественное изменение (рост и убыль); 4) перемещение.
Отвергая концепцию атомистов и ионийцев, Аристотель останавливается на концепции Эмпедокла и развивает ее. Все происходящие в природе изменения осуществляются борьбой четырех противоположных качеств: тепла и холода, сухости и влажности. Могут быть такие сочетания этих качеств: 1) тепло и сухость; 2) тепло и влажность; 3) холод и влажность; 4) холод и сухость. Этим сочетаниям соответствуют четыре элемента: огонь, воздух, вода и земля, из которых состоит весь видимый, или элементный мир. По Аристотелю, изменением первичных качеств можно разрушать и изменять элементы, осуществлять превращение веществ. Поэтому в мире не может существовать абсолютно неизменных и непревратимых тел. Металлы могут быть превращены в неметаллы и наоборот. Эта концепция Аристотеля стала теоретической базой средневековой алхимии.
Элементному миру Аристотель противопоставляет неразрушимый и вечный небесный мир, построенный из пятого начала — «квинтэссенции»— с первичным неизменным и неподвижным двигателем.
По Аристотелю, идеальным видом движения является равномерное круговое движение. Это движение и присуще небесным сферам, приводимым в движение перводвигателем. Что же касается «элементного» мира, то для него движения могут быть разбиты на две группы — естественные и насильственные. Естественные движения осуществляются под действием естественных начал, к которым Аристотель причислял начало тяжести и начало легкости. Тяжесть — это присущее телам стремление к центру мира, который полагается в центре Земли. Легкость—это свойство огня удаляться от центра. Все прочие движения являются насильственными. Тело само по себе не может прийти в движение — его надо толкнуть или подействовать на него как-нибудь иначе. Этот вывод Аристотеля соответствует первой части закона инерции. Однако Аристотель утверждает, что сила необходима и для продолжения движения. Такое заключение становится понятным, если вспомнить, что тяжелый груз, лежащий на поверхности Земли, останавливается, как только перестают его подталкивать. Но, с другой стороны, стрела, выпущенная из лука, продолжает лететь и после того, как действие толкнувшей ее тетивы прекратилось. Для объяснения этого Аристотель привлекал принцип «боязни пустоты»: при движении стрелы в освободившееся от нее место устремляется воздух и своими толчками побуждает стрелу к дальнейшему движению. Постепенно эти толчки ослабевают, и стрела естественным движением падает вниз. Аристотель подметил, что падение происходит с ускорением, считая это следствием усиления стремления к центру при
48
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
приближении к нему падающего тела. Так как скорость падения тел в обычных условиях для различных тел различна, то Аристотель принимал, что скорость падения увеличивается с тяжестью. Эти взгляды на движение и падение тел держались в науке до Галилея.
ФИЗИЧЕСКИЕ ЗНАНИЯ ГРЕКОВ
В период нерасчлененной науки физической науки еще не существовало. «Физика» Аристотеля была своеобразной философией природы, собранием некоторых общих идей и понятий «о сущем». Учитель Аристотеля Платон (427—347 гг. до н. э.) считал, что истинная сущность—это сами идеи, а вещи— только несовершенные копии идей. Платоновская «физика» сводилась таким образом к некоторым отвлеченным формам и отношениям, постигаемым даже не столько логикой, сколько внутренним созерцанием.
В эллинистический период характер античной науки изменился. Нерасчлененная античная наука стала дифференцироваться, из нее выделились астрономия, механика, математика, медицина. В философии господствовали эпигоны Аристотеля, усиливались идеалистические течения, преобладали этические проблемы. Наука теряла свой общедоступный характер, становиласьзамкнутой, кастовой, открытой лишь для немногих посвященных. Центром новой науки сделалась Александрия с ее музеем. Здесь была богатая библиотека, велись астрономические наблюдения. Ученых поддерживали египетские цари из династии Птолемеев, основателем которой был полководец Александр Македонский. В эту эпоху большое значение получила математика, а именно геометрия, превратившаяся из прикладной науки об измерении земли в логически строгую дисциплину.
Законченную форму геометрия приобрела у знаменитого александрийского ученого Эвклида (III в. до н. э.). Эвклид положил начало и геометрической оптике, которой посвящены два его трактата: «Оптика» и «Катоптрика». В «Оптике» излагаются основы учения о перспективе, в «Катоптрике» изучаются законы отражения света. Исходным пунктом геометрических построений Эвклида является закон прямолинейного распространения света и закон отражения. При этом Эвклид чертит лучи выходящими из глаза, становясь чисто формально на субъективную точку зрения существования зрительных лучей. Теорию зрительных лучей, с помощью которых глаз как бы ощупывает видимые им предметы, принимали пифагорейцы и Платон. Для формальных построений безразлично как чертить луч (принцип обратимости луча), поэтому выводы Эвклида сохраняют свое значение, несмотря на неправильность исходной предпосылки. Эвклиду известно фокусирующее действие вогнутых зеркал, однако точного положения фокуса сферического зеркала он не знает. Вогнутые зеркала дают как сходящиеся, так и расходящиеся пучки, выпуклые—только расходящиеся. Фокусирующее действие стеклянных шаров было известно до Эвклида. Эвклид описывает опыт с преломлением света: на дно кубка положено кольцо, глаз помещен так, что кольцо скрыто краями кубка. Не меняя положения глаза, в кубок подливают воду и кольцо становится видимым.
Отступая от хронологического порядка изложения, опишем дальнейшие результаты, достигнутые древними в изучении оптических явлений. Герои Александрийский (120 г. до н. э.) показал, что свет, распро-
§ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФИЗИКИ
49
страняясь от исходной точки до некоторой другой точки, претерпевая отражение от зеркала, проходит путь, требующий наименьшего времени, так что путь SMS', удовлетворяющий закону отражения, меньше другого любого пути SM'S' (фиг. 1—33). Клеомед (50 г. н. э.) описывает опыты с преломлением света, в том числе и опыт Эвклида с кольцом,
Фиг. 1—34. Преломление света по Птолемею.
и указывает, что луч света прн переходе из менее плотной среды в более плотную приближается к перпендикуляру к границе раздела, восстановленному в точке падения. При обратном переходе луч удаляется от перпендикуляра. Клеомед высказывает мысль, что Солнце при заходе остается видимым вследствие преломления лучей в атмосфере (рефракция).
Замечательный опыт, свидетельствующий, что и в эпоху неразвитого эксперимента древние умели производить точные наблюдения, осуществил знаменитый астроном Клавдий Птолемей (70—147). Прибор Птолемея представлял собой диск, в центре которого были укреплены две, могущие вращаться, линейки DM и СМ. Диск на половину погружался в воду. Установив линейку DM по определенному направлению, вслед за этим линейку СМ вращали так, чтобы она казалась продолжением DM. Измерения углов падения и преломления дали достаточно точные результаты:
Угол падения	0°	10°	20°	30°	40°	50'	60°	70°	80°
Угол преломления	0	8°	15,5°	22,5°	25°	35°	40,5°	45,5°	50°
Значения угла преломления, вычисленные из закона преломления	0е	7е 29'	14°54'	22°	28°49'	34с3'	40е 30'	4448'	4736’
Однако Птолемей не нашел точного закона преломления и утверждал, что угол преломления пропорционален углу падения.
Основной кинематической задачей, которую пришлось решать древним, была задача описания видимого движения планет. Эвдокс Книдский (405—355, гг. до н. э.) разработал кинематическую конструкцию из 26 сфер, сочетанием движений которых объяснялось видимое движение 3 II. С. Кудрявцев
50
ГЛАВА I. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
Птолемей
планет. Аристотель увеличил число сфер до 56.
ТолькоуАристар ха Самосского (ок. 310—230 гг. до н. э.) мы находим гениальную идею: принять за точку отсчета Солнце. «Он принимает,— писал об Аристархе Архимед, — что Солнце и неподвижные звезды находятся в покое, а Земля движется по кругу около Солнца, помещенного в центре этого круга». Однако учение Аристарха не было поддержано, а сам Аристарх был обвинен в безбожии. Греческие астрономы продолжали разрабатывать геоцентрическую систему. Математик Аполлоний Пергский (ок. 200 г. до н. э.) предложил систему эпициклов для описания движения планет. Планета движется по кругу, называемому эпициклом, центр которого движется по другому кругу — деференту — вокруг Земли, причем для отдельных планет допускалась эксцент
ричность деферента по отношению к Земле. Знаменитый астроном Гиппарх (160—125 гг. дон. э.), открывший прецессию полярной оси (предварение равноденствий) и составивший звездный каталог из 1022 звезд, также разрабатывал теорию эпициклов. Наконец, Клавдий Птолемей в своем сочинении «Великое построение», получившем большую известность в средние века под арабским названием «Альмагест», детально разработал геоцентрическую систему с большой точностью, согласовывавшуюся с тогдашними наблюдениями. Эта Птолемеева система мира безраздельно господствовала в течение всего средневекового периода.
Развитие астрономии и геометрии шло параллельно. Наконец, математический метод был введен и в механику. Заслуга в этом отношении принадлежала гениальному математику и инженеру древности Архимеду (287—212 гг. до н. э.). Архимед происходил из знатной семьи, отец его был родственником Сиракузского правителя Гиерона. Отец его — Фидий — сам незаурядный астроном и математик дал сыну хорошее воспитание. Архимед изучал Эвклида, был в Александрии и поддерживал постоянную связь с александрийскими астрономами и математиками. Архимед был не только гениальным математиком, но и талантливым конструктором машин и приборов. В частности, он сконструировал автоматическую модель движения небесных светил (планетарий) с водяным двигателем.
Сохранились восторженные рассказы древних историков (Плутарха, Полибия), в которых описывалось, как с помощью своих машин Архимед оборонял Сиракузы во время их осады римлянами. При взятии Сиракуз Архимед был убит, по преданию, во время размышления над геометрическими чертежами, начерченными на песке.
Как математик Архимед прославился тем, что решал труднейшие задачи на вычисление площадей и объемов криволинейных фигур. Эти задачи
§ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФИЗИКИ
51
Архимед
ныне решаются с помощью интегрального исчисления. Встречающееся в выражении длины и площади круга трансцендентное число л Архимед оценил, указав, что оно заключается между З1/, и 31с/71. Он нашел, что объемы конуса, шара, цилиндра одинаковой высоты и одинаковых радиусов оснований относятся, как 1 : 2 : 3. Оперируя при решении этих задач с бесконечно малыми элементами, Архимед подходит к идее сосчитать число песчинок, могущих заполнить ограниченную по тогдашним представлениям Вселенную, и находит для этого числа порядок 1063. В вычислениях Архимеда мы находим применение идей атомизма к математике. Начало этому применению было положено Демокритом, с успехом использовавшим математическую атомистику для борьбы с парадоксами Зенона Элейского. Математический атомизм
Демокрита и Архимеда был тем зерном, из которого впоследствии развилось исчисление бесконечно малых.
В механике заслуга Архимеда состоит в математической обработке начал статики. Многовековой опыт по поднятию и уравновешиванию грузов, по обращению с рычагами привел к эмпирическому выводу закона рычага и представлению о центре тяжести как такой точке, относительно которой уравновешиваются веса всех частей тела. Архимед в своем сочинении «О равновесии плоскостей» решает задачу математического определения центров тяжести плоских фигур. Он доказывает, что центр тяжести треугольника лежит на пересечении его медиан, отсюда он находит центр тяжести четырехугольника, разбивая его на два треугольника, и далее многоугольников и пирамиды. Кроме фигур, ограниченных прямыми линиями, он рассматривает ряд задач о нахождении центров тяжестей криволинейных фигур.
С исследованиями равновесия плоскостей теснейшим образом связана проблема равновесия рычага.
Обоснование закона рычага Архимед дал, исходя из следующих допущений:
1.	Равные грузы, действуя на равных расстояниях отточки опоры невесомого стержня, взаимно уравновешиваются.
2.	При неравенстве грузов, расположенных на равных расстояниях от точки опоры, перевешивает больший груз.
3.	При равных грузах, расположенных на неравных расстояниях от точки опоры, перевешивает отдаленный.
4.	Действие одного груза может быть заменено действием нескольких равномерно распределенных так, что центр тяжести занимает неизменное положение. Обратно, несколько равномерно распределенных грузов можно заменить одним, подвешенным в их центре тяжести и имеющим вес, равный сумме весов этих грузов.
3*
52	ГЛАВА I НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
5.	У неравных и подобных фигур центр тяжести расположен подобным образом.
Исходя из этих постулатов, Архимед доказывает закон рычага следующим образом. Пусть грузы А и В соизмеримы между собой и относятся, как целые числа (фиг. 1—35):
А___т
В п
Пусть, например, т = 5, п — 3. Делим груз А на 2m = 10 равных частей, груз В на 2/z = 6 равных частей и распределим их равномерно вдоль невесомого стержня длиной 2(т + п) единиц с точкой опоры Р посредине. По постулату 1 грузы будут в равновесии. Равновесие не нарушится, если 2m грузов соединить в один А, приложенный в их центре тяжести а. Но а отстоит от Р на расстоянии Ра = п единиц, а b отстоит от Р на расстоянии РЬ = т единиц. Таким образом, уравновешенные грузы А и В удовлетворяют условию:
Z __ РЬ
В~ Ра'
Р g <7 | mb
й di di Ц й й й й й,
2/Д	2л
Фиг. 1—35. К доказательству закона рычага.
Это и есть закон рычага. Архимед в дальнейшем распространяет его и на случай несоизмеримых грузов.
Логическое обоснование закона рычага нужно было Архимеду прежде всего для чисто математических целей. С помощью принципа рычага он решал сложнейшие задачи геометрии, ныне решаемые методом интегрального исчисления. Методом рычага 1 он нашел выражение для объема шара и площадь параболического сегмента.
Так уже в древности проявляется стимулирующее влияние техники на развитие, казалось бы, такой абстрактной области науки, как математика.
Обратимся теперь к другому результату Архимеда, к его знаменитому закону. Хорошо известен рассказ Витрувия об обстоятельствах открытия этого закона.
Восклицание Архимеда, открывшего закон: «Эврика!» (Нашел!), стало ходячим выражением. Витрувий рассказывает, что Архимед опытом проверил свое открытие. Конечно, не подлежит сомнению, что опыт натолкнул Архимеда на идею, и опыт дал ему возможность ее проверить. Более того, Архимед, несомненно, умел на опыте определять удельные веса; упоминают даже о поплавке, с помощью которого сравнивают удельные веса жидкостей (ареометр). Но, верный своему методу, Архимед стремится доказать закон математически, исходя из некоторых постулатов. В основу Архимед кладет следующую гипотезу о природе жидкости:
1 Ясное изложение метода Архимеда можно найти в книге Д. Пойа «Математика и правдоподобные рассуждения» (Изд. Иностранной литературы, М., 1957, стр. 183—187).
§ 3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФИЗИКИ
53
«Предполагается, что жидкость по природе своей такова, что при равномерном и непрерывном расположении ее частиц менее сдавленная частица вытесняется более сдавленной, и что отдельные частицы этой жидкости испытывают давление отвесно расположенной над ними жидкости, поскольку эта жидкость не замкнута в чем-либо или не испытывает давления со стороны какого-либо другого предмета».
Исходя из этой гипотезы, Архимед показывает, что поверхность покоящейся жидкости должна быть сферой, центр которой совпадает с центром Земли. В самом деле, если бы этого не было, то не могло бы быть равновесия: одни части жидкости были бы сдавлены больше, чем другие, что, согласно постулату, привело бы к перемещению менее сдавленных частиц.
Эта теорема у Архимеда играет основную роль. Отсюда он последовательным рассуждением получает свой закон, сформулированный им в следующих предложениях:
«Предложение VI. Твердые тела, которые легче жидкости, будучи погружены в жидкость, стремятся кверху с силой, равной превышению веса жидкости, взятой в объеме этих тел, над весом самих тел.
Предложение VII. Тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в жидкость, погружаются все глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своем весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объеме этих тел».
В лице Архимеда механика древних достигла кульминационного пункта. К его результатам последующие авторы не прибавили нового, а в средние века они были утрачены, и архимедово учение о плавании тел было заменено учением схоластов о том, что плавание тел обусловлено их формой. В дальнейшем Галилею пришлось восстанавливать в правах Архимеда в спорах со схоластами.
Практика Архимеда, сочетавшего строгую математическую теорию с механическими приложениями, указала путь последующим математикам и инженерам древности, в частности Герону. В связи с этим следует отметить эволюцию во взглядах на механику и изобретения в конце Александрийской эпохи, обусловленную прогрессом техники и процессом разложения рабовладельческого общества. Математик Папп Александрийский, живший в конце III в. или начале IV в. нашей эры, писал:
«Благодаря тому, что механическая наука применяется в жизни в очень серьезных вещах, она очень высоко ценится философами, а математики занимаются ею с особенным усердием, потому что она раньше всего знакомит нас с учением о природе, материи и элементах мира».
При этом Папп различает теоретическую, или рациональную, механику, которая заключает в себе «геометрию, арифметику, астрономию и физические демонстрации» и практическую, которая «должна обучать искусству бронзовщика, рабочего по железу, строительному и столярному искусству, а также живописи и всему тому, что касается ручного труда».
Папп говорит, что «последователи Герона» указывают, что изучивший хорошо теорию и овладевший ремеслом «будет впоследствии лучшим изобретателем (и конструктором) в области механики».
Таким образом, жизнь ломала рабовладельческие предрассудки, требовала все более конкретных знаний и математика с философских высот Платона спускалась в обсерваторию астронома и мастерскую конструктора. Жизнь взломала и самый рабовладельческий строй.
54
ГЛАВА I НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ФИЗИКИ
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Греки разработали воззрение на природу в целом и усвоили взгляд о взаимосвязи явлений природы. Им не хватало достаточных сведений о частностях, они не могли еще дойти до детального анализа явлений. В подробностях они оказывались неправы, и науке предстояло сделать новый шаг в направлении изучения законов природы в деталях.
Но первоначальные наивные представления греков о мире, как целом, содержали в себе глубокое зерно истины — ив этом существенный смысл и значение античной философии.
2.	В области точных наук за древними остается заслуга в разработке геометрии, астрономии и статики. Были сделаны первые шаги и в области геометрической оптики, остальные разделы не вышли из состояния зачаточных, отрывочных, эмпирических сведений.
Физика на первом этапе ее развития была философией природы. Ее метод был методом отвлеченных рассуждений, базирующихся на первичном наблюдении, на непосредственном созерцании.
В ее теориях правильные догадки нередко сочетались с фантастическими построениями.
3.	Несмотря на ограниченный характер античной науки, обусловленный самим общественным строем, продуктом которого эта наука являлась, значение античного периода в истории наук чрезвычайно велико. У древних в зачаточном виде мы встречаем основные формы философских и физических воззрений, развитие которых происходило на последующих этапах научного прогресса.
ГЛАВА ВТОРАЯ
ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
§ 1. ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Феодальное общество является более прогрессивным и предоставляет большие возможности для развития производительных сил по сравнению с рабовладельческим, поскольку основной производитель материальных благ феодального общества — крепостной крестьянин, в отличие от раба, становится заинтересованным в повышении производительности своего труда.
В многовековой истории развития феодального общества (с конца V в. до XVIII в.) можно выделить три периода с характерным для каждого из них уровнем производительных сил.
Первый период (с конца V в. по первую половину XI в.), получивший наименование раннего средневековья, характеризуется незначительным разделением труда в системе натурального хозяйства, когда все потребные общественным единицам (усадьбам феодалов, монастырям, селам) продукты производились внутри этих единиц, а товарообмен носил случайный характер и обусловливался местными особенностями, определявшими отличия в характере производимых продуктов.
Второй период (со второй половины XI в. до конца XVI в.), получивший наименование позднего средневековья, характеризуется ростом городов, формированием национальных государств, углублением различий между городом и деревней, организацией обмена продукции сельского хозяйства на продукцию городского ремесленного производства. Кадры ремесленников, пополняемые за счет крепостных, переведенных на денежную повинность, значительно возрастают и специализируются по изготавливаемому продукту: суконщики, башмачники, оружейники, портные и т. д.
Специалисты-ремесленники объединились организационно в цехи, складывавшиеся из отдельных производственных единиц, возглавляемых и руководимых специалистом высшей квалификации — мастером, являвшимся владельцем орудий производства данной производственной единицы. Работавшие под руководством мастера подмастерья отличались от мастера степенью овладения профессией. На низшей ступени овладения профессией стоял ученик, выполнявший в производственном процессе роль двигателя при несложных технологических машинах: воздуходувных мехах, мешалках, дробилках и т. п.
Третий период (от конца XVI в. до последней трети XVIII в.), получивший наименование периода первоначального накопления капитала, характеризуется возникновением и усилением в недрах феодального общества капиталистических отношений. Географические открытия увеличили рынок
56
ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
сбыта и источники сырья. Возникает острая потребность во всемерном увеличении выпуска промышленных товаров для широко развившейся торговли. Увеличение производства промышленной продукции могло быть осуществлено за счет вовлечения в сферу промышленного производства громадного количества работников и за счет повышения производительности труда. При цеховом способе производства рост производительности ручного труда был незначителен, а привлечение новых работников задерживалось крайне длительным сроком овладения профессией.
Решение задачи было найдено в применении широкого разделения труда между участниками производственного процесса. Так, например, при изготовлении экипажей отдельным работникам поручается изготовление отдельных частей экипажа: колесных спиц, втулок, осей, рессор, кузова и т. д. При изготовлении одного предмета работник, во-первых, может в более короткий срок овладеть приемами изготовления, а во-вторых, может работать более производительно, приспосабливая свой труд и инструмент к более узкому кругу производственных процессов. Еще более значительный эффект дает разделение труда на отдельные производственные операции. Например, при изготовлении гвоздей процесс производства, состоящий из ряда последовательных операций, поручается нескольким работникам, причем на долю каждого из них падает только одна операция: протяжка проволоки, резка проволоки, высадка головки, образование острия, отделка. Такое сужение производственных функций рабочего заключает в себе три возможности: быстрое обучение рабочего; повышение производительности труда; возможность передачи упрощенной рабочей операции машине. Так широкое пооперационное разделение труда подготавливает предпосылки к возникновению парка технологических машин, заменяющих искусные руки рабочего.
Быстрая подготовка рабочего при глубоком разделении.труда устраняет необходимость в ученике, как будущем рабочем. А функция ученика как двигателя передается более мощным двигателям, работающим за счет энергии неорганической природы, в первую очередь водяному колесу. В соответствии с увеличением мощности двигателя увеличиваются и ранние технологические машины: воздуходувные мехи, толчеи, дробилки и т. п., работающие теперь на большой коллектив рабочих.
Так сложилась новая форма промышленного производства, получившая наименование мануфактуры, что означает «ручное производство».
Мануфактурное производство действительно оставалось ручным. В нем получили применение энергетические машины, заменившие живой двигатель; транспортирующие машины (воздуходувки, насосы). Но технологические машины либо только частично заменяли функции рабочего (прялка, ткацкий станок), либо производили бесформенный полупродукт (дробилки, мешалки, краскотерки и т. п.). Наиболее ранним видом технологической машины, дающей продукцию установленной формы и размеров без участия рук рабочего, явилась лесопильная рама, распиливающая бревна на доски. Но эта машина готовила не продукт потребления, а материал для дальнейшей работы над ним.
Мануфактурное производство является переходным видом производства, в котором сложилась капиталистическая организация труда, капиталистические производственные отношения, возник новый общественный класс — пролетариат, возникли предпосылки к переходу производства на новую стадию развития, к машинному производству.
§ 1. ' ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
57
РАЗВИТИЕ ОРУДИЙ ТРУДА
В развитии ручных орудий труда в феодальный период был достигнут значительный прогресс. Этот прогресс прежде всего был обусловлен применением материала более высокого качества и методами его термической обработки. Вырос ассортимент ручных орудий.Сложились комплекты ручных орудий (инструментов) применительно к той или иной профессии: столярные, плотничные, швейные, слесарные и т. д. Большее развитие получили сложные орудия, начался процесс возникновения новых видов транспортных и первых энергетических машин. Наконец, в системах многообразных ме-
Фиг. 2—1. Поворотный подъемный кран с подвижной тележкой.
ханизмов складывались условия для становления технологических машин, полностью заменяющих тренированные руки рабочего.
Транспортные машины в феодальный период получили значительное развитие.
Подъемные краны (фиг. 2—1) обслуживают достаточно широкую площадь вокруг крана; поворот стрелы и движение по ней тележки позволяет обслуживать любую точку в объеме цилиндра, размеры которого определяются высотой подъема груза и радиусом перемещения тележки.
Разрабатываются конструкции специализированных подъемных кранов: для подъема сыпучих тел, для расчистки дна гаваней и другие.
В отличие от рабовладельческого периода, когда в качестве универсальной энергетической «машины» использовался только раб, теперь все чаще намечаются тенденции к использованию для привода подъемных устройств животных или энергии неживой природы. На фигуре 2—2 показан рудничный подъемник с конным приводом и фрикционным тормозным
58
ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
устройством, управляемым рабочим вручную. На фигуре 2—3 показано использование мельничного ветряного двигателя для подъема мешков с зерном. Там, где представлялось возможным, для движения подъемных устройств привлекалась энергия водных потоков.
Значительное развитие получили водоподъемные машины. Для откачивания воды из глубоких рудников и шахт устраивали насосные установки, состоящие из нескольких поршневых насосов (фиг. 2—4), расположенных последовательно для того, чтобы избежать высокого давления в трубах, изготавливавшихся из дерева. Такие насосные установки приводились в действие лошадьми или от водяных колес. Помимо поршневых насосов.
Фиг. 2—2. Рудничный подъемник с конным приводом и фрикционным тормозом.
применялись ковшевые элеваторы (фиг. 2—5), черпаковые машины, четковые, в которых подъем воды производился движущейся по вертикальной трубе-цепочкой из кожаных шаров —-поршней.
Фиг. 2—3. Ветряная мельница с подъемником для мешков.
Необходимость увеличения количества и высоты поднимаемой воды остро поставила вопрос о мощном двигателе и послужила впоследствии основной базой для начального развития паровых машин.
Развитие технологических машин шло по нескольким направлениям. Первое направление заключалось в укрупнении машин с ростом потребности в их продукции. С объединением ремесленников в артели, с укрупнением цеховых производственных единиц и особенно с развитием мануфактурного производства различные простейшие технологические машины, приводившиеся в действие учеником (песты, дробилки, терки, воздуходувные мехи и т. п.), выросли по величине и потребовали более мощного двигателя. На фигуре 2—6 показан привод группы пестов для размола бумажной массы от водяного колеса, на фигуре 2—7 — от водяного колеса ппиводятся два воздуходувных меха, на фигуре 2—8 — бегун дробильной мельницы.
Фиг. 2—4. Рудничный водоподъемник с последовательно установленными насосами и общим приводом.
Фиг. 2—5. Ковшевой рудничный водоподъемник-элеватор с ручным приводом.
Фиг. 2—6. Песты для размола бумажной массы с приводом от водяного колеса.
Фиг. 2—7. Привод от водяного колеса к двум возцуходувным мехам посредством вращающихся кулаков.
60
ГЛАВА I Г. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Подобных примеров можно привести множество, и все они свидетельствуют об одном: развитие производства привело к увеличению технологических машин, к росту числа действовавших в них мехов, пестов и т. д. «Увеличение размеров рабочей машины, — писал Маркс,—и количества ее одновременно действующих орудий требует более крупного двигательного механизма, а этот механизм нуждается в более мощной двигательной силе...» 1
Таким образом, первая линия развития технологических машин — их укрупнение—ставила вопрос о привлечении энергии неорганической природы.
Второе направление развития технологических машин заключалось
в постепенном освобождении работника от технологических функций про-
Фиг. 2—8. Дробильная мельница с приводом бегуна от водяного колеса.
изводственного процесса. В рассматриваемый период это освобождение еще не достигло той полноты, когда рабочий целиком передает свои технологические функции машине и начинается эра машинного производства, но передача части функций весьма существенна, как подготовка к машинной технике. Эта подготовка в ряде случаев доходила до того, что оставалось передать машине последнюю, иногда достаточно несложную, операцию ручного труда. Так, например, предшественником ткачества было плетение. Плетение корзин, циновок, головных уборов из стеблей растений разного вида производилось без машин и орудий, исключительно искусными пальцами работника. Затем возникло первое приспособление, получившее название простейшего вертикального ткац
кого станка, хотя в нем по существу можно видеть то же плетение, только несколько организованное путем фиксированного положения и натяжения нитей основы. Разделение одной группы нитей плетения от другой, нитей основы от нитей утка — вот первый шаг от плетения к ткачеству. Затем (см. фиг. 1 —13) был сделан следующий шаг в организации технологического процесса ткачества, при котором четные нити основы периодически изменяли угол по отношению к нечетным нитям основы, что позволило челноку перемещаться по прямой. Развитие ткацкого станка в феодальный период не только упорядочило движение нитей основы, обеспечив выравнивание и нажим протянутой нити утка после каждого хода челнока, но и передало работу привода ногам человека (фиг. 2—9, 10, 11). Теперь ноги человека выполняли простейшую энергетическую функцию двигателя, которую легко заменить работой машины. Руки человека, движущие челнок, выполняли технологическую функцию, но настолько упрощенную, однообразную, равномерную, что возникала возможность передачи и этой функции машине.
Приведенный пример показывает, как процесс развития технологической машины, постепенно упрощая операции рабочего, готовит возмож-
К. Маркс, Капитал, т. 1, Госполитиздат, 1955, гл. XIII, стр. 382.
§ 1. ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
61
ность замены его машиной. Подобный процесс можно проследить у многих машин, причем для большинства из них характерно приведение разнообразных технологических движений к простейшей форме: к прямой или окружности.
Фиг. 2—10 Работа на ручном ткацком станке.
Третье направление развития технологических машин заключалось в изыскании новых машин, новых технологических процессов. Осваивается
62
ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Фиг. 2—11. Ручной ткацкий станок. (Государственный исторический музей. Москва.)
волочение проволоки на волочильных досках, прокатка свинцовых прутков для оконных переплетов на прокатных станах (фиг. 2—12), правка листов на катках (фиг. 2—13), сверление пушек на сверлильных станках (фиг. 2—14), нарезка винтов на токарных станках (фиг. 2—15) и многие другие операции, для осуществления которых строятся все новые и новые станки.
Фиг. 2—12. Детали и общий вид станка, прокатывавшего свинцовые прутки для оконных переплетов.
§ 1 ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
63
Фиг. 2—13. Каток для правки листов металла с конным приводом.
Создание разнообразных станков подготавливало почву для последующего перехода к машинному производству, когда технологическая машина примет на себя все технологические функции рабочего, оставив за ним выполнение только контрольных и логических функций.
Фиг. 2—14. Сверлильные станки для высверливания каналов в пушечных стволах:
а — с ручным приводом; б — с приводом от водяного колеса; в — различные пушечные сверла.
64	Г Л А В A I I. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Характерным примером замены технологических функций работника машиной может служить сложившееся в феодальный период устройство для распила бревен на доски (фиг. 2—16). Если лесопильная рама не начала машинного производства, то главным образом потому, что ее продукция — материал, полуфабрикат, а не готовый продукт.
По той же причине не начал машинного производства и станок Леонардо да Винчи для насечки напильников (фиг. 2—17) хотя этот станок может служить прекрасным примером машины, в которой искусные
Фиг. 2—15. Схема раннего винторезного токарного станка с приводом от опускающегося груза:
1 — обрабатываемая деталь; 2 — груз, приводящий деталь во вращение; 3 — ходовой винт, приводимый в движение грузом 4; 5 —«'брус, передающий усилие резцу под действием грузов 6 и 7; 8— канат для подъема грузов 2 и 4, 9—скоба-подножка для опускания резца; 10 — резец.
руки рабочего, насекавшего напильники при помощи молотка и зубила, заменены машиной, способной выполнять ту же работу и быстрее, и лучше.
Громадное значение для развития машин в феодальный период сыграли зерновые мельницы. Потребовавшие изыскания энергии с самого своего возникновения в силу большой энергоемкости процесса размола, они постепенно высвободились от мускульного привода в рабовладельческом обществе, где энергия раба являлась самым дешевым видом привода. Начиная с IV в. водяное, а с X в. ветряное колеса все шире и шире применяются для привода мукомольных жерновов. При этом разрабатывают, ся системы и детали привода: валы, колеса, зацепления, подшипники и другие. Вызывая к жизни сложные механизмы, мельница вместе с тем ставила ряд задач по работе этих механизмов, механике и математике.
§ I. ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
65
ЭНЕРГЕТИКА ФЕОДАЛЬНОГО ПЕРИОДА
Развитие технологических и подъемных машин определило необходимость обращения к неживым источникам энергии, когда живые двигатели оказались не в состоянии справляться со все возраставшей потребностью в механической энергии.
Одним из наиболее простых и ранних применений энергии водных потоков явилось удовлетворение потребности в орошении посевов. Здесь
Фиг. 2—16. Лесопильная рама.
Вал от водяного колеса, не показанного на рисунке, движет вверх и вниз раму с пилой и через систему рычагов н храповое колесо передает поступательное движение распиливаемому брусу.
вода служила и потребителем энергии — поднимаемым грузом, — и генератором энергии, отдавая часть своего движения на работу водоподъема. Вода сочетает в себе свойства потребителя и генератора энергии, поэтому водоподъемное колесо, при простоте его устройства, является наиболее ранней формой гидропривода. Сочетание в одном несложном агрегате и подъемной, и энергетической машин не требовало никаких передаточных систем, что определило жизненность конструкции, применяемой в ряде стран и в наши дни.
Несколько более сложным было применение водяного колеса для одного из основных потребителей водной энергии — зерновых мельниц. В отличие от водоподъемника, в данном случае между жерновом и водяным колесом,
66
ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
необходимо было соорудить передаточный механизм, осложнявшийся тем, что в силу естественных условий водяное колесо должно вращаться вокруг горизонтальной, а жернов — вокруг вертикальной оси (фиг. 2—18).
Стремление избегнуть сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к изысканию водяных двигателей с вертикальным валом для привода мельничных поставов. Для того чтобы струя воды, направляемая на лопатку колеса, вращающегося вокруг вертикальной оси, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Вход струи на плоскую лопатку с большой относительной скоростью приводил к сильному разбрызгиванию воды, и для того
чтобы избежать разбрызгивания, начали применять изогнутые лопатки. Так возник прототип современных активных гидравлических турбин (фиг. 2—19).
Рис. 2—17. Станок для насечки напильников Леонардо да Винчи (1503 г.).
Опускающийся груз приводит в движение молот-зубило и через цевочное зацепление и ходовой винт перемещает стол с обрабатываемой заготовкой.
Фиг. 2—18. Привод от водяного колеся к двум мельничным поставам.
От главного вала, соединенного с водяным колесом, движение посредством передаточных колес передается вертикальным валам двух мельничных жерновов.
Обращение к водным потокам как источникам механической энергии все возрастало, что прежде всего вызвало новый подход к их использованию. Ранний подход в виде установки колеса в свободном потоке воды (фиг. 2—20 и 21, а), сопоставимый с методом присвоения от природы, все более и более заменялся методом воздействия на природу путем сооружения плотин, сводивших естественное падение горизонта потока, растянутое на много километров, к одному пункту, где можно было использовать всреднебойных(фиг. 2—21, б) или верхненаливных	2—21, в)колесах.
В сооружении водяных колес был достигнут значительный успех. Немецкий ученый Георг Бауэр (Агрикола, 1494—1555) дал описание
§ 1. ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
67
реверсивного водяного колеса (фиг. 2—22), применявшегося для подъема руды из рудника. В 1582 г. пущена в работ} на р. Темзе Лондонская водоподъемная установка, приводимая в движение от пяти подливных водяных колес диаметром от 6 до 7 м и поднимавшая в сутки 18 000 м" воды. В 1685 г. на р. Сене во Франции была сооружена водоподъемная установка для питания водой фонтанов, состоявшая из 14 подливных колес диаметром 12 м, приводивших в действие 235 поршневых насосов, поднимавших в сутки 3000 м:< воды на высоту 162 м. В середине XVIII в. на Алтае К. Д. Фролов соорудил уникальную гидросиловую установку для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установку представляла собой каскад с последовательным использованием воды на колесах, наибольшее из которых имело диаметр 17 м (фиг. 2—23).
Фиг. 2—19. Водяное колесо с ковшеобразными лопатками — прототип активной водяной турбины.
Фиг. 2—20. Водоподъемное колесо.
Приводимое во вращение водным потоком колесо поднимает воду в сосудах, размещенных на ободе колеса.
С распространением технологических машин (XV—XV I вв.) все большее распространение получает и водяное колесо, в связи с чем назревает кризис гидроэнергетики. Этот кризис является следствием того, что источники гидравлической энергии не могут быть перемещены с тех мест, где они предоставлены самой природой. Рост производства вызывал потребность в энергии в местах нахождения сырьевых ресурсов, в промышленных населенных пунктах, далеко не всегда совпадавших по своему местонахождению с источниками водной энергии.
В условиях натурального хозяйства раннего средневековья энергопотребление ограничивалось приводом зерновых мукомольных мельниц. Для размола зерна, взращенного на каком-либо земельном массиве, всегда можно было изыскать источник водной энергии, достаточный для размола этого зерна в радиусе, определяемом экономической целесообразностью гужевых перевозок.
Применение водяных колес для привода воздуходувных мехов доменных печей затруднялось тем, что далеко не всегда три необходимых элемента производства: руда, топливо и источник водной энергии—находились в одном
Фиг. 2—21. Типы водяных колес:
а — свободное; б — среднебойное; е — верхненаливное.
$ 1. ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
69
и том же месте. В силу нетранспортабельное™ гидроисточника приходилось транспортировать к нему горючее и руду, что значительно удорожало производство металла.
Применение водяных колес для откачивания воды из шахт и рудников, все более необходимое с ростом глубины последних, могло быть осуществлено только в том случае, когда оба нетранспортабельных элемента производства: рудник или шахта и водный источник — находились в одном месте. При отсутствии этого условия применение водяного колеса совершенно исключалось. Попытки использования для целей водоподъема энергии ветра (фиг. 2—24) не давали удовлетворительного решения задачи вследствие крайней неравномерности силы ветра, хотя в отдельных странах, как например в Нидерландах, ветросиловые установки при водяных насосах успешно применялись.
Кризис гидроэнергетики наиболее остро проявился в решении
Фиг. 2—22. Рудничный подъемник с реверсивным водяным колесом.
Подачей воды на одну из двух систем лопастей на ободе водяного колеса достигается вращение последнего в разные стороны.
задачи водоподъема, что наложило свой отпечаток на последующее развитие энергетики.
Нетранспортабельность водной энергии, делающая ее местной, ло-
калькой энергией, является следствием того, что вода как носитель энергии обладает крайне низкой емкостью. Так, при напорах в 5, 10, 20 м 1кг воды обладает соответственно только 5, 10, 20 кГм энергии.
Поэтому кризис гидроэнергетики вызвал изыскания такого источника энергии, который бы легко транспортировался от места его нахождения в природе в любую заданную географическую точку. Таким источником оказалась теплота, аккумулированная в природном и чрезвычайно энергоемком топливе. В каждом килограмме топлива (в среднем по всем его видам) сконцентрирована энергия порядка 3 000 000 кГм, а перевозя
топливо, мы перевозим эту энергию.
Концентрированная энергия нужна была развивающемуся транспорту. Гужевой транспорт с ростом товарных отношений все хуже справлялся с возросшим объемом перевозок. На реках основным «двигателем» была конная или бурлацкая тяга. Суда дальнего плавания не могли перегружать себя громоздким «живым двигателем» — гребцами. Парусные суда (фиг. 2—25 и 2 -26) совершали далекие путешествия, но капризы ветра делали плавание ненадежным и нерегулярным.
70
ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Техника развивается на основе познания законов природы. Люди, создававшие теплоэнергетику, не мыслили возможности получения механической работы за счет сгорания топлива. Оли стремились найти механическую энергию («силу» по представлениям того времени) в ее непосредственных проявлениях в природе. И наличие таких «сил» было подсказано открытием
Фиг. 2—23. Гидросиловая установка К. Д. Фролова:
1 — плотина; 2 — труба длиной 443 м; 3 — канал длиной 96 м; 4— водяное колесо диаметром 4,3 м; 5 — лесопильная рама; 6 — отвод воды к Преображенскому руднику; 7 — канал длиной 128 м; 5 — водяное колесо диаметром 4,3 м; 9 — рудоподъемник Екатерининского рудника; 10— канал длиной 64 м; 11 — водяное колесо диаметром 17 м; 12 — штанга 45 м; 13— насосы Екатерининского рудника, поднимающие воду на высоту 213 м; 14 — канал длиной 320 м; 15— водяное колесо диаметром 15,6 м: 16 — спуск воды. Общая длина пути воды 2300 м; 17— насосы Вознесенского рудника, поднимающие воду на 115 м; 18— водоподъемник Вознесенского рудника, поднимающий воду на 60 м.
некоторых явлений и процессов природы, сыгравших существенную роль в становлении теплоэнергетики.
К числу этих открытий относится прежде всего открытие атмосферного давления итальянским ученым Торричелли в 1643 г. Магдебургские опыты Отто Герике обратили внимание на «громадную силу» атмосферного давления, а наличие атмосферного давления и его «силы» повсюду воодушевляли искателей, видевших в этой «силе» заменителя локальной гидравлической энергии.
§ 1. техника феодального общества
Фиг. 2—24. Ветросиловая насосная установка. (Рисунок из старинной арабской книги.)
Работа ветряного колеса через систему зубчатых колес передается качающейся кулисе, от которой приводятся в движение поршни двух горизонтально расположенных насосов.
Опыты итальянца Порта делла Джамбатиста (1601 г.) наглядно продемонстрировали возможность подъема воды, то есть решения одной из самых острых задач эпохи, путем давления пара на воду. В 1623 г. француз Саломон де Ко также показал возможность подъема воды под действием «страшной силы» пара, получаемого кипячением воды в закрытом сосуде.
Было известно и тепловое расширение жидкостей и газов, уже использовавшееся для целей измерения температуры. Опыты с наполненным воз-
72
ГЛАВА 11. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Фиг. 2—25. Одна из трех каравелл Колумба «Св. Мария» (1492 г.) (Модель.)
духом бычьим пузырем, то подносимым к огню, то охлаждаемым холодной водой, указывали на легкую возможность использования огня и воды, как широко распространенных в природе факторов искусственного создания сред с высокой и низкой температурой.
Стремление использовать «силу атмосферы», «силу пара» или «силу воздуха» вело в конечном счете к использованию теплоты, к становлению теплоэнергетики. Эти стремления, основанные на познании некоторых явлений и процессов природы, дали возможность использовать эти познания для возникновения новой области энергетики.
Становление теплоэнергетики длилось около трех четвертей века и за это время прошло несколько характерных ступеней становления: 1) тепловая установка единичного назначения, в которой двигатель конструктивно слит с орудием, 2) тепловая установка узкого назначения, в которой двигатель конструктивно отделился от орудия, но не стал обособленным техническим объектом; 3) тепловой двигатель сложился в обособленную энергетическую машину, способную обслуживать разнообразные силовые потребности промышленности и транспорта (универсальный двигатель).
В феодальный период тепловой двигатель прошел два первых этапа своего становления; третий этап относится к периоду промышленного переворота (1765—1830) и будет рассмотрен позднее.
§ 1. ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
73
Фиг. 2—26. Крупная торговая парусная джонка — китайское судно южных морей (Модель.)
л Единичное назначение теплового двигателя на первом этапе его развития вытекает из самих условий возникновения двигателя под требованием, наиболее остро проявившимся в частной сфере энергетической потребности— в рудничном и шахтном водоподъеме. Поэтому ранние попытки создания теплового двигателя как двигателя, независящего от местных условий, были направлены на решение задачи о водоподъеме. Первым устройством такого рода, получившим практическое использование и обобщавшим в себе попытки ряда предшественников, является устройство, на которое англичанином Севери в 1698 г. был получен патент.
В водоподъемнике Севери (фиг. 2—27) пар из котла 2 через открытый кран 4 поступал в камеру 1 и вытеснял из нее воду через нагнетательный клапан 6 при закрытом всасывающем клапане 7 в верхний резервуар 5.
Затем кран 4 закрывался и камера 1 поливалась холодной водой из специального резервуара. Пар в камере конденсировался, образовывалось разрежение, и под действием атмосферного давления камера 1 заполнялась водой через всасывающий клапан 7. Затем цикл повторялся.
Соприкосновение пара с холодной водой в камере, являющейся одновременно и двигателем, и насосом, приводило к крайней неэкономичности
14
ГЛАВА Г I. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
установки, использующей на работу водоподъема только 0,5% от энергии топлива. Тем не менее острая нужда в двигателе для откачивания воды из рудников и шахт привела к некоторому распространению установки Севери. Более того, Севери предлагал использовать ее с водяным колесом. Такая комбинированная силовая установка (фиг. 2—28) давала возможность водяному колесу, способному приводить в движение любую машину, работать там, где создавался искусственный водопад за счет энергии сжигаемого привозного топлива. Эта установка представляет большой ин
Фнг. 2—27. Паровой водоподъемник Севери:
1 — камера; 2 — паровой котел; 3 — трубка для контроля уровня воды в котле; 4 — кран; 5 — верхний резервуар; 6 — нагнетательный клапан; 7 — всасывающий клапан.
Фиг. 2—28. Схема комбинированной парогидравлической установки:
1 — паровой котел, 2 — кран; 3 — вытеснительная камера; 4 — всасывающий клапан; 5~ нагнетательный клапан; 6 — водоприемный желоб; 7 — водяное колесо; 8 — водоподъемная труба; 9 — нижний резервуар; 10— резервуар охлаждающей воды.
терес в связи с повторением подобной комбинации в современной энергетике на новом, неизмеримо более высоком уровне развития. В комбинированной установке XVIII в. высококонцентрированная в топливе энергия (3 000 000 кГм/кг) привлекается как транспортабельная составляющая установки для того, чтобы создать разность потенциалов малоемкой водной энергии. Подобно этому в XX в. высококонцентрированная в уране или тории (8 000 000 000 000 кГм:кг) ядерная энергия привлекается как еще более транспортабельная составляющая для того, чтобы создать разность потенциалов менее энергоемкой теплоты.
Второму этапу становления теплового двигателя предшествовала работа ряда ученых и изобретателей. Энгельс писал: «Паровая машина была первым действительно интернациональным изобретением... Паровую машину изобрел француз Папин, но в Германии. Немец Лейбниц... подсказал ему
§ 1. ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
75
при этом основную идею: применение цилиндра и поршня» \ Можно указать также, что идея применения цилиндра и поршня, позаимствованная из практики водоподъемных насосов, лежала в основе попыток построения теплового двигателя голландским ученым Гюйгенсом Ц681 г.), аббатом Готфей л ем (1678—1682).
Фиг. 2—29. Паровая водоподъемная установка Ньюкомена— Коули:
1 — паровой котел; 2 — цилиндр; 3 — поршень; 4 — паровпускной кран; 5— резервуар охлаждающей воды; 6 — водоподводящая трубка; 7 — трубка для спуска конденсата; 8— балансир; 9 — рычажный предохранительный клапан с грузом; 10 — аккумулирующий груз; 11—верхний конец шахтной насосной штанги.
Большая заслуга П а п е н а состоит в том, что он, исследуя возможности работы пара в полости цилиндра, ограниченной подвижным поршнем, впервые правильно описал последовательность процессов работы парового двигателя (1690 г., описано в книге, изданной в 1698 г.). Однако машина Папена была неработоспособна, поскольку все необходимые процессы парового двигателя (образование пара, получение работы и конденсация пара) в его опытах производились в одном агрегате-цилиндре с поршнем. Последующая история развития парового двигателя — это отделение от цилиндра сначала котла, а потом конденсатора.
В установке Севери цилиндр был уже отделен от двигателя, но сам двигатель был объединен с насосом, поверхность воды в котором служила поршнем для двигателя. Применение поршня позволило сделать существенный шаг вперед в обособлении двигателя от орудия. Этот шаг, характерный
1 Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 81.
76	Г Л А В A I I. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
для второго этапа становления теплового двигателя, удобно проследить на водоподъемной установке Ньюкомена — Коули.
В данном случае изобретатели также исходили из потребности откачивания воды из рудников, причем эта потребность воспринималась ими в конкретной форме замены лошадей или водяного колеса в приведении в действие рудничных насосов. Задача сводилась к необходимости периодически поднимать длинную насосную штангу, выходящую на поверхность земли; опускалась штанга под действием собственного веса. Таким образом, насос простого действия, установленный на дне шахты, требовал от двигателя периодической отдачи энергии, что хорошо согласовывалось с периодичностью работы пара в полости двигателя.
При опускании под действием собственной тяжести насосной штанги 11 и груза 10 поршень 3 (фиг. 2—29) поднимался и в освобождающееся под ним пространство через открытый кран 4 поступал пар из котла /, где давление не превышало наружного, атмосферного давления. При достижении поршнем верхнего положения кран 4 закрывался и открывался доступ в полость цилиндра холодной воде из резервуара 5 по трубке 6. Пар конденсировался, в цилиндре образовывалось разрежение, и под действием атмосферного давления поршень перемещался вниз, производя подъем насосной штанги.
Отделение двигателя от насоса давало возможность изменять отношение их диаметров и получать высокое давление в насосе при низком давлении в двигателе, а следовательно, поднимать воду с больших глубин при низком давлении пара в котле, что имело громадное значение при неразвитой технологии котлостроения.
Насосы описанной конструкции применялись свыше 90 лет, хотя возможности их использования были весьма ограничены, так как насосы отдавали работу прерывно. Однако они подготовили условия для следующего шага в развитии теплоэнергетики — становления универсального двигателя.
МЕТАЛЛУРГИЯ и металлообработка
Основным достижением металлургии феодального периода явился переход от периодического кричного к непрерывному доменному процессу получения черного металла.
Кричный процесс, осуществлявшийся в кричных горнах (сыродутных печах), позволял получать не более 50 кг металла в сутки в виде «крицы» — тестообразной массы железа, смешанного с большим количеством шлака, подлежащего удалению путем многократной последующей проковки. Каждый цикл процесса сопровождался разборкой горна для выемки крицы, новой закладкой и обмуровкой и давал в готовом металле не более 30% его содержания в руде; остальная часть терялась в шлаках.
Потребность в металле стимулировала повышение производительности кричных печей, которой стремились достичь за счет интенсификации дутья путем замены «живых двигателей» — людей—водяными колесами. Такая замена позволила увеличить высоту печей до нескольких метров и повысить производительность печи до 1 т в сутки с уменьшением вдвое отходов металла в шлаках.
Дальнейшая интенсификация работы сыродутных печей привела к тому, что в XVII в., когда печи достигли высоты 8 м, а количество подаваемого воздуха возросло в 15 раз с увеличением давления дутья в 3—4 раза, печи вместо крицы железа стали выдавать металл в виде жидкого чугуна. Перио-
§ 1. ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
77
Фиг. 2—30. «Молотовой амбар». (Тульские заводы XVII в. Реконструкция.) Водяные колеса приводят в действие воздуходувные мехи и кузнечный молот.
дический выпуск жидкого чугуна из печи, получившей название домны, и непрерывная ее загрузка сверху рудой и горючим привели к непрерывному процессу получения металла, многократно увеличившему выпуск продукции.
Постепенно были освоены приемы использования чугуна в виде отливок, а также приемы получения из чугуна железа и стали путем выжигания из него избыточного углерода при перемешивании.
Во второй половине XVIII в. в Англии было внедрено новое топливо для металлургических процессов — каменноугольный кокс, позволивший уменьшить истребление леса и повысить высоту домны, так как более твердый, чем древесный уголь, кокс способен выдерживать не раскрошиваясь большую нагрузку от руды и топлива.
В технике обработки металлов также произошел значительный прогресс. Литье, ранее применявшееся в технологии медных сплавов, получило новое и широчайшее применение в технологии чугуна. Освоению чугунного литья в сильной степени способствовало производство артиллерийского вооружения: пушек и ядер к ним. Отливка пушечных стволов и последующая сверловка и расточка их каналов подготавливали условия для осуществления обработки основного элемента будущих универсальных двигателей— цилиндров паровых машин.
Ковка — первичный вид обработки стальных и железных изделий — получила развитие благодаря применению молотов, приводимых в действие водяными колесами (фиг. 2—30).
Холодная обработка металлов осуществлялась преимущественно вручную, за исключением сверления пушечных стволов при помощи водяных
78
ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
колес. Ручной металлорежущий инструмент усовершенствовался за счет улучшения качества стали и методов ее термической обработки. Основным инструментом являлся напильник с перекрестной насечкой, представленный во многих формах и размерах.
Токарная обработка, получившая довольно широкое распространение для точения по дереву, в металлообработке почти не применялась в силу слабости станков и привода. Сверление отверстия производилось вручную при помощи коловоротов и трещоток.
Продуктами металлообрабатывающего производства являлись: оружие всех видов, орудия труда (топоры, серпы, косы, пилы, лопаты и т. д.); металлические детали строительства (шарниры, петли, навесы и т. д.); экипажи, сбруи; замки, предметы домашнего обихода, (утварь, подсвечники, кухонный инвентарь и т. д.).
В нашей стране металлообработка в феодальный период достигла высокого расцвета. В 1654 г. в Москве был отлит колокол весом 130 т, а в 1735 г. отец и сын Материны отлили царь-колокол весом около 200 т. Царь-пушка, отлитая в 1596 г. Андреем Чеховым, весит 40 т. По заказу английского правительства в Москве были отлиты колокола, установленные в Лондоне на колокольне Вестминстерского аббатства.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Основной производитель материальных благ феодального периода— крепостной крестьянин в отличие от раба был заинтересован в повышении производительности своего труда, а следовательно, и в усовершенствовании орудий, чем объясняется ускорение технического прогресса.
2.	Возникновение мануфактурного способа производства способствовало складыванию капиталистических производственных отношений и создавало предпосылки к переходу на машинное производство на основе глубокого пооперационного разделения труда.
3.	Феодальный период характерен развитием не только транспортных, но технологических и энергетических машин, подготавливавших основу перехода к машинному производству.
4.	Энергетика феодального периода характеризуется ростом гидроэнергетики, возникновением ее кризиса вследствие зависимости от локальных условий и медленным становлением теплового двигателя, не зависящего от локальных условий, но еще не получившего универсальности по техническому применению.
5.	В развитии металлургии черных металлов произошел скачок благодаря переходу к непрерывному доменному процессу. Для металлообработки характерно освоение литья чугуна, применение гидропривода для ковки и сверления, развитие ручного инструмента.
§ 2. ФИЗИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Если развитие техники в условиях феодализма происходило непрерывно с постепенно нараставшими темпами, то развитие естественных наук носило иной характер. В Европе после длительного застоя в эпоху раннего средневековья наука начала развиваться в университетах и монастырях, но в крайне искаженной форме, будучи подчиненной нуждам богословия. Энгельс писал: «Средневековье развилось на совершенно примитивной основе.
§ 2. ФИЗИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА	79
Оно стерло с лица земли древнюю цивилизацию, древнюю философию, политику и юриспруденцию, чтобы начать во всем с самого начала. Единственным, что оно заимствовало от погибшего древнего мира, было христианство и несколько полуразрушенных, утративших всю свою прежнюю цивилизацию городов. В результате, как это бывает на всех ранних ступенях развития, монополия на интеллектуальное образование досталась попам, и само образование приняло тем самым преимущественно богословский характер» Е
В этом богословском образовании не было места не только Демокриту и Эпикуру, ио и идеалисту Платону. Единственное исключение делалось для Аристотеля, у которого, по словам Ленина, «поповщина убила... живое и увековечила мертвое» * 2. Учение Аристотеля о четырех причинах об элементном и небесном мире сделалось догматом, а сам Аристотель получил название «предтечи христа в истолковании природы».
Что же касается точных наук, сочинений Эвклида, Архимеда, Герона, то они были основательно забыты и, может, погибли бы бесследно, если бы ие цивилизующая роль средневекового Востока. Одной из важнейших особенностей развития культуры в средневековый период является крупнейший вклад в это развитие стран Дальнего и Среднего Востока: Китая, Индии, Хорезма, Арабского халифата. В эпоху раннего средневековья эти страны жили напряженной жизнью, наложившей глубокий отпечаток на всю историю человеческой культуры.
РАЗВИТИЕ НАУКИ ВОСТОКА
В Китае феодальные отношения стали господствовать уже в период так называемой Ханьской империи с конца II в. до н. э. В эту эпоху были установлены торговые связи между Китаем и Средней Азией (великий шелковый путь), развивались ремесло, наука и искусство. В 105 г. Ц а й Лунь впервые изготовил бумагу из тряпья и древесной коры. Из Китая бумага проникла в Корею и Японию, в Среднюю Азию и Персию. С XII в. она проникает в Европу. С III в. н. э. в Китае начинается производство фарфоровых изделий, достигшее впоследствии высокого уровня.
С древнейших времен в Китае употреблялись для письма камень и бронза. После изобретения бумаги тексты книги стали высекать па камне и перепечатывать на бумаге. Развилось литографское искусство. CVH в. н. э. начинается процесс печатания с гравированных досок, в 1041 — 1048 гг. кузнец Би Шэн изобрел книгопечатание подвижным шрифтом.
С X в. китайцы употребляли порох для фейерверков, в XI в. он получил применение в военном деле. Высокого уровня достигло кораблестроительное искусство и мореплавание. В книгах, относящихся к концу XI и началу XII в., встречаются указания на использование компаса при кораблевождении. Как уже упоминалось в первой главе, компас был известен еще в рабовладельческий период.
В период Танской династии (618—906) предметы китайского производства пользуются мировой известностью. В Среднюю и Центральную Азию, Корею, Японию. Индокитай вывозятся шелк, фарфор, бумага, картины, железные изделия.
’К- Маркс и Ф. Э п г е л ь с, Сочинения, т. 7, Госполитиздат, 1956, стр. 360.
2 В. И. Ленин, Сочинения, т. 38, Госполитиздат, 1958, стр. 365
80
ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Высокого уровня развития достигли в Китае математические и астрономические знания. В 132 г. китайский астроном Чжан Xэн изобрел первый в мире сейсмограф для определения направления эпицентра землетрясения. Сейсмограф Чжан Хэна представляет собой бронзовый сосуд с расположенными по его окружности восемью изображениями пастей дракона, в пастях находятся шарики. Против драконов на земле располагаются восемь жаб с открытыми ртами (фиг. 2—31). Внутри сосуда помещен вертикальный упру-. гий маятник в виде стержня с шариком. Нижнее основание
Фиг. 2—31. Сейсмограф Чжан Хэна.	стержня укреплено на дне со-
суда. С восьми сторон в стенках сосуда помещены коленчатые рычаги, с помощью которых открываются пасти драконов. Под влиянием сейсмической волны стержень наклоняется и ударяется в колено соответствующего рычага. Пасть дракона открывается, и заключенный в ней шарик падает, попадая в рот жабы. Это дает возможность определить направление, откуда пришел сейсмический толчок.
В III в. М а Цзюнь изобрел сухопутный компас. В это же время был изобретен прибор для измерения пройденного повозкой расстояния.
Больших успехов добились китайские математики: Чжан Ц а н (первая половина II в. до н. э.), Цзин Ч о у - ч а н (I в. н. э.), Сунь Ц з ы (II в. н. э.), Л ю X у э й (III в. н. э.), Ц з у Чун-чжи (430—501), Ван Сяо-тун (первая половина VII в.), Цинь Цз ю-ша о (VIII в.). Чжан Цан и Цзин Чоу-чан излагали метод решения системы уравнений первой степени и оперировали впервые в истории алгебры с отрицательными величинами. Они же впервые описали способ извлечения квадратного и кубического корня, решали с помощью квадратных уравнений задачи геометрического характера, основанные на применении так называемой теоремы Пифагора.
Сунь Цзы разработал метод решения неопределенных уравнений, описанный в книге «Девять отделов математики» (1247 г.) математика Цинь Цзю-шао. В этой же книге описан метод Ван Цзяо-туна решения геометрических задач, приводящих к кубическому уравнению, аналогичный известному в высшей алгебре методу Горнера (1819 г.). Цинь Ц з ю-ш а о применил этот метод и к решению уравнений четвертой степени. Лю X у э й применил подобие треугольников для определения недоступных расстояний, 355
Цзу Чун- чжи получил для к приближенное значение -у|у-
В XI—XIV вв. китайские математики Цз я Сянь, Ян Хуэй, Чжу Ши-цзе учили извлекать корни степени выше второй, вычислять биноминальные коэффициенты, знали арифметический треугольник.
§ 2. ФИЗИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
81
В Китае велась и философская борьба. В конце VI — начале V в. до н. э. возникло этико-политическое учение Конфуция, в V—IV в. до н. э. — учение МоЦзи, в IV—III в. до н. э. — учение о «дао», как основе всего сущего. В III—II в. до н. э. Чжоу Янь учил, что мир состоит из пяти элементов: воды, огня, дерева, металла и земли. Это учение в дальнейшем приобрело мистическую окраску. Во II в. до н. э. Л ю А н ь и его последователи учили о «первоначальном жизненном эфире» как основе Вселенной. Легкая и чистая часть этого эфира образует положительное начало — небо, тяжелая и мутная — отрицательное — землю. Смешение и изменение этих начал образует все материальные вещи. Идею о происхождении всех вещей из жизненного эфира развивал позднее Ван Ч у н (27—97). В природе нет преднамеренности и целесообразности, вещи происходят из эфира сами собой. Природу следует познавать путем опыта, а истину — путем доказательств.
В XI—XII в. борьба материализма и идеализма развернулась в рамках так называемой «ортодоксальной школы». Так Чжоу Дань-и (1017— 1073) рассматривал с материалистических позиций образование Вселенной из первоначального хаоса, состоящего из положительного, или мужского, начала и отрицательного, или женского. Путем смешения и взаимодействия этих начал произошли пять элементов: вода, огонь, дерево, металл и земля, из которых состоят все вещи. В дальнейшем первоначальные материалистические воззрения ортодоксальной школы утрачивались и развивались идеалистические концепции, в связи с развитием и обострением классовой борьбы в Китае.
Из сказанного следует, что в период раннего европейского средневековья Китай жил богатой культурной жизнью. Его вклад существенно обогатил мировую культуру.
В Индии в период с IV в. до н. э. по VIII в. н. э. были накоплены важные сведения из области математики, астрономии, медицины и т. д. В философской школе Вайшика возникли идеи атомизма. Математические знания индийцев изложены в книгах «Сурья-Сиддханта» (IV—V вв.) и трудах Ариабхаты (род. 476), Брамагупты (598—ок. 660), Бхаскар а-а к а р и а (род. 1114) и др. Индийцы разработали систему нумерации с употреблением знака нуль (встречается в книге «Сурья-Сиддханта»), В это же время они умели извлекать квадратные и кубические корни, суммировать арифметические ряды и геометрическую прогрессию, решать неопределенные уравнения второго порядка. В «Сурья-Сиддханта» есть таблица синусов, у Ариабхаты дается значение к = 3,1416. Ариабхата высказал мысль о вращении Земли, имеющей форму шара, вокруг своей оси. Индийцы знали о разнице продолжительности дня и ночи в различных широтах, в «Сурья-Сид-дханте» сообщается об астрономических познаниях Ассирии и Рима. Искусством наблюдать положение небесных светил индийцы обладали с древнейших времен.
Большую роль в развитии культуры сыграли и страны Средней Азии. К IX в. н. э. в Мервском оазисе значительно развились хлопководство и шелководство, в долинах Зеравшана и Кашка-Дарьи возделывались пшеница, ячмень и рис, в Фергане добывались каменный уголь, железо, медь. Ферганское оружие и изделия из меди служили предметом экспорта.
Высокого уровня достигла торговля. Через Среднюю Азию шли караванные пути в Персию, Китай, Багдад, Поволжье. Караванная торговля способствовала возникновению таких городов, как Мерв. Бухара,
4 П. С. Кудрявцев
82	ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Самарканд. Здесь возникли крупные сооружения: мечети, дворцы, создавались произведения искусства. В Бухаре была прекрасная библиотека. В городах Ургене, Самарканде, Бухаре, Кяте строились обсерватории, оборудовались астрономические школы. Выдающимися учеными были хорезмийцы Мухаммед бен Муса аль Хорезми (IX в.) — создатель алгебры , Абу-Рейхан, Бир у ни (973—1048)—астроном, географ и минералог и таджик Абу- Али ибн Сина (А в и ц’е н н а, 980—1037)—философ, медик и естествоиспытатель.
Бируни принадлежат большие заслуги как в области практической, так и сферической и физической астрономии. В области практической астрономии им был создан прибор для определения направления сторон света, названный им индийским кругом, затем большой квадрант в 15 локтей диаметром (около 7,5 м). С помощью этого квадранта Бируни определял высоту светил с точностью до 2". Им была усовершенствована астролябия или армиллярная сфера. При решении задач сферической астрономии Бируни широко пользовался тригонометрией. Он определил угол наклона эклиптики к экватору и, найдя его равным 23°35'45", исследовал его вековые изменения. По расчетам Бируни этот наклон уменьшается на 52",6 за сто лет. В 1020 г. Бируни вновь определил угол наклона эклиптики и нашел его равным 23°34'0". Это число он считал наиболее точным. Действительно, современные подсчеты дают для 1020 г. значение 23°34'0",45. Бируни производил также измерения радиуса Земли. Он производил эти измерения во время путешествия в Индию, где разработал метод определения радиуса Земли по видимому понижению горизонта.
По подсчетам Бируни радиус Земли оказался равным 1081,66 фарсанга (1 фарсанг = 3 арабским милям), окружность Земли — 20 400 арабским милям и длина 1° — 56,6 мили. Арабская миля составляла 4000 локтей. В XX в. было установлено, что арабский локоть составлял 49,33 см, таким образом, арабская миля составляла 1927 м, а длина 1° земной окружности по измерениям Бируни равнялась 111,6 км. Современное значение 111,1 км. Бируни дал формулы для вычисления широты места, которые впоследствии приписывались Тихо Браге, и разработал метод определения долгот. Определения долгот, произведенные Бируни по его методу, очень точны.
В области физической астрономии замечательны наблюдения Бируни над изменением цвета Луны во время лунного затмения и солнечной короны во время полного солнечного затмения. В своей «Минералогии» он точно определил удельные веса минералов и металлов, учил об историческом развитии земной поверхности. Особенно важно, что Бируни высказывал мысль о движении Земли вокруг Солнца. Он считал, что геоцентрическое учение «представляет многие и большие затруднения». Возражения, что при движении Земли камни и деревья падали бы с нее, он опровергает указанием на свойство Земли притягивать тела к центру. Это мнение он заимствует у знаменитого индийского астронома Брамагупты. Индийскую науку Бируни изучал глубоко и всесторонне и познакомил с ней ученых Востока в своей книге «Индия» («Точное изложение индийских представлений как удобно принимаемых, так и опровергаемых разумом»), написанной им в 1030 г. Из 80 глав этой книги 40 посвящено астрономии. Знакомя ученых Средней Азии с достижениями индийской науки, Бируни в свою очередь перевел на санскритский язык «Начала» Эвклида, «Альмагест» Птолемея, свой трактат об астролябии. Так этот замечательный ученый
§ 2. ФИЗИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
83
способствовал распространению научных знаний и развитию культурных связей между народами.
Большую роль в распространении научных знаний и культуры Востока сыграли арабы. Это были подлинные «разносчики культуры» в эпоху раннего средневековья. Арабский язык также часто встречался в научных трактатах, как арабские серебряные диргемы в торговле. Завоевав Александрию, арабы познакомились с достижением античной науки. Распространение власти арабского халифата на Среднюю Азию позволило им ознакомиться с достижениями и культуры Востока. Так образовался тот сплав античной и восточной науки, который известен в истории под именем арабской науки.
Центром этой науки в Европе стал университет в Кордове, после завоевания Испании арабами. От арабов Европа узнала китайские изобретения: бумагу, компас, порох, индийскую десятичную систему счисления, астрономию и математику хорезмийцев, Аристотеля и Птолемея в арабских переводах, медицину Авиценны. Вместе с тем от арабов Европа узнала и о «тайных науках»: алхимии, астрологии, магии, расцветших пышным цветом в суеверном и невежественном средневековом мире.
Наиболее значительную роль в истории физики сыграл выдающийся египетский ученый Ибн-аль - X а й с а м (965—1039), известный под искаженным латинским именем Альгазен. Основные его работы относятся к оптике. Он впервые подробно изучил оптику глаза. Глаз Альгазен считает составленным из четырех перепонок и трех жидкостей, важнейшей (жидкостью) является хрусталик. В хрусталике, по Альгазену, получается изображение. То, что зрение двумя глазами дает одно изображение предмета, объясняется соединением обоих зрительных впечатлений в одно с помощью общего зрительного нерва.
Альгазен рассматривает плоские, сферические (выпуклое и вогнутое), цилиндрические и конические зеркала (также выпуклые и вогнутые). Им была сформулирована задача: найти точку зеркала, из которой луч, идя от данной точки, попадает в глаз (задача Альгазена).
В вопросе о преломлении света Альгазен дополняет наблюдения Птолемея законом о том, что в плотной среде преломленный луч приближается к перпендикуляру в точке падения: падающий и преломленный лучи находятся в одной плоскости с перпендикуляром. Он разработал также метод измерения углов преломления и показал, что угол преломления не пропорционален углу падения.
Альгазен знает увеличительное действие шарового сегмента (плоско-выпуклой линзы), хотя он говорит только о наблюдении, относящемся к случаю наложения линзы плоской стороной на предмет.
Альгазену известно понятие угла зрения и его зависимости от расстояния. Он объясняет увеличение размеров Солнца и Луны при их приближении к горизонту (заходе и восходе) обманом чувств. Именно в этом случае земные предметы, находящиеся между глазом и светилом, создают впечатление увеличения расстояния и, следовательно, впечатление увеличения пред мета.
В сочинениях Альгазена впервые упоминается камера-обскура.
Интересна попытка Альгазена определить высоту атмосферы по продолжительности сумерек. Несмотря на неточность расчета, указанную впоследствии Кеплером (предположение однородности атмосферы), самый принцип Альгазена является одним из первых достижений метеорологической оптики.
4*
S4	Г Л А В Л I I. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
О механике арабов мы можем судить по сочинению аль-Хазини (XII в.) «Книга о весах мудрости» (1121 г.) х. Это книга о весах с равноплечим коромыслом и чашками. На коромысло этих весов нанесены деления, чашек всего пять, из них некоторые подвижные. Вследствие этого весы могут употребляться как безмен, и с помощью одной подвижной чашки вес груза можно определить без гирь. Чашки могут быть подвешены одна под другой для взвешивания в воде, следовательно, весы могут быть использованы в качестве гидростатических. С помощью этих весов аль-Хазини (продолжая исследования Бируни) добился изумительных результатов в определении удельного веса.
Особенно интересно, что аль-Хазини сумел установить зависимость удельного веса воды от температуры.
Далее он указывает, что закон Архимеда о потере веса тел в жидкости применим к воздуху. Так как воздух имеет вес, то плотность его увеличивается по мере приближения к поверхности Земли. Поэтому вес тел будет изменяться на различных высотах: чем выше, тем он будет больше (речь идет о кажущемся весе тел). Аль-Хазини известно, далее, что вес тела пропорционален количеству вещества (массе) и что скорость измеряется отношением пути ко времени.
В области натурфилософии наиболее значительную фигуру представляет Ибн-Рошд (Аверроэс, 1126—1198), комментатор Аристотеля. В своем толковании Аристотеля Аверроэс приходит к принципу вечности мира и материи, к отрицанию непосредственного влияния бога на материю, к сомнению в истинности Птолемеевой системы мира.
Церковь считала учение Аверроэса опасным.
Таким образом средневековый Восток внес свой вклад в развитие мировой науки и культуры.
РАЗВИТИЕ НАУКИ В ЕВРОПЕ
Хотя экономическое развитие в эпоху раннего феодализма шло медленно, все же переход к более прогрессивной форме общественного производства начал осуществляться и на Западе. Сельское хозяйство становилось все более продуктивным и разнообразным, развивалось ремесло, которое, наконец, отделилось от сельскохозяйственного производства, и вместе с тем в Европе возникли центры ремесла и торговли — средневековые города. С возникновением городов пульс общественной жизни ускорился, экономическое развитие пошло более быстрыми темпами. Города вместе с феодалами и церковью поддержали крестовые походы, ставившие своей целью получить доступ к сказочным богатствам Востока. Вместе с тем города являлись центрами антифеодального движения, очагами выступлений против господствующей церкви (так называемых «ересей»). Они активно вмешивались в борьбу светской и духовной власти. Идеологическая борьба принимала все более насыщенный и напряженный характер, в городах возникли университеты (XII в.), пробудился интерес к философии. С университетских кафедр излагалось теперь учение Аристотеля, правда, приспособленное церковью для своих нужд. И хотя церковь оставляла за собой право на обладание высшей истиной, все же в университетской среде возникло стремление освободиться из-под эгиды богословия.
1 Эта книга была найдена и опубликована русским востоковедом Ханыковым.
§ 2. ФИЗИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
85
Большое значение в развитии философской мысли имел спор о природе общих понятий. Так называемые «реалисты» учили, следуя Платону, что общие понятия, идеи существуют реально, а конкретные вещи представляют собой только признаки идей, их несовершенные копии. «Номиналисты» учили, что общие понятия—только имена, обозначения конкретных вещей, представляющих единственную подлинную реальность. Маркс называл номинализм первичной формой материализма в эпоху средневековья. Стремясь освободить мысль от контроля богословия, номиналисты выдвинули тезис о существовании двух истин: истины, основанной на божественном откровении и потому не доказуемой, и истины, находимой работой разума, которая может и не совпадать с первой. Это учение о двух истинах сыграло1 известную прогрессивную роль, как первый этап борьбы за освобождение науки и философии от ига богословия. Но церковь отнеслась непримиримо и к этой робкой попытке.
Она осудила и сожгла сочинения сторонника учения о двух истинах номиналиста Вильгельма Оккама (около 1300—1350), а самого Оккама отлучила от церкви.
Все же благодаря этим дискуссиям, а также изучению хотя и искаженной античной философии университетское образование сыграло известную роль в подготовке научного мировоззрения.
Однако важнейшей предпосылкой опытного естествознания явилось развитие техники в эпоху развитого феодализма.
Энгельс писал:
«Когда после темной ночи средневековья вдруг вновь возрождаются с неожиданной силой науки, начинающие развиваться с чудесной быстротой, то этим чудом мы опять-таки обязаны производству. Во-первых, со времени крестовых походов промышленность колоссально развилась - и вызвала к жизни массу новых механических (ткачество, часовое дело, мельницы), химических (красильное дело, металлургия, алкоголь) и физических фактов (очки), которые доставили не только огромный материал для наблюдений, но также и совершенно иные, чем раньше, средства для экспериментирования и позволили сконструировать новые инструменты. Можно сказать, что собственно систематическая экспериментальная наука стала возможной лишь с этого времени» К
Несомненно, что в развитии технических изобретений большую роль сыграла (как и в ознакомлении с античной наукой) связь с Востоком. Энгельс указывает в числе причин, ускоривших темп развития средневековой культуры, «массу изобретений», добавляет в скобках «и импорт изобретений с Востока». Оттуда европейцы импортировали такие важнейшие изобретения, как компас (XII в.), порох (XII—XIII вв.), бумага (XII— XIII вв.), механические часы.
Механические часы представляли собой систему колес, приводимых в движение падающим грузом. Для обеспечения равномерности вращения применяли крылатку, позже изобрели приспособление, называемое билянцем. В XIII—XIV вв. такие часы распространяются во многих городах Европы в качестве башенных часов. В XV в. появляются портативные часы с пружиной. В XIII в. появились очки, явившиеся предпосылкой будущих оптических инструментов.
Исключительно важное значение для науки и просвещения в Европе имело изобретение книгопечатания (1440 г.). Книга из предмета роскоши
1 Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 145—146.
86
ГЛАВА II. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
превратилась в могучий фактор человеческой культуры. В XIII в. появляются переводы сочинений Архимеда, в том числе трактат «О равновесии плоскостей», перевод сочинения по механике «О тяжелом и легком», приписываемого Эвклиду, переводы арабских механических трактатов. В конце этого века появляются сочинения, приписываемые Иордану Неморарию. В этих сочинениях механика трактуется в духе «Механических проблем» перипатетической школы х. Вместе с тем обсуждаются и новые проблемы: равновесие коленчатого рычага, наклонная плоскость, однако правильного решения этих задач еще не найдено. Тем не менее Не-морарий сделал важный шаг, введя понятие «тяжести по положению», которое означает, что ускорение падения будет зависеть от наклона пути, по
которому тело падает.
Роджер Бэкон	g том же XIII в. мы встречаемся
с исключительной личностью — Роджером Бэконом (1214—-1294) — провозвестником опытного естествознания. Воспитанник Оксфордского университета, широко образованный человек, глубоко изучивший античные и арабские рукописи, Бэкон вел неутомимую борьбу с суевериями, разоблачая лежащее в их основе невежество. «Если бы пред незнающим того, что магнит притягивает железо, произнести, прежде чем сделать опыт, заклинания и заговоры, то они никак не приписали бы явление естественному притяжению». Он выступает против слепого преклонения перед авторитетами, бичует нравы духовенства и монахов. Свыше двадцати лет просидел он в тюрьмах, выйдя после вторичного заключения на свободу уже 74-летним стариком.
Бэкон учил, что истинное знание добывается опытом. «Два есть способа познания: чрез аргументы и чрез опыт. Аргумент приводит к заключению и нас заставляет заключать о вопросе, но он не дает удостоверения, не устраняет сомнения — дабы душа успокоилась в созерцании истины, пока эта истина не будет найдена путем опыта».
Сам Бэкон неутомимо экспериментирует. Он находит состав пороха, нашел способы получения фосфора, магния, висмута, изучал действия пара. Много он занимался оптикой, знал действие узких отверстий (принцип камеры-обскуры), изучал действие сферических зеркал. Он нашел, что лучи, отраженные этими зеркалами, не собираются в одной точке, т. е. открыл сферическую аберрацию. Он объяснил возникновение радуги преломлением в дождевых каплях, советовал людям со слабым зрением прикладывать к глазу выпуклую линзу. Бэкон предсказывал, что развитие научного эксперимента приведет к величайшим техническим изобретениям.
1 Перипатетиками назывались последователи Аристотеля.
§ 2. ФИЗИКА ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
87
«Расскажу о дивных делах природы и искусства, в которых нет ничего магического. Увидим, что все могущество магии ниже этих дел и недостойно их. Можно сделать орудия плавания, идущие без гребцов, суда речные и морские, плывущие при управлении одним человеком скорее, чем если бы наполнены были людьми. Также могут быть сделаны колесница без коней, движущаяся с необычайной скоростью... можно сделать летательные аппараты: человек, сидящий в средине аппарата, помощью некоторой машины двигает крыльями наподобие птичьих... прозрачные тела могут быть так обделаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными и наоборот, так что на невероятном расстоянии будем читать малейшие буквы и различать мельчайшие вещи, а также будем в состоянии усматривать звезды, как пожелаем».
Бэкон не был исключением. Опытное естествознание XIII в. уже выдвигало людей, понимавших значение эксперимента и наблюдения естественных явлений. В 1269 г. вышло сочинение Петра Перегрина из Ма-рикура «Книга о магните». В этом сочинении Петр Перегрин ' описывает многие факты магнетизма: наличие двух видов взаимодействий, наличие двух магнитных полюсов (Перегрин вводит обозначения: северный и южный полюсы), невозможность отделения полюсов механическим разламыванием. Он устанавливает факт намагничения железа на расстоянии (магнитную индукцию) и до Гильберта производит опыт с намагниченным шаром и стрелкой. Отметим также оптика В и те л л о (XIII в.), установившего обратимость светового пучка при преломлении. Пример Роджера Бэкона, Петра Перегрина и Вителло показывает, что в средневековой науке начался переход к опытному естествознанию. Но этот переход не был эволюционным. Опытное естествознание родилось в обстановке «всеобщей революции», необходимые предпосылки которой были созданы в эпоху развитого средневековья.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА И РАННИХ БУРЖУАЗНЫХ РЕВОЛЮЦИЙ (1500 — 1765 гг.)
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Развитие ремесла, переход к мануфактурному производству, развитие торговли, образование национальных и межнациональных рынков подточили устои феодального общества. Из среды городских ремесленников-предпринимателей и купцов сформировался новый класс — буржуазия, вступившая в борьбу против феодальных привилегий, возглавившая общее недовольство народных масс феодальным гнетом. Идеологической опорой феодальной системы была католическая церковь.
Поэтому выступления народных масс против феодальных порядков сопровождались выступлениями против католической церкви, сломившими в конечном счете ее духовную диктатуру. Религиозные и политические революции XVI—XVII вв. дополнились научной революцией, в результате которой возникло современное опытное естествознание и прежде всего физика. Об этой эпохе Энгельс писал: «Это был величайший прогрессивный переворот из всех пережитых до того человечеством, эпоха, которая нуждалась в титанах и которая породила титанов по силе мысли, страсти и характеру, по многосторонности и учености» Г
Люди этой эпохи совершали великие путешествия, открывая новые земли и океаны. В 1492 г. Колумб открыл Америку, в 1498 г. Васко да Г а-м а, обогнув Африку с юга, проложил морской путь в Индию, в 1519— 1522 гг. экспедиция Магеллана осуществила первое кругосветное путешествие.
Эти великие географические открытия, вызванные экономическими предпосылками, а именно потребностью в новых рынках для растущей европейской торговли, обусловили потребность в точных астрономических знаниях, обеспечивающих надежное кораблевождение. С астрономией тесно переплетались задачи механики и оптики, и именно в области этих наук и совершилась научная революция, начатая Коперником, Галилеем и Кеплером, продолженная Ф. Бэконом и Декартом и завершенная Гюйгенсом и Ньютоном Но уже раньше, во второй половине XV в., стала ощущаться потребность в новых методах в науке, в новом подходе к явлениям природы. Люди все больше и больше сознавали, что учение церкви и средневековых ученых о том, что вся истина заключена в известных книгах церковных авторитетов, несостоятельно, что это учение расходится с жизнью, противоречит опыту, практике. Все чаще и чаще раздаются голоса, указывающие на необходимость обраще
Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 4.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
89
ния в поисках истины к опыту и разуму. Наука подняла восстание против ига религии и это восстание происходило в обстановке всеобщей революции народных масс против феодализма и его идеологической опоры — католической церкви.
Революционные выступления против феодализма и католической церкви начались в Центральной Европе. Мы должны прежде всего отметить Нидерландскую буржуазную революцию, направленную против испанского владычества.
В XVII в. Голландия была богатым государством, соперничавшим в морской торговле с Испанией и Англией. В стране создались благоприятные возможности для развития культуры. Голландия XVII в. создала замечательную реалистическую школу живописи во главе с гениальным художником Рембрандтом.
Голландия XVII в. выдвинула философа Б. Спинозу, механиков и математиков Виллеброрда Снеллиуса, Симона С т е в и и а, Христиана Гюйгенса, первых изобретателей зрительной трубы и микроскопа и многих талантливых мастеров и ремесленников. У голландских кораблестроителей учился корабельному делу Петр I.
В Германии после поражения народных масс в крестьянской войне 1525 г. и победы феодальных князей в ходе религиозной реформации усилилась феодальная раздробленность. Продвижение Германии по пути буржуазного развития и национального объединения затормозилось до второй половины XIX в.
Однако развитие научной революции не миновало германских стран, давших в XVII в. гениального Иоганна Кеплера, искусного экспериментатора Отто Герике и разностороннего мыслителя Г. В. Лейбница.
Католическая реакция пагубно отразилась на Испании, Португалии и Италии. Испания и Португалия, бывшие в XVI в. могущественными морскими державами, в XVII в. сдали свои позиции на море Голландии и Англии. Инквизиция душила свободолюбивую мысль и фактически сделала невозможным научное исследование в странах Пиренейского полуострова. Знаменитый представитель испанского гуманизма Мигель Сервет, открывший малый круг кровообращения и избежавший преследования инквизиции, попал в лапы Кальвина и был им сожжен. Таким образом, протестантские пасторы не уступали католическим священникам в своей лютой ненависти к любому проявлению научной мысли.
Но общий подъем в Европе отразился в Испании расцветом национальной литературы и искусства. Мировая литература гордится именами Мигеля Сервантеса и Лопе де Вега. Испанская живопись этой эпохи представлена именами Эль Греко, Веласкеса, де-Рибейра.
Италия, возглавившая гуманистическое движение, подарившая в XVI в. миру гениальных художников Микеланджело, Леонардо да В и н ч и, Рафаэля, выдвинула в XVII в. гениального Галилея и его учеников и последователей (Торричелли, Б орел л и, Вивиан и и других), составивших Флорентийскую Академию опыта. Эта академия была закрыта в 1667 г., по требованию Римской католической церкви и научное движение в Италии затормозилось.
Англия в XVII в. переживала эпоху ожесточенной борьбы буржуазии с королевской властью, с феодальным дворянством и с католической реакцией. Эта борьба вылилась в гражданскую войну (1642—1648), в ходе
90 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
которой революционные войска, возглавляемые Кромвелем, захватили и обезглавили короля Карла I. В 1649 г. Англия была объявлена буржуазной республикой, выродившейся, однако, в диктатуру армии под протекторатом Кромвеля. После смерти Кромвеля, беспощадно подавлявшего выступления народных масс и разгромившего испанские войска, в среде крупной буржуазии и дворянства усилились реставраторские тенденции. В 1660 г. в Англии была восстановлена монархия. Карл II, сын казненного короля Карла I, стал английским королем. Абсолютистская реакция подавила революцию, но усиление абсолютизма буржуазия считала нежелательным. Когда после смерти короля Карла II па престол взошел его брат Яков II, католик и реакционер, опиравшийся на поддержку абсолютистской Франции, с явным намерением развязать абсолютистскую реакцию, буржуазия и дворянство заключили классовый компромисс и пригласили из Голландии Вильгельма Оранского — мужа дочери Якова II, Марии. Государственный переворот 1688—1689 гг получил у английских историков название «славной революции». Эта так называемая «революция» поставила у власти «наживал из землевладельцев и капиталистов» (Маркс). Союз этих правящих групп на долгие годы обеспечил устойчивость английской монархии и ведущее положение капиталистической Англии как первоклассной морской державы, захватившей ключевые позиции в мировой торговле.
Эта бурная политическая атмосфера не мешал а интенсивному развитию английской культуры. Начало XVII в. в английской литературе отмечено великим именем Вильяма Шекспира. Эпоха пуританской революции породила поэта и политического деятеля Джона Мильтон а.Материализм как философское течение, развившееся на основе успехов естествознания, вырос в Англии. Френсис Бэкон был его родоначальником, Томас Гоббс был продолжателем и систематиком бэконовского материализма. За Гоббсом последовал философ и педагог Джон Локк, «сын классового компромисса 1688 г.», развивавший сенсуалистическое направление в теории познания. Локк обобщил успехи экспериментального метода в естествознании, провозгласив, что все познание рождается из опыта.
Английская наука твердо шла по пути, указанному Бэконом и Локком. Организация Королевского Общества была наглядным доказательством успеха экспериментального метода в Великобритании. В самом начале XVII в. мы встречаем имя английского врача В. Гильберта, заложившего экспериментальные основы науки об электричестве и магнетизме. За ним следуют Роберт Бойль, Роберт Г у к, плеяда астрономов и математиков во главе с великим Исааком Ньютоном.
Франция встретила начало века в обстановке острой политической и религиозной борьбы. Борьба католической лиги и гугенотов закончилась в 1598 г. нантским эдиктом, обеспечивающим за католической церковью господствующее положение, но вместе с тем предоставляющим права и протестантам. Этот эдикт признавал определенное равновесие сил, которым воспользовалась королевская власть, сломившая сопротивление феодалов и установившая абсолютистский режим. Укрепление позиций абсолютизма составило задачу политики известного кардинала Ришелье и достигло наивысшего развития при короле Людовике XIV. Но это было уже дворянской диктатурой, враждебной не только народу, но и поднимающейся буржуазии, «третьему сословию». Министр Людовика XIV— Кольбер —стремился обеспечить экономическую базу дворянскому строю без развития буржуазной инициативы. Он развивал мануфактуру, внешнюю торговлю за счет госу
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ.
91
дарственных финансов, в свою очередь пополнявшихся путем неслыханных налогов, ложившихся главной тяжестью на народные низы. Из того же источника черпались ресурсы на содержание Королевской Академии наук, учрежденной Кольбером. «Блестящий век» Людовика XIV наделе явился началом конца абсолютистской Франции.
Поэтому положение во Франции было чрезвычайно противоречивым. По заказу двора работали выдающиеся драматурги—Корнель, Расин, Мольер. Для работы в Академии наук выписывались иностранные ученые, такие как Гюйгенс, Ремер. Декарт уехал из Франции, где он не мог найти спокойной обстановки для творчества, а жил и работал в Голландии, а умер в Швеции. Кальвинист Папен был вынужден уехать из Франции и умер в Англии. Паскаль был не только ученым, но и религиозным философом. Физик Мариотт был священником. Священник Гассенди развивал материалистическую философию и атомистическую физику. Другой священник, Мелье, разрабатывал материалистическую и атеистическую философскую систему. Скептицизм Бейля наносил удары религиозной идеологии. Вместе с тем большую роль играли иезуиты, захватывавшие школы и активно участвовавшие в научном движении.
Все эти факты свидетельствуют о том, что и абсолютистская Франция не могла стоять в стороне от развивающегося научного движения, тем самым объективно содействуя победе восходящей буржуазии.
В России XVII в. был веком бурных исторических событий. Он начался крестьянскими восстаниями и польско-шведской интервенцией, в середине века произошло воссоединение Украины с Россией, восстание Степана Разина, раскол русской церкви. Конец века отмечен реформами Петра I и началом Северной войны. Россия XVII в. выдвинула выдающихся деятелей: вождей крестьянской! революции Ивана Болотникова (убитв 1608 г.) и Степана Разина (казнен в 1671 г.), зачинателей патриотического движения по освобождению Москвы от интервентов Козьму Минина (умер в 1616 г.) и Дмитрия Пожарского (1578—1641), гетмана Богдана Хмельницкого (1595—1657), землепроходцев Семена Дежнева (1605—1672 или 1673), дошедшего в 1648 г. до крайней восточной точки Азии, Василия Пояркова, достигшего в 1643—1646 гг. устья Амура, Ерофея Хабарова, исследовавшего Амур в 1649—1651 гг., Владимира Атласова, исследовавшего в 1697—1699 гг. Камчатку и Курильские острова, и других, выполнивших на Востоке задачу расширения «круга земель». Русское общество знакомится с новостями науки и техники Запада, переводятся книги Меркатора «Космография», Гевелия «Селенография», через которые «коперниковская ересь» проникает на Русь. Открываются высшие школы, в частности Московская Славяно-греко-латинская Заиконоспасская Академия, в которой учился гениальный Л о м о н о со в. Академия была учреждена по проекту Симеона П о л о ц ко г о (1629—1680), положившего основы светской литературы и силлабического стихосложения. Переход от условной иконописи к реалистической живописи был намечен в произведениях знаменитого Симона Ушакова (1629—1680). Так создавались предпосылки для развития в России национальной светской! культуры и естествознания.
Научная революция в Европе происходила в обстановке крупных политических событий, широких общественных движений, в обстановке «всеобщей революции». От Британских островов до Москвы шел процесс формирования национальных государств, в ходе которого в этих государствах складывалась национальная культура и наука. Образование и развитие
92 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Э »ж
Фиг. 3—1. Рисунок Леонардо да Винчи к опыту с падением тел.

национальных культур, национальных научных центров происходило на фоне оживленного международного научного, технического и культурного обмена, при широком развитии интернациональных научных и культурных связей, обеспечивающих наиболее всестороннее развитие общеевропейской культуры, общечеловеческого культурного прогресса. В этом великом историческом процессе участвовали большие и малые нации, внося каждая свой вклад в дело построения науки и культуры. Так, например, с конца XVII в. активное участие в развитии физико-математических наук принимает Швейцария, давшая знаменитую династию Бернулли (Якоб Бернулли, его брат Иоганн Бернулли, сын Иоганна — Даниил Бернулли, бывший вместе с своим братом Николаем членом только что открытой Петербургской Академии наук) и великого математика и механика Леонарда Эйлера.
БОРЬБА ЗА НОВОЕ МИРОВОЗЗРЕНИЕ
Застрельщицей движения, приведшего к научной революции, выступила Италия, где уже с XV в. разгорается борьба за новое мировоззрение, освобождающее человека от пут средневековой теологии и схоластики. Одним из первых глашатаев нового мировоззрения был сын рыбака, ученый, кардинал Николай Кребс из Кузы, известный под именем Николая Кузам-ского (1401—1464). Он выступил против схоластического учения о центральном положении Земли и ограниченности Вселенной, о противоположности земного и небесного. Земля и небесные тела, по мнению Николая Кузамского, имеют одинаковую природу, все во Вселенной находится в движении, неподвижного центра нет. Не существует вообще центра бесконечной Вселенной, она имеет свой центр в любой точке, и пи одна точка мира не является граничной, периферической. Любое тело Вселенной может быть выбрано за систему отсчета для описания движения: «Так как всякий,
будет ли он находиться на Земле или на Солнце, или иа другой какой звезде, полагает, что он находится в неподвижном центре, а что все другое движется, то он назначил бы себе различные полюсы — одни, если бы был на Солнце, другие— на Земле, третьи — на Луне, и так далее». Эти очень важные идеи, показывающие, что мысль о равноправии всех тел Вселенной, об однородности и изотропности пространства уже за-
родилась, и явились одним из центральных пунктов нового мировоззрения.
Одновременно звучат голоса о необходимости прибегать к опыту для получения истины. В защиту опыта как источника познания выступает Николай Кузамский и особенно великий художник Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.).
Леонардо да Винчи был одним из тех титанов по многосторонности и ценности, о которых писал Энгельс: «Леонардо да Винчи был не только
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
93
Фиг. 3—2. Баллистическая кривая. Рисунок Леонардо да Винчи.
великим художником, но и великим математиком, механиком и инженером, которому обязаны важными открытиями самые разнообразные отрасли физики» Ч В своих многочисленных заметках Леонардо с гениальной ясностью изложил те основы, на которых зиждется ' точное знание, «Мудрость есть дочь опыта», — утверждал Леонардо. «Опыт никогда не ошибается, ошибаются только суждения ваши, которые ждут от него вещей, не находящихся в его власти»1 2 3. Чтобы избежать ошибки в выводах, надо прибегнуть к помощи математики. «Никакой достоверности нет в науках там, где нельзя приложить ни одной из математических наук, и в том, что не имеет связи с математикой», —писал Леонардо 8.
Новая физика, основанная не на отвлеченных рассуждениях, а на опыте и точном математическом анализе результатов опыта, развивалась в соответствии с принципами, указанными еще Леонардо да Винчи. Он же со всей ясностью указывал на значение научной теории для практики. «Всегда практика должна быть воздвигнута на хорошей теории», — учил
1 Ф. Э н г е л ь с, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 4.
2 Леонардо да Винчи, Избранные естественнонаучные произведения^ изд. АН СССР, 1955, стр. 11.
3 Там же, стр. 12.
94
ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Леонардо да Винчи
Леонардо. «Наука — полководец, и практика — солдаты»1. Леонардо провел огромное число опытов и точных наблюдений, создал проекты машин, станков, летательных аппаратов, орудий, механизмов. Но вместе с тем он был сыном своего времени, еще не знавшего точного экспериментального метода и математики переменных величин, не порвавшего со средневековой традицией. Изучая свободное падение тел, Леонардо проделывает опыт с падением 50 шариков, пущенных через равные промежутки времени (фиг. 3—1), и приходит к выводу, что «тяжелое тело, которое падает свободно, с каждой ступенью движения приобретает ступени скорости и тяжести». Это предложение совершенно правильно, за исключением конца: Леонардо в своем опыте по существу устанавливает закон v = gt, но одновременно принимает, что при приближении к Земле тяжесть возрастает. Он проделывает опыт с падением тел кубической
формы в воздухе и находит, что скорость падения пропорциональна весу, т. е. подтверждает мнимый закон Аристотеля. Наблюдая полет снаряда, выпущенного из орудия, он точно зарисовывает баллистическую кривую (фиг. 3—2), но затем утверждает,
что в конце движения снаряд, теряя «насильственное» движение, падает «естественным путем» вертикально. Леонардо близко подходит к закону инерции, но и здесь не в состоянии оттолкнуться от концепции Аристотеля: «Всякое движение стремится к своему сохранению, или иначе: всякое движущееся тело всегда движется, пока сохраняется в нем сила его двигателя. Всякое движение будет продолжать путь своего бега по прямой линии до тех пор, пока в нем будет сохраняться природа насилия, произведенного его двигателем» * 2. Первая половина этих утверждений справедлива, вторая — нет. Причина заключается в том, что наблюдения и опыты Леонардо относятся к конкретной действительности, которая очень сложна, и установить в этой действительности простые общие законы не так-то легко. Заслуга Леонардо состоит в том, что он смело подошел к действительности с методом эксперимента и наблюдения, явившись в этом отношении прямым предшественником Галилея. Но он еще не осознал, что для понимания действительности необходимо освободиться от груза схоластической теории и создавать теорию заново. Начало нового понимания действительности было заложено Коперником.
’Леонардо да Винчи, Избранные естественнонаучные произведения, изд. АН СССР, 1955, стр. 23.
2 Т а м же, стр. 103.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
95
НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ КОПЕРНИКА «Революционным актом, которым исследование природы заявило о своей независимости и как бы повторило лютеровское сожжение папской буллы, было издание бессмертного творения, в котором Коперник бросил — хотя и робко и, так сказать, лишь на смертном одре — вызов церковному авторитету в вопросах природы» х.
Знаменитый астроном Николай Коперник родился 19 февраля 1473 г. в польском городе Торунь в семье купца. Он рано лишился отпа. и в его жизненной судьбе большое участие принимал его дядя по матери Лука Ваченрод, впоследствии епископ Вармийской епархии,главным городом которой был Фромборк, расположенный на побережье Балтийского моря.
Фромборк стал местом, где роди-	Николай Коперник
лось великое творение Коперника, который после окончания университета в Кракове и Болонье получил должность каноника в Фромборке. Коперник переехал в Фромборк в 1512' г. Здесь он принимал активное участие в общественной жизни епархии, вел войну и последующие дипломатические переговоры с тевтонским орденом, решал юридические и хозяйственные дела своей земли, разработал проект денежной реформы, сооружал гидротехнические устройства, лечил больных и вел астрономические наблюдения. Он был подлинным героем своей эпохи, одним из тех, о которых писал Энгельс: «Герои того времени не стали еще рабами разделения труда... живут в самой гуще интересов своего времени, принимают живое участие в практической борьбе, становятся на сторону той или иной партии и борются кто словом и пером, кто мечом, а кто й тем и другим вместе» 1 2.
Его великое творение «Об обращении небесных сфер» выросло из потребностей практики, которая нуждалась в точных астрономических законах для определения координат новых земель и курса корабля. Система Птолемея была черезвычайно сложна, движения планет в этой системе были необычайно запутанными. Для каждой планеты надо было подобрать свою систему движений по деферентам и по эпициклам, чтобы описать видимое с Земли причудливое движение планеты. Никакого общего закона в этой системе усмотреть было невозможно. Коперник с полным правом говорит об изобретателях этой системы: «С ними бывает то же самое, как если бы кто намеревался нарисовать одно целое из рук, ног, головы и других членов
1 Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 5.
2 Т а м же, стр. 4.
96 ГЛАВА ПТ ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
тела, совершенно хороших самих по себе, но принадлежащих не одному и тому же человеческому телу и нарисованных не по одному масштабу: конечно, получилось бы тогда нечто, более похожее на урода, чем на человека» К
Коперник ясно видел, что в этих запутанных движениях должен быть общий закон. Этот закон отражается и в системе эпициклов. У нижних планет Меркурия и Венеры период обращения эпицикла по деференту равен одному году, точно так же у верхних планет периоды обращения по эпициклам тоже равны одному году. Кроме того, плоскость эпициклов верхних планет и плоскость деферентов внутренних планет оказались параллельными плоскости эклиптики. Коперник, раздосадованный, как он сам пишет, тем, «что философам, обыкновенно стремящимся к распознаванию даже самых ничтожных вещей, до сих пор еще не удалось с достаточной верностью объяснить ход мировой машины», стал искать это верное объяснение. Как он сам пишет, у древних (пифагорейцев и Аристарха Самосского) он нашел гипотезу о движении Земли и стал ее исследовать.
«Допустив те движения, которые придаются Земле в этом сочинении (т. е. сочинении Коперника. — Авт.), я после долгих и многократных исследований пришел, наконец, к заключению, что если отнести движения прочих блуждающих светил к кругу, по коему движется Земля, и на этом основании вычислять движения каждого светила, то не только представляемые ими явления будут вытекать как следствия, но что самые светила и пути оных по последовательности или величине своей и само небо явятся в такой между собой связи, что нигде, ни в одной части нельзя чего-либо изменять, не запутывая остальных частей и всего целого» * 2.
Таким образом, Коперник, перенеся систему отсчета, в которой описываются движения планет, с Земли на Солнце, сразу увидел общую связь планет, общий их центр—-Солнце. Отсюда, естественно, вытекает мысль о наличии общего закона, связывающего планеты с Солнцем. Перенос системы отсчета с Земли на Солнце явился важным этапом в науке, он подготовил почву для открытия закона тяготения. История науки однозначно отвечает на вопрос о равноправности Птолемеевой и Коперниковой системы система Коперника является преимущественной, так как она указала на связь между планетами и Солнцем и тем самым натолкнула мысль на поиски закона этой связи, она явилась источником научного движения, тогда как система Птолемея тормозила развитие науки. Но система Птолемея была освящена церковным авторитетом. Книга Коперника бросила вызов этому авторитету и открыла новую страницу в истории борьбы науки и религии, разума и суеверия.
Эта борьба началась с анонимного предисловия к книге Коперника, которое, как выяснилось позже, было написано протестантским богословом Оссиандером. Оссиандер распознал опасность, угрожающую всякой религии со стороны прогрессивного материалистического учения, и постарался обезопасить это учение ссылкой на то, что основное положение Коперника является только гипотезой, сделанной якобы лишь для удобства вычислений. «Не подлежит сомнению, — начинает свое предисловие Оссиандер, — что по причине распространившихся известий о новых гипотезах этого сочинения в некоторых ученых возбуждено сильное неудовольствие
'Николай Коперник, изд. АН СССР, 1947, стр. 191.
2 Там же, стр. 192.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
97
на то, что в сочинении этом Земля представляется движущейся, Солнце же находящимся неподвижно в центре Вселенной и что, по их мнению, не следует колебать науку, издавна покоящуюся на истинных основаниях» х. Оссиандер утешает встревоженных богословов тем, что науке, в частности астрономии, не дано открывать истину, ее задача заключается в том, чтобы описывать явления с помощью подходящих гипотез. «Гипотезы его (т. е. Коперника. — Авт.) могут быть и несправедливыми, могут быть даже невероятными, достаточно, если они приводят нас к вычислениям, удовлетворяющим нашим наблюдениям... Поэтому дозволим новым этим гипотезам занять место в ряду с древними, не более их вероятными, гак как они столь же удивительны, сколько и удобопонятны, и сопровождаются обильным сокровищем ученых наблюдений. Во всем же, что касается гипотез, да не обращается никто к астрономии, если желает узнать что-либо достоверное; сама она не может этого сделать, и если кто-либо примет за правду то, что придумано было вследствие иных побуждений, тот через это учение сделается глупее, чем был прежде» * 2
170 лет спустя другой защитник религии, Котс, в предисловии к знаменитому сочинению Ньютона, в котором изложено открытие закона всемирного тяготения и система мира Коперника исследуется с помощью законов динамики, с таким же усердием будет повторять аргументы, аналогичные аргументам Оссиандера. Наука не может открывать истину, она может только описывать явления, истиной же обладает только религия, только божественное откровение. «Если же кто возомнит, — писал Котс, — что он может найти истинные начала физики и истинные законы природы единственно силой своего ума и светом своего рассудка, тот должен будет признать или, что мир произошел в силу необходимости и что существующие законы природы явились следствием той же необходимости, или же, что мироздание установлено по воле бога и что он, ничтожнейший человечишка, сам бы предвидел все то, что так превосходно создано». Признать за наукой право открывать силой разума истинные законы природы равносильно, по мнению Котса, признанию, «что философия основана на безбожии».
Таким образом, система Коперника на протяжении веков стала ареной борьбы науки и религии, материализма и идеализма. Борьба эта велась согромныможесточением.Итальянский мыслитель Джордано Бру н о(1548— 1600), развивший учение Коперника дальше и учивший, что Солнечная система не является единственной во Вселенной, что во Вселенной существуют бесчисленные миры, «бесчисленные Солнца и Земли, из коих одни мы чувственно наблюдаем, о других заключаем», был приговорен инквизицией после семилетних пыток к сожжению на костре.
Однако террор церковников не мог остановить научного прогресса. В те годы, когда инквизиция пытала Бруно, в Австрии появилась книга молодого астронома Иоганна Кеплера (1571—1630). В этой книге автор, принимая безоговорочно систему Коперника, ищет математическое выражение той общей связи между планетами, о которой ясно говорил уже сам Коперник. Кеплер пытается решить эту задачу еще не выходя за рамки платоновских и пифагорейских полумистических идей о числах и многогранниках. Ему, как он полагал, удалось найти геометрический закон, связывающий расстояния планет от Солнца.
‘Николай Коперник, изд. АН СССР, 1947, стр. 188.
2 Там же, стр. 188—189.
98 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Хотя его построение в целом оказалось и неверным, а все сочинение сильно засорено платоновско-пифагорейской мистикой, оно все же сыграло свою роль в развитии системы Коперника.
«Работая над этим, — говорил Кеплер, — я твердо заучил расстояния и времена обращения планет, так что мог наизусть производить различные их сочетания».
В 1601 г., после смерти выдающегося датского астронома Тихо Браге (1546—-1601), в руки Кеплера попали журналы многолетних наблюдений Тихо, в которых с наивысшей для того времени точностью определялись положения Марса. Кеплеру предстала задача — определить по этим данным действительный путь Марса вокруг Солнца. Он убедился, что мнение Коперника,
Иоганн Кеплер	разделяемое первоначально и самим
Кеплером о круговой форме орбиты («небесная сфера»), неправильно. «Первая моя ошибка, — писал Кеплер,— была та, что я представлял пути планет совершенными кругами; эта-ошибка была тем более вредной, что она опиралась на единодушное мнение всех философов...»
Указывая, что точность наблюдений Т. Браге исключает возможность ошибки в 8 минут, Кеплер писал: «Эти восемь минут, которыми пренебречь нельзя, дадут нам средство преобразовать астрономию». И Кеплер напряженно трудился над «преобразованием астрономии», т. е. над нахождением точного закона движения планет вокруг Солнца.
Труд Кеплера изнурителен. Проделав в своей книге большое и сложное вычисление, он обращается к читателю: «Если этот способ покажется вам трудным и утомительным, то вы пожалеете меня, узнав, что я повторил это вычисление 70 раз, и не удивитесь, что я провел пять лет над этой теорией Марса». Семидесяти кратное вычисление Кеплера могло бы заполнить громадный том — около 1000 страниц. К этому надо добавить, что Кеплер терпел жестокую материальную нужду, жалованья ему не платили, и он был вынужден ради куска хлеба отрываться для составления гороскопов, т. е. предсказаний по звездам, — невежественным, но богатым, людям.
Точные законы движения планет были найдены. Планеты двигались по эллипсам, в одном из фокусов которых находилось Солнце. Законы движения планет были опубликованы Кеплером в 1609 г. в сочинении «Новая астрономия». Через 10 лет он нашел третий закон движения планет. Об этих законах мы будем говорить дальше. Сейчас отметим только, что Кеплер, уточнив систему Коперника, нашел правильное расписание движения планет и тем самым решил важнейшую научную и практическую задачу своей эпохи. Это была большая победа учения Коперника. «Сопротивление
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
99
планет», выражаясь языком Кеплера, было сломлено, они сдались на милость победителю — человеческому разуму. Предстояла теперь не менее трудная задача — сломить сопротивление людей. В этой войне решающая роль принадлежала Галилею.
Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 г. в г. Пизе.
Отец предполагал сделать из него врача и определил его на медицинский факультет. Однако Галилей обнаружил большой интерес и исключительные способности к математике и вскоре перешел на философский факультет.
Его математические и механические исследования доставили ему славу незаурядного математика, и Галилей получает место профессора математики и философии в том самом Пизанском университете, где
он учился.
В 1592 г. он переезжает в Падую.	Галилео Галилей
Здесь он с успехом занимается математикой, астрономией и механикой. Его имя получает широкую известность и не только в Италии. В 1596 г. он начинает переписку с Кеплером по поводу системы Коперника. В этой переписке Галилей сообщает Кеплеру, что он разделяет учение Коперника, но еще не решается выступить в его защиту. Борьба Галилея за систему Коперника начинается с 1610 г. изданием сочинения «Звездный вестник», в котором описываются астрономические открытия, сделанные им при помощи изготовленной в 1609 г. зрительной трубы.
Направив трубу на небо, Галилей увидел, что Луна не идеальный гладкий шар, как ее представляли сторонники Аристотеля, а покрыта такими же горами и впадинами, как и Земля. Значит, нет противоположности земного и небесного, материя небесных светил и Земли одна. Он увидел на небе много новых звезд, неизвестных доселе. Значит, не все было известно тем авторам, мнения которых почитаются за непререкаемый авторитет. Их можно и должно поправлять, обращаясь к природе. И, наконец, в январе 1610 г. Галилей делает самое замечательное открытие. Им были обнаружены вблизи Юпитера три маленькие звездочки. Галилея поразило их расположение, — они находились на одной прямой: две восточнее планеты, одна западнее. Когда Галилей через восемь дней посмотрел на Юпитер, то нашел положение всех трех звезд изменившимся: сохраняя прямолинейное расположение, они все были теперь по одну, западную, сторону планеты. Продолжая наблюдения, Галилей открыл еще одну звездочку, также перемещавшуюся вместе с другими относительно Юпитера. В результате своих длительных наблюдений Галилей пришел к важному выводу, который мы приведем в его собственном изложении.
100 ГЛАВ Л III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
«Вследствие всего этого я уже без малейшего колебания решил, что существуют четыре светила, вращающиеся около Юпитера, подобно тому, как Венера или Меркурий вращаются вокруг Солнца. Ныне имеем очевидный аргумент, чтобы рассеять сомнения тех, кои, склоняясь допустить, что планеты обращаются вокруг Солнца, смущаются, однако, каким образом Луна несется вокруг Земли и в то же время вместе с нею совершает годичный круг около Солнца... Мы знаем теперь, что есть планеты, обращающиеся одна около другой и в то же время вместе несущиеся вокруг Солнца; мы знаем, что около Юпитера движутся не одна, а четыре Луны, следующие за ним во все продолжение его двенадцатилетнего обращения около Солнца».
Таким образом Галилеем были найдены наглядные и убедительные доказательства в пользу системы Коперника, которые и были изложены им в «Звездном вестнике».
Противники Галилея, будучи не в силах разбить его на научной почве, повели атаку с другой стороны. Они объявили, что учение Коперника не согласно с религиозной «истиной». Галилея вызвали в Рим для объяснений. Несмотря на блестящую защиту Галилеем нового учения, папа и инквизиция издали 5 марта 1616 г. декрет о запрещении системы Коперника. Самому Галилею было вручено генерал-инквизитором письменное предписание, в котором указывалось, что защищать учение Коперника нельзя, как еретическое учение. Но Галилей не сдался. Он приступил к работе над книгой, которую он назвал «Диалог о двух системах мира: Птолемеевой и Коперника». Над книгой Галилей работал много лет, она вышла в свет в августе 1632 г. В этой книге в форме диспута-беседы между сторонниками нового учения Сальвиати и Сагредо и приверженцем старых взглядов Симпличио разбираются доводы в защиту системы Коперника.
Особенно важное место в этой защите учения Коперника занимает беседа второго дня, в которой разбираются возражения противников Коперника, опирающиеся па неощутимость движения Земли. Галилей устанавливает, что всякое тело, получившее скорость, стремится сохранить ее, т. е. дает первую формулировку закона инерции.
Это свойство тел сохранять свою скорость, каким путем она ни была бы получена, иявляется причиной того, что мы не замечаем движения той системы, вместе с которой движемся мы и все окружающие нас тела. В «Диалоге» Галилея приводится описание мысленного эксперимента в лаборатории, находящейся в трюме корабля. Все явления (механические) в этой лаборатории будут происходить совершенно одинаково как в случае покоя корабля, так и в случае его равномерного движения с какой угодно скоростью.
В такой образной форме Галилей выражает одно из важнейших принципиальных положений физики: невозможно никакими наблюдениями над механическими движениями тел в системе, движущейся равномерно и прямолинейно, обнаружить движение этой системы. Это положение в науке получило название принципа относительности Галилея. В силу этого принципа мы и не замечаем движения Земли вокруг Солнца, так как это движение в течение неболынйх промежутков времени можно считать равномерным и прямолинейным.
Выход книги Галилея произвел огромное впечатление. Число сторонников нового учения в Европе быстро возрастало по мере распространения «Диалога». Церковь решила пресечь распространение «коперниковской ереси» и привлекла Галилея к суду инквизиции. Хотя ценою угроз ей и удалось вырвать у Галилея формальное отречение, однако остановить рас
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ	JQf
пространение учения Коперника этим не удалось. Сам Галилей продолжал работать над развитием основ новой механики, выросшей в борьбе за систему Коперника, и за 4 года до своей смерти (в 1638 г.) опубликовал свое важнейшее сочинение «Беседа о двух новых науках». Научная революция, начатая Коперником, неуклонно расширялась и привела к возникновению современного опытного естествознания.
ПЕРЕХОД К НОВОМУ МЕТОДУ В НАУКЕ
На примере Галилея мы видим, что революция, произведенная Коперником в астрономии, оказалась теснейшим образом связанной с переворотом в области механики и оптики, обусловленным в свою очередь переходом к новым методам исследования. Передовые люди эпохи отчетливо ощущали разрыв между практическими успехами, достигнутыми людьми практики,— мореплавателями и техниками — и официальной схоластической наукой. Стало ясно, что наука, если она хочет добиться успеха, должна порвать с средневековой традицией, освободиться от ига религии и перейти к новым методам исследования. Особенно ярко и выпукло необходимость перехода к новому методу была выражена в сочинении английского философа Ф р е н -с пса Бэкона (1566—1626) «Новый Органон», т. е. «Новое орудие», вышедшем в 1620 г В этом сочинении Бэкон критикует старую науку, которая занимается только общими положениями, порождающими «препирательства — лай споров», заменяющих «порождение плодов», т. е. конкретных результатов. Этой печальной картине состояния официальной науки Бэкон противопоставляет картину внушительного прогресса «в механических искусствах», т. е. технике, — прогресса, которому не видно предела: «скорее прекратятся и изменятся желания людей, чем эти искусства дойдут до предела совершенствования», — указывает Бэкон. Чтобы идти в ногу с этим прогрессом, недостаточна не только схоластическая наука, но и возрожденная античная «...было бы постыдным для людей, — заявляет Бэкон, — если бы границы умственного мира оставались в тесных пределах того, что было открыто древними, тогда как в наши времена неизмеримо расширились и приведены в известность пределы материального мира, т. е. земель, морей, звезд». Бэкон призывает покончить с недостатками средневековой науки; пренебрежением к естествознанию (естественной или натуральной философии, как тогда выражались), пренебрежением к практическим целям науки, пренебрежением к опыту, преклонением перед авторитетами, зависимостью от религии, догматизмом, тормозящими научный прогресс.
«В науках же и искусствах, как в рудниках, все должно шуметь новыми работами и дальнейшим продвижением вперед», — указывает Бэкон. Для того чтобы обеспечить такое продвижение, надо опираться на «союз опыта и рассудка».
«Те, кто занимались науками, были или эмпириками, или догматиками,— говорит Бэкон. — Эмпирики, подобно муравью, только собирают и пользуются собранным. Рационалисты подобно пауку, из самих себя создают ткань. Пчела же избирает средний способ, она извлекает материал из цветов сада и поля, но располагает его собственным умением. Не отличается от этого и подлинное дело философии. Ибо она не основывается только и преимущественно на силах умов и не откладывает в сознание нетронутым материал, извлекаемый из естественной истории и механических опытов, но изменяет
102
ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
его и перерабатывает в разуме. Итак,—замечает Бэкон,—следует возложить добрую надежду на более тесный и нерушимый (чего до сих пор не было) союз этих способностей (т. е. опыта и рассудка)». Этот союз осуществляется, по мнению Бэкона, в индуктивном методе, в переходе от частных фактов к частным законам («к меньшим аксиомам» — по терминологии Бэкона), от этих последних к более общим принципам («средним аксиомам») и, наконец, «к самым общим». Выведенные законы и следствия из них должны вновь проверяться опытом, практикой. «Наш путь и наш метод... состоит в следующем: мы извлекаем не практику из практики и опыт из опытов (как эмпирики), а причины и аксиомы из практики и опытов и из причин и аксиом — снова практику и опыты, как верные истолкователи природы». Этот метод оказался необычайно плодотворным и был хорошо усвоен основателями опытного естествознания. Однако он нуждался в дополнении. Необходимо было научиться обобщать законы, выводимые из фактов, и выводить из них путем правильного размышления частные следствия, могущие быть проверенными на опыте. Здесь неоценимую услугу оказывала математика, а сам метод выведения частных следствий из общих принципов получил название дедуктивного. Основания этого метода, дополняющего метод Бэкона, были изложены французским философом и математиком Рэне Декартом (1596—1650) в сочинении «Рассуждение о методе», вышедшем в 1637 г., через 17 лет после «Нового Органона». Метод Декарта — рационалистический, его назначение — оказать помощь разуму, предохранить его от ложных выводов, сделать работу разума действенной. Изучая древнюю логику, геометрию и средневековую алгебру, Декарт увидел их возможности, осложненные, однако, отсутствием единого простого метода.
«По этой причине я и решил, — пишет Декарт, — что следует искать другой метод, который совмещал бы достоинства этих трех и был бы свободен от их недостатков». Этот метод Декарт сформулировал в следующих четырех правилах:
«Первое: не принимать за истинное что бы то ни было, прежде чем не признал это несомненно истинным, т. е. старательно избегать поспешности и предубеждения и включать в свои суждения только то, что представляется моему уму так ясно и отчетливо, что никоим образом не сможет дать повод к сомнению.
Второе: делить каждую из рассматриваемых мною трудностей на столько частей, на сколько потребуется, чтобы лучше их разрешить.
Третье: руководить ходом своих мыслей, начиная с предметов простейших и легко познаваемых, и восходить мало-помалу, как по ступеням, до познания наиболее сложных, допуская существование порядка даже среди тех, которые в естественном порядке вещей не предшествуют друг другу.
И последнее: делать всюду настолько полные перечни и также общие обзоры, чтобы быть уверенным, что ничего не пропущено» х.
В этих правилах ясно отражается математическая направленность метода Декарта, который требует всестороннего логического анализа основных предпосылок, анализа изучаемой проблемы, логической последовательности рассуждений, идеализации изучаемой проблемы, начиная ее решение с наиболее простых связей и отношений. Эта идеализация совершенно необходима, и она дает возможность открыть реальные взаимосвязи. Конечно,
1 Р. Декарт, Рассуждение о методе, изд. АН СССР, 1953, стр. 22 -23.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
103
в природе не существует математических точек, линий, поверхностей, но эти абстракции помогают познать действительность, отражают действительность. О том, что математические связи отражают реальные взаимосвязи явлений природы, Декарт говорит совершенно определенно сразу же после формулировки своих правил:
«Те длинные цепи выводов, сплошь простых и легких, которыми обычно пользуются геометры, чтобы дойти до своих наиболее трудных доказательств, дали мне повод представить себе, «что и все вещи, которые могут стать предметом знания людей, находятся между собой в такой же последовательности. Таким образом, если остерегаться принимать за истинное что-либо, что таковым не является, и всегда соблюдать порядок, в каком следует выводить одно из другого, то не может существовать истин ни столь отдаленных, чтобы они были недостижимы, ни столь сокровенных, чтобы нельзя было их раскрыть» 4. Развитие науки подтвердило правоту Декарта: математический анализ оказался могучим орудием познания природы, позволившим проникнуть в глубины самых отдаленных и самых сокровенных вещей. Декарт и начал применение своего метода с математики.
«Приняв во внимание, что среди всех, искавших истину в науках, только математикам удалось найти некоторые доказательства, т. е. некоторые точные и очевидные соображения, я не сомневался, что и мне следовало начать с того, что было ими обследовано...» 1 2 На этом пути Декарту удалось сделать решающее для развития математического естествознания открытие, а именно найти способ введения в математику переменных величин, представляя их линиями, и установить соответствие между линиями и алгебраическими уравнениями, т. е. открыть аналитическую геометрию. «Таким путем, — пишет Декарт, — я заимствовал бы все лучшее из геометрического анализа и из алгебры и исправлял бы недостатки одного с помощью другой» 3 4.
В связи с этим открытием Декарта Энгельс писал:
«Поворотным пунктом в математике была декартова переменная величина. Благодаря этому в математику вошли движение и диалектика и благодаря этому же стало немедленно необходимым дифференциальное и интегральное исчисление, которое тотчас и возникает и которое было в общем и целом завершено, а не изобретено Ньютоном и Лейбницем»4.
Изобретение аналитической геометрии и дифференциального и интегрального исчисления было делом науки XVII в. вызванной потребностями развивающегося естествознания, точнее механики, оптики и астрономии, и сыграло огромную роль в развитии физики, которая становится теперь точной наукой.
В заключение отметим одну важную черту метода Декарта: критический анализ всех укоренившихся в мышлении положений и утверждений. Для Декарта не существует никаких авторитетов: мышление вправе сомневаться во всех, кажущихся очевидными, истинах. Декарт утверждал даже, что нет ничего, в чем нельзя было бы не сомневаться. Единственно несомненным, по его мнению, было существование самого мышления, без которого нельзя было бы и сомневаться. Знаменитое изречение Декарта «мыслю — следовательно, существую» породило много споров в философской литературе. Как бы не оценивать эту сторону философии Де
1 Р. Декарт, Рассуждения о методе, изд. АН СССР, 1953, стр. 22—23-
2 Т а м же, стр. 23.
5 Т а м же, стр. 24.
4 Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздаг, 1955, стр. 206.
104 ГЛАВА ITT. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
карта, несомненно одно, что в эпоху борьбы против старой догматики она имела огромное прогрессивное значение. Это очень хорошо выразил Ломоносов, писавший в своем предисловии к переводу экспериментальной физики Вольфа:
«Славный и первый из новых философов Картезий осмелился Аристотелеву философию опровергнуть и учить по своему мнению и вымыслу. Мы, кроме других его заслуг, особливо за то благодарны, что тем ученых людей ободрил, против Аристотеля, против себя самого и против прочих философов в правде спорить, и тем самым открыл дорогу и вольному философствованию и к вящему наук приращению. На сие взирая, нам много новых изобретений искусные мужи в Европе показали и полезных книг сочинили». Дух критики рождал научные дискуссии — «вольное философствование», по выражению Ломоносова, и тем самым способствовал научному прогрессу— «вящему наук приращению».
Итак, одновременно в науку вошли метод индукции и эксперимента, дедукции и математического анализа, дополняющие друг друга. Не следует думать, однако, что физики XVII в. дожидались Бэкона или Декарта, чтобы воспользоваться их методологическими установками для своей научной работы. Бэкон и Декарт только выразили наиболее ясно и с наибольшей полнотой дух современной им науки Наука уже пошла по новому пути, вступив в непримиримую борьбу со средневековой схоластикой. Так поступал современник обоих философов Галилей, который опровергал опытом заблуждения Аристотеля, отвлекался по методу Декарта от несущественных факторов: сопротивления воздуха, формы тел, при поисках точных математических законов падения тел — и добился успеха там, где Леонардо да Винчи остановился на полдороге. Декарт высоко ценил этот метод Галилея. «Галилей рассуждает много лучше, чем это обычно делают, — он именно, насколько может расстается с ошибками школы и старается изучать вопросы с помощью математических рассуждений» Г
Декарт, хотя и признавал опыт важным средством познания, все же его недооценивал, отдавая предпочтение математике, логической картине. Между тем успех науки XVII в. определился прежде всего широким развитием эксперимента. Эксперимент породил и новые формы организации научных исследований: научные общества, академии. В Италии такое научно-исследовательское общество сформировалось из учеников и последователей Галилея в 1657 г. под названием «Флорентийская академия опыта». Это общество просуществовало 10 лет и в 1667 г. выпустило сборник своих трудов
В Англии приверженцы «новой философии», основанной на опыте, стали собираться еще в годы гражданской войны. «Мы, — рассказывал член кружка математик Валлис, — оставили в стороне вопросы богословские и политические и занимались рассмотрением и обсуждением исследований по естествознанию и смежным с ним наукам, как то: физике, анатомии, геометрии, астрономии, мореплаванию, статике, магнетике, химии, механике и естественноисторическим опытам знакомясь с состоянием этих наук дома и за границей». В 1662 г. общество было организационно оформлено как Лондонское королевское общество, ставшее высшим научным учреждением страны. Общество избрало своим девизом «ничего на словах», все должно доказываться опытом. Успешная деятельность общества способст-
1 Р. Декарт, Рассуждения о методе, изд АН СССР, 1953, стр 539.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
105
вовала развитию экспериментальной науки. «В несколько месяцев экспериментальная наука стала всеобщей модой», — писал о первых годах деятельности Лондонского королевского общества английский историк Маколей.
Феодальная Франция последовала примеру буржуазной Англии. В Париже была учреждена Королевская Академия наук (1663 г.), бывшая королевской на деле, а не по названию, как Лондонское общество. Академии стали издавать свои труды. С 1665 г. начали выходить «Философские труды» (Philosophical Transaction) Лондонского королевского общества, положившие начало изданию научных журналов. Позже научные журналы стали выходить во Франции и Германии, а затем и в других странах. Издание журналов способствовало распространению научной информации во всех странах, развитию международных научных связей и в конечном счете прогрессу науки.
Постановка опытов привела к созданию научных приборов. Начало этому было положено голландскими оптическими мастерами, которые изобрели зрительную трубу (1609 г.). Галилей, услышав об этом, самостоятельно построил свою зрительную трубу и произвел первый эксперимент, использовав трубу для небесных наблюдений.
По проекту Кеплера (1611 г.) был построен затем первый телескоп. Изобретение труб поставило на очередь вопрос об их усовершенствовании и изучении способа их действия, т. е. стимулировало развитие оптики. Микроскоп в виде простой лупы был построен еще в 1590 г. и усовершенствован голландским оптиком Левенгуком (1632—1723).
Галилею принадлежит почин и в других важных изобретениях. Открытый им закон изохронности колебаний маятника навел его на мысль приспособить маятник для регулировки часов. В его бумагах после смерти был найден проект маятниковых часов. Первые часы с маятником были изготовлены и запатентованы голландским ученым Христианом Гюйгенсом 16 июня 1657 г. Описание этих часов, в которых впервые использовался принцип обратной связи для регулировки хода часов, было дано Гюйгенсом в сочинении «Часы», вышедшем в 1658 г.
В 1674 г. Гюйгенс предложил проект пружинных часов. Показательно, как свидетельство актуальности проблемы часов, что вокруг изобретений Гюйгенса разгорелся спор о приоритете. После публикации Гюйгенса ученик Галилея Вивиани опубликовал проект часов Галилея. Называли автором маятниковых часов и часовщика Поста Б юр г и, умершего в 1632 г. На приоритет в изобретении пружинных часов претендовал член Лондонского королевского общества Р. Гук. Практика остро нуждалась в точных часах для определения долготы места, и изобретение часов явилось выполнением «социального заказа». В свою очередь проблема часов поставила на очередь ряд важных механических и математических вопросов.
Галилеем был изобретен также термометр, в котором впервые расширение тел было использовано для характеристики теплового состояния. Термометр Галилея был усовершенствован флорентийскими академиками, известным немецким ученым магдебургским бургомистром Герике и, наконец, Ньютоном. Окончательное завершение термометра путем создания термометрической шкалы с постоянными точками последовало в XVIII в.
Особенно большой интерес вызвало открытие атмосферного давления учеником Галилея Эванджелиста Торричелли (1608—1647). Галилей еще не мог отрешиться от Аристотелевской концепции боязни пустоты и на-
106 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
блюдения флорентийских колодезных мастеров, что вода не может быть вы-
Эванджелиста Торричелли
тянута насосом на высоту более 10 м, истолковал как наличие определенной измеримой силы «боязни пустоты». Торричелли же правильно объяснил наблюдение: вода в насосе колодца поднимается давлением воздушного океана, имеющим определенную величину, равную весу десятиметрового столба воды. Если заменить воду ртутью, то высота столба будет примерно в 13,5 раза меньше, а над этим столбом образуется вакуум — «торричеллиева пустота». Опыт с образованием «торричеллиевой пустоты» в трубке со ртутью проделал по указанию Торричелли в 1643 г. Вивиани. Торричелли, повторяя этот опыт, заметил колебание высоты ртутного столба, указывающее на колебания атмосферного давления. Так был изобретен первый барометр. Опыт Торричелли повторил французский уче
ный Блез Паскаль, известный своими исследованиями по гидростатике. В 1647 г. он произвел знаменитый опыт с восхождением на гору Пью де Дом с барометром. По мере поднятия на вершину горы высота ртути в баро-
метре падала.
Флорентийские академики усовершенствовали конструкцию ртутного барометра. Одновременно барометры появились в Германии, Англии, Франции. Обсуждение способов получения вакуума стало волнующей проблемой. Ее решение привело к созданию воздушных насосов. Отто Герике в Магдебурге, Роберт Бойль в Англии были изобретателями насоса. Христиан Гюйгенс изобрел тарелку для колокола насоса и манометр, Дени Папен заменил кран насоса клапаном. Знаменитые опыты магдебургского бургомистра Герике, описанные им в книге «Новые Магдебургские опыты в пустом пространстве» (1674 г.), в которых демонстрировалась сила атмосферного давления («Магдебургские полушария»), получили широкую популярность у современников и последующих авторов учебников физики. Бойль в сочинении «Новые физико-механические эксперименты, касающиеся
упругости воздуха» описал конструкцию своего насоса, понижение ртутного столба в разреженном пространстве, понижение точки кипения воды в разреженном пространстве, прекращение действия системы в вакууме и др.
Эти опыты имели не только огромное научное значение, значение их вышло за пределы теоретического естествознания. Продемонстрировав огромную силу воздушного давления, авторы опытов с насосом натолкнули мысль изобретателей на изучение способов использования этой силы в технике. Отсюда берет начало паровая машина, бывшая в первой стадии развития ничем иным, как пароатмосферным насосом.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
107
МЕХАНИКА
Механика в эпоху научной революции не только выдвинулась далее других отраслей естествознания, но и дала научно-методологическую основу всей физике. Идея механического объяснения природы принадлежит Декарту. В своем сочинении «Начала философии», вышедшем в 1644 г., он писал: «.Все видоизменения в материи зависят от движения ее частей... во всем мире существует только одна материя... Все свойства, отчетливо различимые в материи, сводятся единственно к тому, что она дробима и подвижна в своих частях и, стало быть, способна к различным расположениям, которые... могут вытекать из движения ее частей» х. О движении Декарт говорит совершенно определенно, «что оно есть перемещение одной части материи, или одного тела, из соседства тех тел, которые непосредственно его касались и которые мы рассматриваем, как находящиеся в покое, в соседство других тел»^. Таким образом, это — механическое движение.
В 1687 г. Ньютон в предисловии к своему знаменитому сочинению «Математические начала натуральной философии» писал: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы... ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел, вследствие причин, покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга».
Если сравнить эти два отрывка, то, кроме общего механического подхода к явлениям природы, у обоих авторов нетрудно заметить и различие. Декарт ни слова не говорит о силах, а только о движении. Он не говорит также о частицах или атомах, а говорит только о частях единой материи, которая всегда соприкасается с другими частями той же материи. Другими словами, Декарт мыслит материю как непрерывную сущность, континуум. Все взаимодействия частей материи осуществляются непосредственным контактом этих частей. У Ньютона материя состоит из частичек, которые могут взаимодействовать друг с другом на расстоянии посредством дальнодейст-вующих сил. Эти два подхода к механическому объяснению природы получили в дальнейшем название картезианского и ньютонианского. Более подробно о них будет сказано ниже.
Понятие силы было выработано в механике не сразу. Древность и средневековье, конечно, имели первичное представление об усилиях, о грузах. Действие рычага состояло в том, что меньшим грузом преодолевалось сопротивление большего груза. Было известно деформирующее действие грузов и мышечного усилия. Леонардо да Винчи чертил расположение натянутых веревок в механизмах, подходя близко к идее графического представления силы. Он правильно понял, что в равноплечем рычаге равные грузы, помещенные на равных расстояниях от оси вращения, не дадут равновесия, если направления, по которым они действуют, наклонены к реальным плечам рычага под разными углами. В связи с этим он вводит понятие потенциального плеча, определяемого перпендикуляром, опущенным из точки опоры на направление силы, и дает правильный ответ на вопрос о равновесии коленчатого рычага. Уяснив значение направления действия силы (фиг. 3—3), Леонардо понял также, что точку приложения силы, действую-
1	Р Декарт, Избранные произведения, Госполитиздат, 1950, стр. 476.
2	Т а м же, стр. 477.
108 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
щей на твердое тело, можно перемещать вдоль линии ее действия без изменения действия. «Где бы ни была привязана веревка tic на протяжении части ас, разницы не будет, ибо она всегда создает линию, которая падает перпендикулярно из центра весов на линию веревки, т. е. линию fm; п — рычаг такой же силы, как о»1. Леонардо понимал, что ускоренно падающий груз производит иное давление или натяжение, чем покоящийся груз. «Тяжелое тело, опускающееся свободно, не отдает никакой части своей тяжести никакой поддержке». Это положение Леонардо иллюстрирует опытом с равно-
Фиг. 3—3. Рисунок Леонардо да Винчи, поясняющий направление силы.
плечим рычагом, на одном конце которого подвешен груз в 2 единицы, на другом — невесомый блок с перекинутой через него веревкой, несущей грузы 1 и 2. Леонардо ошибочно полагает, что на ось блока будет действовать сила в 2 единицы, на самом деле она будет 22/3. В другом месте Леонардо рисует блок с перекинутыми через него грузами 1 и 8. «Спрашивается: при опускании 8, поднимающих кверху 1, какую тяжесть ощущает маленький блок cad или ось этого блока?» Он дает ответ, что «ось весов ощущает от обоих грузов тяжесть, равную удвоенному весу меньшего», ибо, по мнению Леонардо, перегрузок падает свободно и не давит. Задача на самом деле решается более сложно, но важно, что Леонардо ее ставит и знает, что ускоренный груз натягивает нить с силой, отличной от силы покоящегося груза. Заметим,что Леонардо уже близко подходит к динамическому определению силы, высказывая ряд правильных утверждений о связи «величины тела» и величины скорости, приобретенной телом за данное время, с действующей силой.
Задачу о равновесии коленчатого рычага в общем виде решил Гвидо-Он сформулировал закон равновесия рычага в видеравенства моментов сил относительно точки опоры. Нахождение закона равновесия рычага имело и то принципиальное значение, что оно позволяло измерять движущую силу в весовых единицах: вес стал эталоном силы.
Дальнейший шаг в развитии статики был сделан голландским ученым Симоном Стевиком (1548—1620). Он рассмотрел равновесие тела на наклонной плоскости. Цепь, обвивающая треугольник АВС, не может прийти в движение, иначе получилось бы вечное движение, что Стевии считает невозможным. Поэтому вес длинной части цепи должен действовать так
же, как вес ее короткой части, откуда и получается условие равновесия па наклонной плоскости. Вместе с тем Стевин установил, что три силы, направления которых параллельны трем сторонам треугольника, а величина
бальди (1545—1607).
Фиг. 3—4. Наклонная плоскость Стевина.
’Леонардо да Винчи, Избранные естественнонаучные произведения, изд. АН СССР, 1955, стр. 154.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
109
пропорциональна этим сторонам — уравновешиваются. Так был найден закон сложения сил. Стевину принадлежит также указание, что в блоковых механизмах выигрыш в силе сопровождается проигрышем в пути.
Задачи статики рассматривал также Галилей. Он дал простое и изящное доказательство закона рычага, вывел закон равновесия на наклонной плоскости, опираясь по существу на принцип, получивший в дальнейшем название принципа возможных перемещений. Наклонная плоскость играла в исследованиях Галилея по механике очень важную роль, ею он пользовался для проверки открытых им законов падения и для разработки теории маятника. Галилеем было установлено, что скорости, приобретаемые телом при скатывании с наклонной плоскости, не зависят от длины, а только от ее высоты. Опытом с маятником, получившим название маятника Галилея, он доказал, что тело, упавшее с некоторой высоты, поднимается (если не считаться с трением) на ту же высоту, независимо от пути подъема. Таким образом, задача о наклонной плоскости и у Стевина и у Галилея явилась первым примером применения закона сохранения энергии, хотя, конечно, самого закона они еще не знали, а только смутно его предчувствова ш. Точно так же у Галилея еще не было ясно осознанной связи между статическим и динамическим понятием силы. При решении задач о движении он пользовался терминами «импето», «момент», включающими в себя и условия действия силы (момент силы в современном смысле), и начальный запас энергии, и иногда силу в современном понимании. Для того чтобы подойти к современному понятию силы, надо было прежде всего освободиться от аристотелевских представлений о движении. Это Галилеем и было сделано.
В своем сочинении «Беседы о двух новых науках», вышедшем в 1638 г., Галилей дает новую, отличную от аристотелевской, классификацию движений, а именно он рассматривает равномерное и неравномерное движения, причем он подробно разбирает равноускоренное движение. Галилей дает следующее определение равномерного движения:
«Движением равномерным, или единообразным, я называю такое, при котором расстояния, проходимые движущимся телом в любые равные промежутки, равны между собою».
При этом Галилей делает очень важное пояснение: «К осуществляемому до сего времени определению (которое назвало движение равномерным просто при равных расстояниях, проходимых в равные промежутки времени) мы прибавили слово «любые», обозначая тем какие угодно равные промежутки времени, так как возможно, что в некоторые определенные промежутки времени будут пройдены равные расстояния, в то время как в равные же, но меньшие части этих промежутков пройденные расстояния не будут равны»1.
Так Галилей подготовляет читателя к новому понятию скорости в данный момент. Понимая, что в количественной характеристике движений речь пойдет о переменных величинах, могущих принимать любое значение, он с самого начала представляет прошедшее время и пройденное расстояние отрезками. При переходе к переменному движению встречаются трудности, которые тут же разбираются Галилеем после того, как он дает следующее определение равноускоренного движения: «равномерно, или единообразно, ускоренным движением называется такое, при котором в равные промежутки времени прибавляются и равные моменты скорости» 1 2.
1 Г. Галилей, Сочинения, т. 1, ГТТИ, 1934, стр. 282—283.
2 Там же, стр. 293—294.
110 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Здесь Галилей употребляет слово «момент» в смысле приращения. Динамическое слово «момент» указывает, что Галилей мыслит некоторый импульс, сообщающий такое приращение.
Трудность, о которой сейчас же, после проведенного определения, говорит один из участников «Бесед», Сагредо, заключается в усвоении понятия преходящей, переменной скорости. Сагредо так говорит об этой трудности: «...надлежит признать, что для промежутков времени, все более и более близких к моменту выхода тела из состояния покоя, мы придем к столь медленному движению, что при сохранении постоянства скорости тело не пройдет мили ни в час, ни в день, ни в год, ни даже в тысячу лет; даже в большее
время оно не продвинется и на толщину пальца — явление, которое весьма
С
Фиг. 3—5.
К выводу Галилея закона равноускоренного движения.
трудно себе представить, особенно, когда наши чувства показывают, что тяжелое падающее тело сразу же приобретает большую скорость»
Другой собеседник, Сальвиати, представляющий взгляды самого Галилея, разъясняет, что брошенный вверх камень проходит в обратном порядке до остановки все те же ступени медленности, через которые он проходил, падая из состояния покоя. Третий собеседник, Симпличио, представитель официальных аристотелевских взглядов, возражает:
«Но если степени все большей и большей медленности бесчисленны, то они никогда не могут быть все исчерпаны. Таким образом, поднимающийся камень никогда не пришел бы в состояние покоя, но пребывал бы в бесконечном постоянно замедляющемся движении, чего, однако, в действительности никогда не бывает». «Сальвиати: Это случилось бы, синьор Симпличио, если бы тело двигалось с каждою степенью скорости некоторое определенное время; но оно только проходит через эти степени, не задерживаясь более чем на мгновение; а так как в каждом, даже самом малом, промежутке времени содержится бесконечное множество мгновений, то их число является достаточным
для соответствия бесконечному множеству уменьшающихся степеней скорости» 1 2.
Эти тонкие рассуждения Галилея показывают, что он ощущал диалектику переменной величины, противоречивый характер движения. Галилей ясно представляет взаимно однозначное соответствие двух бесконечных множеств: «мгновений» и ступеней скорости. В этом же сочинении Галилей уста-
навливает взаимно однозначное соответствие всех натуральных чисел и их квадратов. Природа бесконечного, бесконечно малых в частности, стала одной из насущнейших проблем математического естествознания.
Пользуясь графическим представлением времен и скоростей (фиг. 3—5), Галилей находит закон пути равноускоренного движения s = 2. Вывод
этот хорошо известен из элементарных учебников и является по существу одним из первых примеров геометрического интегрирования. Путь s геометрически представляет площадь, ограниченную графиком скорости, осью времени и ординатой, представляющей конечную скорость. Эту площадь
1 Г. Галилей, Сочинения, т. 1, ГТТИ, 1934, стр. 295.
“Там же, стр. 298.
§ I. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ	]Ц
Галилей рассматривает как «сумму параллельных линий» — ординат, представляющих графически скорость в данный момент, т. е. мыслит ее вполне в образах интегрального исчисления. Вообще в рассуждениях Галилея о переменном движении ясно чувствуется, как потребность физики заставляла искать новые математические средства, создавать новые математические понятия. Как уже говорилось выше, такие средства были созданы в XVII в. Была создана математика переменных величин и анализ бесконечно малых. Весьма показательно, что Галилей, работая над своими «Беседами», совершенно независимо от Декарта уже по существу пользовался методом аналитической геометрии для представления текущих величин. Это и означает, что, когда появляется потребность в научном открытии или изобретении, такие открытия созревают нередко одновременно в нескольких местах, как принято говорить в таких случаях, «идеи носятся в воздухе».
Мы уже говорили, что приращение скорости Галилей назвал «моментом». Закон нарастания скорости в равноускоренном движении таков, что эти «моменты» в любое мгновение одинаковы и не зависят от того, какой скоростью обладает тело в это мгновение. Здесь скрывается идея независимости действия сил, которая еще раньше со всей отчетливостью была высказана Галилеем в «Диалоге». Но прежде чем перейти к изложению мыслей Галилея о законе независимости действия сил, остановимся на формулировке Галилеем закона инерции. Окончательная формулировка этого закона Галилеем находится в его «Беседах», в беседе четвертого дня.
«Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления движению, то... движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца» х. Эта формулировка неудовлетворительна. Во-первых, тело мыслится не свободным, а подверженным действию некоторой связи (движется по плоскости). Во-вторых, ничего не говорится о сохранении направления движения, что может дать повод думать, что Галилей и равномерное круговое движение считает инерционным. Действительно, в «Диалоге» Галилей недвусмысленно говорит, что такой плоскостью без начала и конца, по которой тело будет двигаться равномерно неограниченно долго, будет гладкая сферическая поверхность с центром в центре Земли. Инерционный, лучше сказать, консервативный, характер кругового движения, по мнению Галилея, подтверждается устойчивостью солнечной системы. Галилей также постулирует устойчивость планетных орбит, как в XX в. Бор вынужден был постулировать устойчивость определенных атомных орбит. Для Галилея, как и позднее для Бора, эта устойчивость орбитального движения была основным фактом, носящим характер закона. С другой стороны, несомненно, что Галилей, как и Коперник, находился еще во власти древней традиции, считавшей круг за нечто чудесное и совершенное, и, по-видимому, этим объясняется непринятие Галилеем Кеплеровых эллиптических орбит с их неравномерностью, которую надо было как-то объяснить. До открытия закона тяготения постулат устойчивых круговых орбит явился естественным выходом и ответом на вопрос: что «держит» планеты, в частности Землю.
Но в «Беседах» чувствуется, что Галилей уже отходит от этой позиции и приближается к правильному взгляду на характер инерционного движения. «Земная» механика, которой он занимается в «Беседах», подводит его к правильному выводу о движении тела, брошенного горизонтально.
1 Г. Галилей, Сочинения, т. 1, ГТТИ, 1934, стр. 417—418.
]]2 ГЛАВА III- ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
«Если же плоскость конечна и расположена высоко, то тело, имеющее вес, достигнув конца плоскости, продолжает двигаться далее таким образом, что к его равномерному беспрепятственному движению присоединяется другое, вызываемое силою тяжести, благодаря чему возникает сложное движение, слагающееся из равномерного горизонтального и естественно ускоренного движений» х.
Здесь уже ясно видно, что инерционное движение — это равномерно прямолинейное движение (в данном случае горизонтальное). Галилей правильно, применяя принцип независимости действия силы, решает вопрос о форме траектории этого сложного движения:
«При сложном движении, слагающемся из равномерного горизонтального и естественно ускоренного движений, бросаемое тело описывает полупараболу» 2 3 (т. е. половину ветви параболы).
Одного этого вывода достаточно, чтобы считать Галилея автором закона инерции, хотя он и не дал его полной формулировки. Очень существенно, что, решив в этом предложении задачу внешней баллистики,— определить форму траектории вылетевшего из орудия снаряда,—Галилей ясно указывает, что задача идеализирована, что действительное движение осложняется рядом обстоятельств и прежде всего сопротивлением воздуха, которое «настолько разнообразно в отдельных случаях, что подвести его под одно твердое правило или научный закон почти невозможно» ®. Поэтому «для научного трактования этого предмета необходимо сперва
сделать отвлеченные выводы, а сделав их, проверить и подтвердить найденное па практике в тех пределах, которые допускаются опытом. Польза от этого будет немалая» 4. Это очень важное методологическое указание Галилея, которым и по сей день руководствуется теоретическая физика.
Сложение движений Галилей рассматривает геометрически.
«Пусть какое-либо тело движется равномерно двойственным образом, и пусть движению его в вертикальном направлении соответствует отрезок ab, движению же в горизонтальном направлении за то же время соответствует отрезок Ьс. Так как за одно и то же время равномерно движущимся телом проходятся пространства ab и Ьс, то моменты движения относятся между собой, как ab к Ьс. Поэтому под действием обоих движений тело пройдет диагональ ас и момент скорости его будет равен ас»5.
Приведем еще высказывания Галилея по поводу суперпозиции движений. В «Диалоге» Сагредо говорит:
«... если бы на вершине башни находилась пушка, поставленная горизонтально, и из нее производились выстрелы параллельно горизонту, то в зависимости от большего или меньшего заряда ядро до своего падения пролетело бы тысячу локтей, или четыре тысячи, или шесть тысяч, или, наконец, десять тысяч и т. д., и все же полеты совершались бы в промежутки времени, равные друг другу, и каждый из них равнялся бы тому времени, которое ядро потратило бы на прохождение от жерла пушки до земли, если бы оно
’ Г. Галилей, Сочинения, т. 1, ГТТИ, 1934, стр. 418. ’Также.
3 Т а м же, стр. 430.
’Там же, стр.431.
s Т а м ж е, стр. 438—439.
Фиг. 3—6. Сложение движений по Г алилею.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ	] >3
упало оттуда без всякого другого импульса вниз по перпендикуляру»1. Правда, в «Диалоге» Галилей еще неточно считает траекторию снаряда кру -говой, но в «Беседах» эта ошибка им исправлена.
Из других результатов, полученных Галилеем в механике, укажем на его подробный разбор движения тела по наклонной плоскости, в частности определение времени скатывания в зависимости от наклона и длины. Галилей, рассматривая линии скатывания между двумя горизонталями, находит, что время падения по хорде будет больше, чем время падения по ломаной, вписанной в дугу окружности, а время скатывания по этой дуге будет еще меньше. Галилей, правда, не нашел вида линии кратчайшего скатывания (брахистохроны), но совершенно правильно установил, что время скатывания по дуге окружности меньше времени скатывания по хорде и любой ломаной, вписанной в эту хорду. С этим утверждением Галилея связано и другое, что дута окружности является таутохроной, т. е. время падения тяжелой точки по дуге окружности к ее низшей точке одинаково для различных отрезков этой дуги. Это утверждение выведено из наблюдений изохронности качаний кругового маятника. На самом деле оно правильно только для малых дуг. Время качания маятника Галилей нашел пропорциональным корню квадратному из его длины.
Итак, Галилей получил в области механики следующие результаты: 1)открыл закон инерции, хотя и не дал его полной и-точной формулировки; 2) открыл принцип суперпозиции движений, установил правило параллелограмма скоростей, нашел траекторию тела, брошенного горизонтально;
3)	открыл закон равноускоренного движения;
4)	установил принцип относительности для механических процессов;
5)	дал основы теории движения кругового маятника и разобрал теорию движения по наклонной плоскости.
Эти, а также ряд других частных результатов, полученных Галилеем, дают полное основание считать его основателем механики. Вместе с тем следует отметить, что такие фундаментальные понятия механики, как масса и сила, Галилеем еще не определены.
Ученик Галилея, Торричелли, в 1641—1644 гг. рассмотрел задачу о движении тела, брошенного под углом к горизонту, дал метод построения касательной и траектории движения, определил условие наибольшей дальности полета, показал, что огибающей всех траекторий полета, имеющих одинаковую величину, но разные направления скорости, будет парабола.
В 1644 г. Декарт дает полную формулировку закона инерции:
«... тело, раз начав двигаться, продолжает это движение и никогда само собою не остановится» 1 2.
«Второй закон, замеченный мною в природе, таков? каждая частица материи в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой, хотя некоторые из этих частиц часто бывают вынуждены от нее отклоняться, встречаясь на своем пути с иными частицами...»3
Обратим внимание, что в этих законах ни слова не говорится о каких-либо причинах или силах, речь идет только о взаимодействии частей материи. Такая постановка вопроса вытекает из общей физической концепции
1 Галилео Галилей, Диалог о двух системах мира, Гостехиздат, 1948, стр. 124—125.
2 Р. Декарт, Избранные произведения, Госполитиздат, 1950, стр. 486.
3 Там же, стр. 487.
5
П. С. Кудрявцев
114 ГЛАВА III. ФИЗИКА =>ПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Декарта, который мыслит всю Вселенную как однородную материю, тождественную с пространством. Основным свойством материи Декарт считает протяженность, поэтому количество материи у него тождественно с объемом, ею занимаемым.
Следует заметить, что основные законы движения Декарта изложены им ранее более ясно и четко в сочинении «Трактат о свете», или «Мир», которое он отказался издавать, узнав об осуждении Галилея, и оно было издано только после его смерти в 1664 г. Приведем формулировку принципов, или «правил», Декарта из этого трактата:
«Первое правило заключается в следующем: каждая частица материи в отдельности продолжает находиться в одном и том же состоянии до тех пор, пока столкновение с другими частицами не вынуждает ее изменить это состояние». В частности, величина и форма частицы остаются неизменной, пока удары о другие частицы не деформируют или не раздробят ее; «если она остановилась на каком-нибудь месте, она никогда не двинется отсюда, пока другие ее не вытолкнут; и раз уж она начала двигаться, то будет продолжать это движение постоянное равной силой до тех пор, пока другие ее не остановят или не замедлят ее движения» *.
«В качестве второго правила я предполагаю следующее: если одно тело сталкивается с другим, оно не может сообщить ему никакого другого движения, кроме того, которое потеряет во время этого столкновения, как не может и отнять у него больше, чем одновременно приобрести себе» 1 2.
Здесь мы встречаемся с первой в новой физике формулировкой закона сохранения движения. Декарт, апеллируя к неизменности бога и его действий, считает, что содержанием двух правил является сохранение богом вложенного им во Вселенную определенного количества движения. Эта апелляция к богу является характерной маскировкой для Декарта, она особенно часто встречается в «Началах философии», но уже современникам Декарта было ясно, что бог здесь является ненужным привеском.
«В виде третьего правила я прибавлю, что хотя при движении тела путь чаще всего представляется в форме кривой линии и что хотя невозможно произвести, как это было сказано, ни одного движения, которое не было бы в каком-либо виде круговым, тем не менее каждая из частиц тела по отдельности всегда стремится продолжать его по прямой линии» 3.
Таким образом, в принципах Декарта закон инерции является частным случаем общего закона сохранения движения. С этими законами связана и мера движения: изолированное тело стремится сохранить свою величину и скорость, следовательно, мера движения, или, как выражался Декарт, сила продолжать свое движение, определяется величиной тела., скоростью движения и, кроме того, формой поверхности и способом воздействия различных тел. Чтобы определить эту меру, Декарт рассматривает удар тел. Два равновеликих тела, движущихся по одной прямой с равными и противоположными скоростями, обмениваются скоростями, они ничего не теряют и не приобретают в величине движения. Из этого первого закона удара, установленного Декартом, следует, что в качестве меры движения он принимает величину, названную впоследствии количеством движения, т. е. произведение массы на скорость. Масса у Декарта — это количество материи, равное объему тела при неизменной плотности. Что же касается способ-
1 Р. Декарт, Избранные произведения, Госполитиздат, 1950, стр. 198.
2 Т а м же, стр. 200.
3 Там же, стр. 202.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
115
нести тела сохранять свое движение, т. е. того, что мы называем инертностью, то она определяется не только количеством материи, но и формой тела и его скоростью. Декарт считает, что чем больше скорость тела, тем труднее оно изменяет свое состояние, тем больше его инертность.
Механическая физика Декарта содержала много интересных идей о происхождении солнечных систем (Декарт принимал, что, кроме нашей системы, существуют и другие аналогичные ей миры), о движении планет, о природе тяготения и т. д. В этих построениях Декарта большую роль играли вихревые движения частиц, к которым он пытался свести в конечном счете и силу тяготения. Построения Декарта нередко носили фантастический характер и подвергались резкой критике со стороны Ньютона и его последователей, но они имели то историческое значение, что представляли собой попытку дать последовательную механическую картину мира, основанную на двух основных понятиях: материи и движении и принципе сохранения материи и движения. Самое картезианское представление о мире, как вечно движущемся материальном континууме, было глубоко прогрессивным и продолжает жить в измененной форме в научных теориях вплоть до наших дней.
Не следует думать, что в своей механике Декарт занимался только общими проблемами и чуждался конкретных задач. Он вновь подтверждает закон параллелограмма скоростей, занимается проблемой удара (хотя и не вполне удачно, ибо Декарт не считал количество движения векторной величиной, к тому же ряд «правил», установленных им, явно противоречит опыту) и проблемой маятника. Декарт первым показал, что задача определения периода колебания физического маятника сводится к определению длины соответствующего математического маятника и, следовательно, к нахождению особой точки: центра качания. Он определил положение центра качания для некоторых плоских фигур. Однако решение задачи о физическом маятнике удалось довести до конца выдающемуся ученому второй половины XVII в. Христиану Гюйгенсу.
Христиан Г ю й г е н с (1629—1695) был продолжателем Галилея в механике и последователем Декарта в своих физических воззрениях. Его знаменитое сочинение «Маятниковые часы» вышло в 1673 г. В первой части этого сочинения описаны изобретенные Гюйгенсом часы с маятником. Вторая часть посвящена теоретическим вопросам. Здесь, как пишет Гюйгенс, «потребовалось укрепить и, где нужно, дополнить учение великого Галилея о падении тел» Г Этой части предпосланы «гипотезы», представляющие собой не что иное, как закон инерции и принцип суперпозиции.
«I. Если бы веса не было и воздух не сопротивлялся движению тел, то каждое из них продолжало бы достигнутое движение прямолинейно и с постоянной скоростью.
II. Однако благодаря действию веса, причину которого мы не рассматриваем, случается, что тела производят сложное движение, составленное из равномерного движения в том или ином направлении и из движения, вызванного весом и направленного по вертикали вниз.
III. Эти два движения можно рассматривать отдельно, и каждое из них не влияет на первое» 1 2.
Заметим, что формулировка закона инерции опять-таки отличается от современной упоминанием о весе. Мы теперь привыкли отвлекаться от силы
1 X. Гюйгенс, Три мемуара по механике, изд. АН СССР, 1951, стр 10
2 Там же, стр. 34.
5*
1 If, ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Христиан Гюйгенс
по какому бы пути не падало тело в
тяжести и продолжаем упоминать только о сопротивлении, демонстрируя инерцию. Основатели механики хорошо сознавали, что они живут на Земле, в условиях действия земного поля тяготения, производящего «естественные» движения. Надо было привыкнуть и к мысли о необходимости переноса системы отсчета с Земли на Солнце при решении астрономических задач и к необходимости отвлечься от поля тяготения при решении задач механики в лабораторной системе отсчета. Это было не так-то легко, и об этом надо было напоминать.
За этими гипотезами идут предложения, касающиеся законов падения и движения по наклонной плоскости. Здесь Гюйгенс дает геометрические доказательства выводов Галилея. Через всю цепь доказательств различных случаев красной чертой проходит одна важная мысль: поле тяжести, его скорость всегда
определяется высотой падения и тело не может подняться на высоту большую той, с которой оно упало, или той, которая соответствует начальной скорости бросания. Другими словами, Гюйгенс доказывает консервативный характер силы тяжести. Все его доказательства, если перевести их на современный язык, представляют собой закон сохранения энергии в механике: сумма кинетической и потенциальной энергии есть величина постоянная.
В итоге своих доказательств Гюйгенс приходит к важному для его теории часов выводу, что таутохроной является не дуга окружности (как думал Галилеи), а дуга циклоиды. Полупериод колебания по циклоиде определяется формулой:
Т=
Гъ_ g
Гюйгенс применяет в своих часах циклоидальный маятник Для изготовления такого маятника ему понадобилось создать теорию развертки кривых, которой и посвящена третья часть его сочинения.
Четвертая часть книги Гюйгенса посвящена проблеме физического маятника. Этой проблемой Гюйгенс начал заниматься с 1646 г., «когда я был еще почти мальчиком», как он сам пишет, в связи с задачей о центре качания, предложенной ученым монахом Мерсенном.
Книга начинается с определений, из которых мы приведем определения физического и математического маятника и центра качаний.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
117
«Под маятником мы будем понимать любую обладающую весом фигуру (линию, плоскость или тело), так подвешенную, что она может совершать колебательное движение вокруг некоторой точки или, вернее, вокруг горизонтальной оси».
«Под простым маятником мы будем понимать нить или линию, не гнущуюся и невесомую и несущую на нижнем конце прикрепленный груз. Вес этого груза как бы сосредоточен в одной точке».
«Под сложным маятником мы будем понимать тело, состоящее из нескольких грузов, сохраняющих неизменное расстояние как друг от друга, так и от оси колебаний. Таким образом, всякое подвешенное тяжелое тело может быть названо сложным маятником, так как оно может быть мысленно разделено на любое число частей».
«Центром качаний любой фигуры назовем ту точку оси фигуры, расстояние от которой до оси колебаний равно длине простого маятника, изохронного с подвешенной фигурой»1.
Эти точные и ясные определения показывают, как далеко со времени Галилея и Декарта продвинулось искусство формулировки проблемы, умение создавать научные обобщения. Сложную задачу — изучение физического маятника — Гюйгенс сводит к изучению системы математических маятников, впервые тем самым переходя от механики точки к механике неизменяемой системы. Руководящим принципом при решении этой сложной задачи у Гюйгенса служит следующая «гипотеза»:
«Если любое число весомых тел приходит в движение благодаря их тяжести, то общий центр тяжести этих тел не может подняться выше, чем он был в начале движения» 1 2.
Другими словами, Гюйгенс опирается на принцип сохранения энергии в механике. Исследование Гюйгенса является важной вехой на пути установления закона сохранения и превращения энергии. Из этого принципа следует, что в отсутствии сопротивления «центр тяжести колеблющегося маятника при спуске и подъеме пробегает одинаковые дуги» 3. Применяя этот принцип к маятнику, Гюйгенс сначала доказывает следующее предложение:
«Маятник, состоящий из нескольких частей, выводят из положения равновесия и затем опускают. Маятник приходит в колебание, начинающееся с состояния покоя. Представим себе, что у маятника, после того как он совершит некоторую часть колебания, исчезнет связь частей между собой и каждая часть направляется вверх с приобретенной ею скоростью и поднимается насколько может; тогда общий центр тяжести всех частей достигнет опять той высоты, на которой был до начала колебания» 4 *.
После этого задача решается в виде следующего предложения:
«Дан маятник, состоящий из произвольного числа частей; множат вес каждой части на квадрат ее расстояния от оси колебаний. Если сумму этих произведений разделить на произведение, получающееся от умножения общего веса всех частей на расстояние общего центра тяжести от той же оси колебаний, то получается длина простого маятника, изохронного с данным сложным маятником, или расстояние между осью колебаний и центром качаний сложного маятника» 6.
1 X. Гюйгенс, Три мемуара по механике, изд. /АН СССР, 1951, стр. 120—122.
2 Т а м же, стр. 122.
3 Т а м же, стр. 125.
4 Т а м же, стр. 128.
‘Там же, стр. 130.
118 I Л A В A III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Выразим это фундаментальное предложение формулой. Пусть тх, m2,ms... будут массы отдельных точек маятника, i\, г2, га ... —их расстояния от оси колебаний, a — расстояние центра тяжести от той же оси, Р =	—
общий вес маятника. Тогда приведенная длина выразится формулой:
__Eg-a Е ‘
Несколько ранее Гюйгенсом было показано, что
а У mi — У Так что
Ет.-Ц
Ё тгг 4'
Здесь впервые в истории физики появляется важная величина — момент инерции I =	Если ввести эту величину и общую массу маятника
М = Xmi> то формула приведенной длины принимает хорошо известный из учебников вид
1= -
Ma'
Гюйгенс доказывает в дальнейшем принцип оборотного маятника: «Центр качаний и подвес (ось колебаний) можно поменять местами» 1. Он вычисляет приведенные длины для маятников различных геометрических форм и приходит к выводу, что такой длиной можно воспользоваться в качестве основной линейной меры, приняв в качестве меры длины длину секундного маятника. Хотя Гюйгенс и построил свои часы с циклоидальным маятником, он совершенно справедливо указывает, что для таких измерений можно пользоваться и круговым маятником с малым размахом колебаний, «так как при малых колебаниях, в 5—6 градусов, период колебаний еще достаточно постоянен» 1 2.
В заключительной части своего сочинения Гюйгенс приводит без доказательства теоремы о центробежной силе. В этих теоремах содержится известный закон центробежной силы:
г, mt)2
f=~r-
Закон дается без доказательства. Без доказательства даются теоремы, относящиеся к движению конического маятника, и дополнительная теорема, утверждающая, что натяжение нити математического маятника, отклоненного на 90“, в момент прохождения низшей точки равно утроенному весу. Доказательства этих теорем и прежде всего основной формулы для центробежной силы даны Гюйгенсом в мемуаре «О центробежной силе», опубликованном уже после его смерти в 1703 г. В этом же году был напечатан и ме-муар Гюйгенса «О движении тел под влиянием удара». Задачу об упругом ударе Гюйгенс решил в 1669 г., однако его результаты не были опубликованы Лондонским королевским обществом, куда он их направил. При решении задачи об ударе Гюйгенс пользуется понятием количества движения. Его он определяет совершенно в духе Декарта: «Количество движения оценивается таким образом, что у неодинаковых тел, движущихся с одинаковой
1 X. Гюйгенс, Три мемуара по механике, изд. АН СССР, 1951, стр. 163.
2 Т а м же, стр. 198.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ	1 [9
скоростью, количество движения тем больше, чем больше тело. У одинаковых тел, движущихся с разными скоростями, количество движения тем больше, чем больше скорость» 1. Как видим, у Гюйгенса вместо массы фигурирует «величина тела». Для однородной материи она пропорциональна объему, или же, как писал Гюйгенс в 1669 г., «величина тел определяется их весом» 1 2. Существенно, что Гюйгенс в своих выводах широко опирается на принцип относительности, который он в мемуаре об ударе тел формулирует следующим образом:
«Движение тел, а также их одинаковые или разные скорости надо рассматривать как относительные по отношению к другим телам, которые мы считаем покоящимися, не учитывая того, что как те, так и другие тела могут участвовать в другом, общем движении. Поэтому два тела, соударяясь, даже в случае, если оба вместе участвуют еще в другом равномерном движении, для лица, также участвующего в общем движении, действуют друг на друга так, как будто бы этого общего движения не существовало» 3.
Можно констатировать, что в основе механических исследований Гюйгенса лежат два фундаментальных принципа: принцип сохранения энергии и принцип относительности. В этом отношении дух трактатов Гюйгенса напоминает современные работы по теоретической физике. Следует, однако, отметить, что математический аппарат, используемый Гюйгенсом, не соответствует новым идеям. Методами анализа и аналитической геометрии Гюйгенс не пользуется. Примеру Гюйгенса следует и Ньютон, утяжеливший свои «Математические начала натуральной философии» геометрическими доказательствами.
Исаак Ньютон (1643—-1727) завершил дело создания классической механики. Знаменитое его сочинение «Математические начала натуральной философии» вышло в 1687 г., 2-е издание — в 1703 г. Во вступительной части этой книги Ньютон анализирует основные понятия механики: массу, количество движения, силу и, наконец, пространство и время. Сочинение открывается рядом определений этих основных понятий.
«Определение 1: Количество материи есть ее мера, возникающая совместно из ее плотности и объема-»4.
В пояснении к определению Ньютон указывает: «Это же количество я обычно подразумеваю в дальнейшем под названиями тело или масса». Наряду с этими терминами Ньютон употреблял термины: материя, сфера, запас материи, величина, сила инерции. Все это указывает на трудности физического определения такого понятия, как «количество вещества». Для однородной материи оно пропорционально объему, для разнородных веществ необходимо указывать критерий, по которому сравниваются «количества материи», Ньютон в пояснении к этому определению в качестве такого критерия указывает вес, считая количество материи пропорциональным весу, «что мною найдено опытами над маятниками, произведенными точнейшим образом». Следовательно, в этом своем первом определении Ньютон недалеко уходит от Гюйгенса. Фактически он, как и его предшественники,
1 X. Гюйгенс, Три мемуара по механике, изд. АН СССР, 1951, стр. 223.
2 Т а м же, стр. 367.
3 Т а м же, стр. 213—214.
4 Перевод В. Г. Фридмана, Успехи физических наук, Гостехиздат, 1957, т. LXI, вып. 3, стр. 452.
120 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
опирается на многовековой опыт человечества в количественном сравнении различных веществ по весу.
В определении II Ньютон определяет количество движения как величину, устанавливаемую пропорционально количеству материи и скорости, и добавляет, что «количество движения целого есть сумма количеств движения его частей».
Понятие количества вещества имеет метафизический оттенок, пока не указаны способы его измерения. Вес — это внешнее действие на материю, переменное по своему характеру, и потому не может быть отождествлен с тем неизменным атрибутом тела, каким, по Ньютону, является масса. В чем же проявляется масса тела? Ответом на этот вопрос является следующее определение:
«Определение III. Вро-
„	жденная сила материи есть прису-
щая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения». «Эта сила, — добавляет Ньютон, — всегда пропорциональна массе, и если отличается от инерции массы, то разве только воззрением на нее».
Вот здесь-то и вводится обычное определение массы как меры инерции. Инерция тела проявляется двояко — как сопротивление и как напор. «Как сопротивление — поскольку тело противится действующей на него силе, стремясь сохранить свое состояние; как напор — поскольку то же тело, с трудом уступая силе сопротивляющегося ему препятствия, стремится изменить состояние этого препятствия». Инерция является изначальным неизменным атрибутом материи, ее «врожденной силой», поэтому ее вполне можно отождествить с количеством вещества. Пропорциональность ее весу является случайным, необъяснимым обстоятельством.
Так обстоит дело у Ньютона с понятием массы. Последующие определения посвящены уточнению понятия силы.
Определив силу — определение IV — как «действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения», Ньютон указывает на внешний по отношению к телу характер этого действия. Сила может быть произведена ударом, давлением и, наконец, некоторым силовым центром. Это последнее действие Ньютон считает необходимым определить полнее и точнее.
«Определение V. Центростремительная сила есть, та, с которой тела к некоторой точке, как к центру, отовсюду притягиваются, гонятся или как бы то ни было стремятся».
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
121
Таким полем центростремительных сил является пространство вокруг Земли, пространство вокруг магнита, пространство вокруг Солнца. Центростремительная сила в каждой точке такого пространства определяется мощностью самого силового центра, положением точки воздействия и, наконец, массой тела, помещенного в эту точку. В связи с этим Ньютон различает в центростремительной силе три фактора ее: абсолютную, ускорительную и движущую величину.
«Определение VI. Абсолютная величина центростремительной силы есть мера большей или меньшей мощности самого источника ее распространения из центра в окружающее его пространство».
«Определение VII. Ускорительная величина центростремительной силы есть ее мера, пропорциональная той скорости, которую она производит в течение данного времени».
«Определение VIII. Движущая величина центростремительной силы есть ее мера, пропорциональная количеству движения, которое ею производится в течение данного времени».
То, что Ньютон называет «ускорительной силой», есть не что иное, как напряженность силового поля — фундаментальное понятие теории силового поля. Движущая сила пропорциональна как напряженности поля, так и массе тела. Ее можно измерить статическим методом, прилагая к телу силу, препятствующую его перемещению под действием силового поля. Ньютон подчеркивает, что вводимые им понятия являются математическими характеристиками поля. «Эти понятия должно рассматривать как математические,— заявляет он, — ибо я еще не обсуждаю физических причин и места нахождения сил». И несколько ниже он еще раз указывает: «Название же «притяжение» (центром), натиск, или стремление (к центру), я употребляю безразлично одно вместо другого, рассматривая эти силы не физически, а математически, поэтому читатель должен позаботиться, чтобы ввиду таких названий не думать, что я ими хочу определить самый характер действия или физические причины происхождения этих сил или же приписывать центрам (которые суть математические точки) действительно и физически силы, хотя я и буду говорить о силах центров и о притяжении центрами».
Следовательно, Ньютон не склонен объективизировать силу, как это делали ньютонианцы. Он рассматривал ее как математическую категорию, которая позволяет описать то взаимодействие тел, результатом которого являются их ускорения.
Раздел «Определения» заключается знаменитым «Поучением», в котором Ньютон излагает свои взгляды на пространство и время, относительное и абсолютное движение. Ньютон хорошо знает, что наблюдаемые в природе движения имеют относительный характер: «движение и покой, при обычном их рассмотрении, различаются лишь в отношении одного к другому, ибо не всегда находится в покое то, что таковым простому взгляду представляется», — говорит он в пояснении к «Определению III», и описание их требует задания системы отсчета. Но Ньютон полагал, что можно говорить об абсолютном движении тел, вводя понятие абсолютного пространства и времени. Вот как определяет он эти фундаментальные в его механике понятия:
«I. Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.
Относительное, кажущееся, или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве
122 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.
II.	Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему и остается всегда одинаковым и неподвижным.
Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное: так, например, протяжение пространств подземного воздуха или надземного, определяемых по их положению относительно Земли. По виду и величине абсолютное и относительное пространства одинаковы, но численно не всегда остаются одинаковыми. Так, например, если рассматривать Землю подвижною, то пространство нашего воздуха, которое по отношению к Земле остается всегда одним и тем же, будет составлять то одну часть пространства абсолютного, то другую, смотря по тому, куда воздух перешел, и, следовательно, абсолютно сказанное пространство беспрерывно меняется.
III.	Место есть часть пространства, занимаемая телом, и по отношению к пространству бывает или абсолютным, или относительным. Я говорю «часть пространства», а не положение тела и не объемлющая его поверхность. Для равнообъемных тел места равны, поверхности же от несходства формы тел могут быть и неравными. Положение, правильно выражаясь, не имеет величины, и оно само по себе не есть место, а принадлежащее месту свойство. Движение целого то же самое, что совокупность движений частей его, т. е. перемещение целого из его места то же самое, что совокупность перемещений его частей из их мест, поэтому место целого то же самое что совокупность мест его частей, и, следовательно, оно целиком внутри всего тела
IV.	Абсолютное движение есть перемещение тела из одного абсолютного его места в другое, относительное — из относительного в относительное же».
Признавая объективное существование пространства и времени, Ньютон становится на материалистическую точку зрения. Но, отрывая абсолютное пространство и время от реальных вещей и процессов, Ньютон придает этим категориям метафизический характер. Абсолютное время характеризуется, по Ньютону, равномерностью течения; для относительного времени, постигаемого в процессах, например движениях светил, такой равномерности может и не быть. «Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенной точностью». Абсолютное пространство Ньютона — это абсолютно неподвижное пространство. «Как неизменен порядок времени, так неизменен и порядок частей пространства. Если бы они переместились из мест своих, то они продвинулись бы (так сказать) в самих себя, ибо время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения. По самой своей сущности они суть места, приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то места и суть места абсолютные, и только перемещения из этих мест составляют абсолютные движения.
На практике же мы имеем дело с относительными движениями, связывая системы отсчета с теми или иными телами. «Может оказаться, что в действительности не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих». Абсолютное же время и пространство
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
123
непостижимы чувствами и теряют свой физический характер, превращаясь в чистые абстракции. Можно было бы обойтись при физических исследова ниях и без этих абстракций, оперируя с теми пространственно-временными представлениями, к которым приводит изучение реальных процессов.
Однако Ньютон полагает, что существуют физические способы обнаружения абсолютных движений, т. е. перемещений тел в абсолютном пространстве. Обнаружить равномерное прямолинейное движение системы отсчета невозможно по классическому принципу относительности Галилея, принимаемому и Ньютоном. Но можно обнаружить проявления абсолютного движения системы. Абсолютное движение отличается от относительного тем, что приложенные силы действительно изменяют абсолютное движение тела, в то время как относительное движение может изменяться и без действия сил на тело — достаточно только, чтобы силы действовали на окружающие тела. Если подвесить на веревке сосуд с водой и, закрутив веревку, предоставить ей возможность раскручиваться, то будут наблюдаться следующие явления: сосуд приходит в движение, вода же неподвижна, и ее поверхность плоская. По мере раскручивания веревки вода также начинает вращаться, и это скажется в повышении ее уровня у стенок и понижении в центре — части воды удаляются от оси вращения. Таким образом, в начальный момент относительное движение сосуда и воды было наибольшим, однако никаких проявлений этого относительного движения воды не наблюдалось. Затем относительное движение сосуда и воды уменьшилось, вода пришла во вращение так же, как и сосуд, и это проявилось в удалении частиц воды от оси вращения. Вот это-то стремление вращающихся тел удалиться от оси вращения и дает возможность распознать абсолютное вращение. «Таким способом, — говорит Ньютон, — могло бы быть определено количество и направление кругового движения внутри огромного пустого пространства, где не существовало бы никаких внешних доступных чувствам признаков, к которым можно было бы относить положения шаров Е Если бы в этом пространстве, кроме того, находились еще некоторые весьма удаленные тела, сохраняющие относительное друг к другу положение, подобно тому, как наши неподвижные звезды, то по перемещению шаров относительно этих тел мы не могли бы определить, чему принадлежит это перемещение — телам или шарам. Но если бы мы, определив натяжение нити, нашли, что это натяжение как раз соответствует движению шаров, то мы заключили бы, что движение принадлежит шарам, а не внешним телам и что эти тела находятся в покое».
Ньютон и полагает, что задачей механики является «нахождение... истинных движений по причинам, их производящим, по их проявлениям и по разностям кажущихся движений и, наоборот, нахождение по истинным или кажущимся движениям их причин и проявлений». Так вошла в физику нью-тонианская концепция абсолютного пространства и времени.
Установив систему отсчета, покоящуюся в абсолютном пространстве, Ньютон переходит к формулировке законов механики в этой системе. Эти знаменитые законы Ньютона формулируются им следующим образом.
«Закон Е Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние».
1 Речь идет у Ньютона о воображаемом опыте исследования вращательного движения шаров, связанных нитью, ось вращения которых проходит через центр тяжести шаров. По натяжению нити можно констатировать, вращаются шары или нет.
124 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
«Закон II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует».
«Закон III. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга равны и направлены в противоположные стороны».
Стержнем ньютоновской динамики является второй закон, который математически можно записать так:
р d(mv)
dt '
Сила, как указывает третий закон, всегда является взаимодействием между телами. Она определяется конфигурацией взаимодействующих тел, т. е. их массами и взаимными расстояниями. Она не будет зависеть от состояния тела и от наличия других сил. Отсюда вытекает в качестве следствия принцип суперпозиции сил, формулируемый Ньютоном в виде правила параллелограмма сил. Это следствие дает возможность Ньютону перекинуть мост от динамики к статике; он трактует действие простых машин, разлагая и складывая действующие силы по правилу параллелограмма. Таким путем он выводит закон равновесия косого рычага и действие наклонной плоскости. А это дает возможность вывести «соотношения между усилиями в машинах, составленных из колес, барабанов, воротов, рычагов, блоков, натянутых канатов и других механизмов, и весами грузов, поднимаемых или прямо, или наклонно, а также силы связок, приводящих в движение кости животных».
Из третьего и второго законов Ньютон выводит закон сохранения количества движения для замкнутой системы, т. е. системы, не подверженной действиям внешних сил, а только взаимодействиям тел, входящих в эту систему (следствие III). В следствии IV утверждается: «Центр тяжести системы двух или нескольких тел от взаимодействия тел друг на друга не изменяет ни своего состояния покоя, ни движения, поэтому центр тяжести системы всех действующих друг на друга тел (при отсутствии внешних действий и препятствий) или находится в покое, или движется равномерно и прямолинейно».
«Следовательно, — заключает Ньютон, — по отношению к центру тяжести системы нескольких тел имеет место тот же самый закон сохранения состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения, как и для одного тела. Таким образом, поступательное количество движения отдельного ли тела, или системы тел надо всегда рассчитывать по движению центра тяжести их». Так Ньютон устанавливает это весьма важное для динамики системы предложение.
Наконец, из принципа независимости действия сил и из того, что силы взаимодействия определяются только расстоянием между телами, вытекает классический принцип относительности Галилея—Ньютона.
«Следствие V. Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо -пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство или движется равномерно и прямолинейно без вращения».
Точно так же относительное движение тел не изменяется, если приложить одновременно ко всем телам равные и одинаково направленные силы.
Раздел «Начал», посвященный изложению аксиом движения и ближайших следствий из них, заключается «Поучением», в котором идет речь об опытной проверке законов движения. Первые два закона и вытекающий из них принцип независимости действия сил подтверждены опытами Галилея над падающими телами. Отправляясь от тех же законов, можно вывести формулу ка
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
125
чания маятника, которая подтверждена уже практикой с часами. Третий закон динамики был подтвержден опытами Рена и Мариотта над ударами шаров. Сам Ньютон повторил эти опыты с большей точностью, введя поправку на сопротивление воздуха. Он нашел, что «третий закон по отношению к удару и отражению подтверждается теорией, вполне согласующейся с опытом».
Подтверждается третий закон и для взаимодействий на расстоянии. Если бы эти взаимодействия не были равны, то, поместив между; взаимно притягивающимися телами препятствие, мешающее их сближению, можно было бы обнаружить, как это препятствие уступает действию большей силы. «Я производил подобный опыт с магнитом и железом; если их поместить каждый в отдельный сосуд и пустить плавать на спокойной воде так, чтобы сосуды взаимно касались, то ни тот, ни другой не приходит в движение, но вследствие равенства взаимного притяжения сосуды испытывают равные давления и остаются в равновесии». Точно так же, если бы взаимные притяжения частей Земли не уравновешивались, то Земля ушла бы ускоренным движением в бесконечность.
Ньютон считал особенно необходимым подтвердить экспериментально третий закон, как новый и впервые в отчетливой форме высказанный им. Этим объясняется и то, что сам он проделал опыты, подтверждающие этот закон, и то, что он указывает далее на большой опытный материал, доставляемый статическими машинами. «Подобно .ому, как при ударе и отражении тела, коих скорости обратно пропорциональны массам, равнозначащи, так и при движении механических приборов действующие силы, коих скорости, взятые по направлению самих сил (проекции скорости точки приложения каждой силы на направление этой силы), обратно пропорциональны этим силам, равнозначащи между собой, и при стремлении в противоположные стороны взаимно уравновешиваются. Так обстоит дело в рычаге, блоке, наклонной плоскости, винте, часах и во всякого рода машинах... Действительность и назначение машин в том только и состоит, чтобы, уменьшая скорость, увеличивать силу, и наоборот, ибо во всех подобного рода приборах в сущности решается такая задача: заданный груз двигать заданною силой или же заданное сопротивление преодолеть заданным усилием». И Ньютон заключает поучение многозначащим выводом:
«Дальнейшее изложение учения о машинах сюда не относится, я хотел лишь показать, сколь далеко простирается и сколь благонадежен третий закон движения. Если действие движущей силы оценивать пропорционально произведению этой силы и скорости и подобно этому противодействие сопротивлений оценивать для каждой части в отдельности пропорционально произведению ее скорости и встречаемого ею сопротивления, происходящего от трений, сцепления, веса и ускорения, то во всякой машине действие и противодействие будут постоянно равны, и поскольку действие передается машиной и в конце концов прилагается к сопротивляющемуся телу, то это последнее его значение будет обратно значению противодействия».
«В этих заключительных словах поучения, — комментирует академик Крылов, — можно видеть не только начало возможных перемещений в его всеобъемлющем приложении к учению о равновесии машин, т. е. вообще систем тел с полной связью или одною степенью свободы, но и сущность принципа Д’Аламбера, лишь высказанную в столь сжатой форме, что нужен был гений Лагранжа, чтобы это общее начало выразить одною математическою формулой, включающей в себя всю статику и динамику».
126 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Так Ньютон привлекал для обоснования механики весь современный ему механический опыт. Законы Ньютона подтвердились дальнейшим развитием механики с исключительной точностью. Только в области больших скоростей, с одной стороны, и для весьма малых частиц — с другой, выявились отступления от ньютоновских законов. В земной и небесной механике ньютоновы законы сохраняют полностью свою силу. Ближайшая задача состояла в том, чтобы развить со всей полнотой следствия из этих законов. Этой задаче и посвящено содержание «Начал».
ТЯГОТЕНИЕ
Основная тема «Начал»—это изучение движений тел под действием центральных сил и в особенности динамическое обоснование системы Коперника. Это обоснование было найдено Ньютоном в его знаменитом законе всемирного тяготения. Рассмотрим коротко историю открытия этого закона.
Как мы знаем, Аристотель считал тяжесть естественным стремлением тел к центру мира, который он полагал в центре Земли. Коперник должен был отвергнуть эту точку зрения, как противоречащую его системе. Он отчетливо высказывает мысль, что тяжесть присуща всем небесным телам. «По моему мнению, — пишет Коперник, — тяжесть есть не что иное, как естественное устремление, которым божественное провидение творца миров одарило части для сочетания и соединения их в единое целое в форме сферы. Такое стремление свойственно, вероятно, Солнцу, Луне и прочим блуждающим светилам, и благодаря его действию они сохраняют свою очевидную шарообразность, несмотря на многообразие совершаемых ими обращений» \
К этой точке зрения присоединяется Галилей в своем «Диалоге».
Более полно ее развивает Кеплер, уподобляя силу тяжести магнитному притяжению:
«Тяжесть есть взаимная склонность между родственными телами, стремящимися слиться, соединиться воедино; магнитная способность есть свойство того же порядка; скорее Земля притягивает камень, чем камень стремится к Земле... Если бы в каком-нибудь месте мира находились два камня на близком расстоянии друг от друга и вне сферы действия какого бы то ни было родственного им тела, то эти камни стремились бы соединиться друг с другом, подобно двум магнитам, где-нибудь посредине этого расстояния, и пути, которые им пришлось бы пройти, были бы обратно пропорциональны их массам» 1 2.
Эта точка зрения оживленно обсуждалась в работах ученых XVII в. Учение Аристотеля было оставлено, но новый взгляд вырабатывался с трудом. Метафизическим спорам противостояли реальные факты: спутники Юпитера, законы Кеплера—и надо было решить вопрос, какие же силы удерживают спутников вокруг планет, а сами эти планеты — около Солнца. Закон тяготения был скрыт в этих фактах, он содержался в законах Кеплера, и сам Кеплер предчувствует это. Во вступлении к своей «Новой астрономии», содержащей два его первых закона, мы читаем:
«Всякая телесная субстанция способна оставаться в покое во всяком месте, если она находится здесь одна и устранена от сферы влияния всякого
1 Николай Коперник, изд. АН СССР, 1947, стр. 208.
2 Цитировано по Д ю ге му, «Физическая теория», 1910, стр. 277.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
127
другого тела... Естественное движение — не круговое, как утверждали древние, а прямолинейное... Если сила Луны простирается до Земли, то тем по большей причине сила Земли простирается до Луны и даже дальше. Ничто из того, что аналогично по свойствам с Землею, не может избежать этой влекущей силы...» Е
Разбирая вопрос о причине движения планет вокруг Солнца, Кеплер решает его в том смысле, что в Солнце есть сила, увлекающая планеты, действующая в плоскости планетных орбит. «Я утверждаю, что тело Солнца — магнитно; что Солнце вращается вокруг себя в ту же сторону, как и планеты, но вращение это гораздо быстрее, чем обращение всякой планеты» 1 2 *.
В 1619 г. Кеплер выпустил «Мировую гармонию», содержащую третий закон: «Отношение между периодами обращения любых планет в точности равно полуторному отношению их средних расстояний или радиусов орбит». Здесь он описывает причины, влекущие планеты вокруг Солнца, в следующих выражениях: «или движущие их (планеты. — П. К.) духи становятся слабее по мере удаления своего от Солнца, или что существует один движущий дух, заключенный в центре всех орбит, именно в Солнце, и действующий на планету сильнее, когда он находится от нее ближе, и слабее — на более далеких расстояниях, вследствие этой отдаленности» 8.
Слово «дух» (spiritus) в те времена понималось как некоторое тонкое истечение и было весьма употребительно в естественнонаучных сочинениях. Мы встречаем этот термин и у Бэкона, и у Ньютона, и у их современников. Он нередко отождествлялся с эфиром. Во всяком случае найти материальную причину тяготения, действующего на громадные расстояния без посредства видимой осязаемой материи, было нелегко и термин «сила», заменивший кеплеровский «дух», был ничуть не более «вещественным». Декарт пытался наметить более наглядную картину тяготения в виде вихревых движений опять-таки неощущаемой материи. Эта концепция имела тот недостаток, что не давала возможности количественного объяснения и, в частности, как справедливо указывал Котс в предисловии к ньютоновским «Началам», не согласовалась с законами Кеплера. Накопление динамических знаний давало возможность все более и более точно описывать процесс движения планет. В 1666 г. флорентийский академик Борелли уже почти правильно рисует механику движения планет: «предположим, что планета стремится к Солнцу и в то же время своим круговым движением удаляется от этого центрального тела, лежащего в середине круга. Если обе эти противоположные силы равны между собой, то они должны уравновеситься — планета не будет в состоянии ни приблизиться к Солнцу, ни отойти от него дальше известных пределов —ив таком равновесии будет продолжать свое обращение около Солнца».
В 1673 г. Гюйгенс своей теорией центробежных сил дал динамику кругового движения. В 1674 г. английский ученый Роберт Гук (1635—1703) дает общую динамическую картину солнечной системы, основанную на трех идеях: 1) существовании взаимного тяготения всех небесных тел; 2) «все тела, раз приведенные в прямолинейное и простое движение, будут двигаться по прямой линии, если не будет какой-либо другой действующей силы, отклоняющей их и принуждающей двигаться по кругу, эллипсу или другим более
1 Цитировано по книге: Е. А. Предтеченский, Иоганн Кеплер, Спб, 1891, стр 53.
2 Там же, стр. 56.
8 Там же, стр. 77.
128 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
сложным кривым линиям»; 3) эти силы увеличиваются с уменьшением расстояния. Однако закона зависимости силы тяготения от расстояния Гук не нашел. Открытие закона составило заслугу Ньютона.
Первое печатное упоминание о размышлениях Ньютона над проблемой тяготения мы находим в его оптическом мемуаре 1675 г. «Одна гипотеза, объясняющая свойства света». Речь идет о гипотезе эфирных истечений «духов». Ньютон, указывая, что электрическая пляска бумажек под стеклом может быть объяснена движениями некоторой тонкой материи, пишет:
«Гравитационное притяжение Земли может также причиняться непрерывной конденсацией некоторого иного, схожего эфирного газа».
«Если это так, — продолжает Ньютон, — то обширное тело Земли, каковое всюду может быть действительным центром вечной работы, способно непрерывно сгущать такое количество этого газа, чтобы вызывать нисхождение его сверху с большой скоростью для использования. При таком нисхождении этот газ может увлекать с собою тела, через которые он проходит, с силою пропорциональной поверхностям всех частиц тел, на которые действует» х.
Это место напоминает высказывания Кеплера о «духе», исходящем из Солнца и увлекающем планеты. Однако у Кеплера эти гравитационные истечения действовали в определенной плоскости, у Ньютона они действуют в пространстве, сила этих истечений определяется площадью действия и таким образом убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, наподобие освещенности от данного источника света. Эта оптическая аналогия соответствует другой оптической аналогии: прямолинейность светового луча в однородной среде соответствует прямолинейному равномерному инерционному движению. В свою очередь прямолинейность луча определила геометрию пространства, в котором распространяются свет и тяготение—это эвклидово пространство. Абсолютное пространство Ньютона подчиняется законам эвклидовой геометрии; прямолинейность инерционного движения и закон обратной пропорциональности квадратов для гравитационного притяжения точкой, теснейшим образом связана с геометрическими свойствами ньютоновского пространства.
Известная легенда (имеющая, по-видимому, некоторые основания) о яблоке, упавшем в саду и заставившем Ньютона задуматься над вопросом о расстоянии, на котором действует сила тяжести, свидетельствует, что ко времени написания мемуара закон квадратов был уже выношен Ньютоном. Он распространил этот закон на движение Луны. Результаты его исследований в окончательном виде сформулированы в «Началах» в виде следующего предложения: «Луна тяготеет к Земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите». Ньютон доказывает это предложение следующим расчетом. Примем среднее расстояние от Земли равным 60 радиусам Земли. Время одного оборота Луны вокруг Земли 27 суток 7 часов 43 мин. Окружность Земли по измерениям, предпринятым во времена Ньютона, 123 249 600 парижских фута. Если из этих данных вычислить центростремительное ускорение Луны, то оказывается, что Луна падает на Землю ускоренно так, что при отсутствии начальной скорости она прошла бы за первую минуту путь в 15 парижского
1 И. Ньютон, Одна гипотеза, объясняющая свойства света, перевод С. И. Вавилова, Успехи физических наук, Гостехиздат, 1927, т. VII, вып. 2, стр. 138. Вавилов переводит здесь слово spiritus — «дух» — словом «газ».
§ I ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
129
равной
Фиг. 3—7. К выводу закона тяготения.
фута. «Так как, — пишет Ньютон, — при приближении к Земле сила эта возрастает в обратном отношении квадратов расстояний, то у поверхности Земли она будет в 60 x 60 раз более, нежели на орбите Луны; тело, падающее под действием такой силы в наших местах, стало бы описывать в первую минуту 60 х 60 х 15^ пар. фут., в первую же секунду 15^, или точнее 15 фут.
1 дюйм 1-^ линий. Действительно, тяжелые тела и падают на Землю под влиянием такой силы, ибо длина маятника, делающего на широте Парижа свои размахи в одну секунду, равна 3 футам 8^ линии пар., как это наблюдал Гюйгенс. Отношение же высоты, проходимой телом при падении в первую секунду, к длине такого маятника равно квадрату отношения окружности к диаметру (как показано также Гюйгенсом), следовательно, эта высота равна 7
15 фут. 1 дюйму 1g линии пар. Итак, сила, которою Луна удерживается на своей орбите, если ее опустить до поверхности Земли, становится силе тяжести у нас, поэтому... она и есть та самая сила, которую мы называем тяжестью, или тяготением»1.
Этот расчет сыграл важную роль в утверждении закона тяготения. Но отсюда видно, как сильно зависит научный прогресс от коллективной работы ученых. Для того чтобы открыть закон тяготения, недостаточно было единичных усилий даже такого гения, как Ньютон. Он опирался на точные многовековые наблюдения определения ее расстояния от центра Земли, на градусные измерения, проведенные Пикаром в Париже в 1675 г., и, наконец, на замечательные исследования Гюйгенса.
Но особенно важную роль в открытии закона тяготения сыграли законы Кеплера. Из этих законов чисто математически (это и было сделано Ньютоном в«Началах») вытекает,что на планеты действует сила, направленная к Солнцу и обратно пропорциональная квадрату расстояния от Солнца. Элементарный расчет второго утверждения на основе III закона Кеплера приводится в школьных учебниках. Менее известен элементарный вывод первого утверждения из второго закона. Приведем здесь этот вывод. Пусть планета из некоторого положения А, когда она находилась от Солнца на расстоянии в течение такого малого промежутка времени АС что ее путь за это время можно считать прямолинейным, перешла в положение В. В следующий такой же промежуток времени она пройдет отрезок ВС, причем по второму закону Кеплера площадь треугольника ASB равна площади треугольника BSC. Если бы в точке В не действовала сила притяжения, то за второй промежуток времени планета переместилась бы в направлении АВ на расстояние BD = АВ. Нетрудно доказать равенство площадей треугольников ASB и BSD, а
движения Луны и астрономические
’И. Ньютон, Математические начала натуральной философии, «Известия Николаевской Морской академии», вып. V, 1916, стр. 458—459.
130 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
следовательно, и равенство площадей BSD и BSC. Но эти треугольники имеют общее основание BS, а следовательно, и общую высоту, это означает, что фигура CDBE является параллелограммом и геометрическое приращение скорости, пропорциональное отрезку CD, направлено по BE, т. е. к Солнцу.
Ньютон, установив, что Кеплеровы законы определяются силой тяготения планеты к Солнцу, что Луна тяготеет к Земле, спутники Юпитера к Юпитеру, приходит к следующему важному выводу:
«Все тела тяготеют к каждой отдельной планете и веса тел на всякой планете при одинаковых расстояниях от ее центра пропорциональны массам этих планет» *.
Это важное предложение в современной науке называется законом пропорциональности инертной и гравитационной масс.
В законах Ньютона были указаны два способа сравнения масс: по весу и по ускорению, получаемому ими от одинаковых сил. Независимость ускорения тяжести от массы указывала на совпадение этих мер. Сформулированное выше предложение Ньютон доказывал опытом с маятниками, к которым в качестве грузов подвешивались кадочки, заполненные деревом, золотом, свинцом, стеклом, песком, солью, водой, пшеницей. Оказывалось, что при одинаковой длине маятников они качались одинаково, независимо от характера вещества, составляющего груз маятника. Распространяя результаты этого опыта на все планеты, Ньютон в конце концов приходит к знаменитому обобщению:
«Тяготение существует ко всем телам вообще и пропорционально массе каждого из них» 1 2.
Так был открыт закон всемирного тяготения. Ньютон не исключал возможности объяснения тяготения с помощью определенных физических агентов, в частности с помощью тех же эфирных истечений, о которых он думал вначале. Но он считал,что для такого объяснения нет достаточных данных, «гипотез же я не измышляю», добавлял он. Реакционные последователи Ньютона (их стали называть ньютонианцами), опираясь на это изречение Ньютона, стали требовать изгнания из физики всяких гипотез, ограничивая задачу физики формальным описанием явлений. Передовые деятели науки справедливо усматривали в этом опасность для развития науки и на протяжении всей истории физики боролись со сторонниками «чистого описания».
ГИДРОСТАТИКА И АЭРОСТАТИКА
Существенные результаты были получены и в механике сплошных сред. Трактаты Стевина, Галилея и Паскаля заложили основы гидростатики, восстановив в правах Архимеда и дав новое обоснование его знаменитому закону. Стевин в своих «Принципах равновесия» (1586 г.) доказывает закон Архимеда, опираясь на принцип отвердевания. Представим себе жидкость в сосуде, находящуюся в равновесии. Очевидно, что равновесие не будет нарушено, если часть жидких частиц утратит свою подвижность и некоторый объем внутри жидкости приобретет свойства твердого тела. Так как этот объем находится в равновесии, то очевидно, что вес его уравновешивается равно
1 И. Ньютон, Математические начала натуральной философии, «Известия Николаевской Морской академии», выл. V, 1916, стр. 461.
2 Там же, стр. 464.
§ I. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
131
действующей сил давлений со стороны, окружающей выделенный объем жидкости. Таким образом, на тело, погруженное в жидкость, действует сила, направленная вертикально снизу вверх и равная весу жидкости в объеме тела.
В том же сочинении Стевин доказывает экспериментально и теоретически парадокс — независимость весового давления от формы сосуда — и вычисляет давление на боковую стенку. Все эти расчеты нужны ему для выяснения условий плавания тел, в первую очередь кораблей. Стевин писал свои работы на голландском языке, поэтому вполне понятно, что они остались неизвестными Галилею и Паскалю. Галилей в своем «Рассуждении о телах, пребывающих в воде», опровергая мнение перипатетиков о зависимости плавания от формы тел, восстанавливает закон Архимеда. Возражение перипатетиков, что всякая плоская пластина должна плавать, Галилей опровергает опытом, согласно которому плоская пластина большего удельного веса, чем вода, не всплывает. В погружении или плавании тел играет роль плотность. Так, восковой шарик тонет в воде, но если к ней подбавить соли, то при надлежащей концентрации он всплывает. Интересно отметить, что, признавая факт плавания плоских тяжелых пластин, Галилей указал, что такие пластины плавают в углублении поверхностной пленки. Галилею известен факт образования капель воды на капустных листьях и растекания их при смачивании листа красным вином. От испытующего взора великого ученого не ускользнули, таким образом, и явления, связанные с поверхностным натяжением жидкостей. Его ученики в Флорентийской академии (в особенности Борелли) вплотную приступили к изучению явлений капиллярности. Но время для объяснения этих явлений еще не настало.
Блэз Паскаль (1623—1662) в своем трактате о равновесии жидкостей разбирает вопрос наиболее исчерпывающим образом: закон всесторонней передачи давления в жидкости (закон Паскаля), вычисление весового давления и гидростатический парадокс, закон сообщающихся сосудов и принцип гидростатического пресса — все это он выводит, широко применяя принцип возможных перемещений. Классические исследования Паскаля о равновесии жидкостей перешли почти без изменения в школьные учебники вместе с его результатами в изучении атмосферного давления, о которых было сказано выше.
Открытие давления воздуха имело огромное значение. Особенно важен факт открытия способа изменять упругость газов по определенному закону. Открытие это произошло при следующих обстоятельствах.
Люттихский профессор иезуит Линус высказал мысль, что никакого давления атмосферы не существует, а столб ртути в барометре удерживается особыми невидимыми нитями. Возражая Линусу, знаменитый английский химик Роберт Бойль (1627—1691) решил показать, как можно упругостью воздуха уравновесить вес столба ртути, и, взяв изогнутую трубку с запаянным коротким концом, подливал в открытый конец длинного колена ртуть. Чем меньше становился объем воздуха в закрытом колене, тем большей длины столб ртути уравновешивал его упругость. Помощник Бойля Ричард Т о у н л и заметил из таблиц Бойля, что упругость воздуха изменялась обратно пропорционально его объему. Бойль признал справедливость этого вывода и доказал его для давлений ниже атмосферного. Описание опытов Бойля и формулировка его закона содержатся в его сочинении «Защита доктрины, касающейся упругости и веса воздуха» (1662 г.). В 1676 г. французский священник Эдм Мариотт (1620—1684) в сочинении «Опыты о при-
132 ГЛАВА 111. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Елэз Паскаль
роде воздуха» описывает многочисленные опыты по сжатию и разрежению воздуха, из которых он выводит основной закон независимо от Бойля. Здесь же он дает приближенную барометрическую формулу.
Теоретический анализ законов гидростатики и аэростатики был дан Ньютоном. В «Началах» Ньютон определяет жидкость как тело, «коего части уступают всякой как бы то ни было приложенной силе и, уступая, свободно движутся друг относительно друга». Это определение Ньютона охватывает как собственно жидкости, так и газы. В дальнейшем Ньютон рассмат-, ривает как несжимаемую, так и сжимаемую жидкости, принимая для последней, что плотность ее пропорциональна давлению, т. е. жидкость подчиняется закону Бойля—Мариотта. Ньютон доказывает, что если такая сжимаемая жидкость будет нахо
диться в поле центральных сил, то плотность ее будет изменяться с расстоянием от центра по закону, зависящему от закона силы. В частности, в однородном поле тяжести плотность, а следовательно, и давление меняется с высотой по барометрической формуле, «как это нашел знаменитейший Эдмунд Галлей», — прибавляет Ньютон. Галлей дал вывод барометрической формулы в 1686 г. В заключении пятого отдела второй книги «Начал», в котором излагаются эти теоремы, Ньютон показывает, что закон Бойля—Мариотта может быть выведен математически, если предположить, что жидкость состоит из частиц, взаимно отталкивающихся с силами, обратно пропорциональными расстоянию между их центрами. «Состоит ли жидкость на самом деле из взаимно отталкивающихся частиц, есть вопрос физический», — пишет Ньютон. «Мы доказали математически свойства жидкостей, состоящих из таких частиц, и предоставляем физикам повод исследовать этот вопрос». Физически обоснованный вывод закона Бойля—Мариотта был дан Д. Бернулли и М. В. Ломоносовым позднее, на основе атомно-кинетических представлений.
Ньютон рассматривает и вопрос кинематики и динамики жидкостей. До него первый существенный результат был получен Торричелли, который в 1646 г. нашел известную формулу для скорости истечения жидкости из отверстия. Гидродинамика Ньютона особенно замечательна в том отношении, что он впервые в науке начал теоретически исследовать движение тела в вязкой жидкости. Седьмой отдел второй книги его «Начал» открывается знаменитой теоремой о подобии. Эта теорема определяет условия, при которых две подобные механические системы совершают подобные движения, т. е. дви-
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
133
жение второй системы во всем (кроме масштаба) копирует движение первой системы. Ньютон называет системы подобными, если они состоят из одинакового числа частиц, расположенных подобным образом.
Сформулировав условия динамического подобия, Ньютон вывел из них закон для силы сопротивления тела, движущегося в вязкой жидкости. Этот закон выражается формулой:
kpSvl
Весьма важен восьмой отдел второй книги «Начал», в котором Ньютон рассматривает передачу движения жидкостью. Здесь Ньютон рассматривает закон распространения волн в упругой среде. Он показывает, что волны п ри встрече с препятствием уклоняются (дифрагируют) от прямолинейного распространения, и находит, что скорость распространения волн в упругих жидкостях прямо пропорциональна корням квадратным из их упругости и обратно пропорциональна корням квадратным из плотностей, причем предполагается Бойлева зависимость междуупругостьюиплотностьюгаза.
Формула Ньютона и =У -у не согласуется с опытом, так как упругость меняется со сжатием не по закону Бойля—Мариотта, а по адиабатическому закону (уравнению Пуассона). Она была исправлена Лапласом. Сам Пыотон объяснял расхождение вычисленной по его формуле величины скорости звука с результатами опытных измерений тем, что в воздухе имеются твердые частицы и водяные пары, изменяющие величину его упругости.
Замечательно, что свою теорию распространения волн Ньютон считал неприложимой к свету. «Так как свет распространяется по прямым линиям, то он не может состоять из одного только давления», т. е. не передается через упругую среду, подобно давлению. Звук же распространяется волнами. Поэтому Ньютон, хотя и считал свет механическим процессом, отличал распространение света от распространения звука. Его современник Гюйгенс, напротив, усматривал полную аналогию в распространении звука и света. Осветим теперь более подробно вопрос о состоянии оптики в XVII в.
ОПТИКА
История развития оптики в эпоху научной революции — яркий пример влияния практики на развитие науки. После изобретения очков в эпоху средневековья рано или поздно должна была быть найдена зрительная труба. Так, уже в первой половине XVI в. в одном из сочинений указывается, что если смотреть через две линзы, поставленные одна за другой, то все будет
134 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
казаться больше и ближе. Аналогичное высказывание находится в сочинении итальянца Порта (1545—1615) «Натуральная магия» (1558 г.). Во всяком случае в начале XVII в. голландские мастера уже знали трубу и микроскоп; труба, например, продавалась на ярмарке во Франкфурте еще в 1608 г. Галилей рассказывает, что труба была найдена случайно одним голландским мастером очков; сам Галилей логическим путем пришел к выводу, что труба должна состоять из выпуклой линзы в качестве объектива и вогнутой в качестве окуляра. С такой трубой Галилей сделал первые астрономические на-блюдения, описанные им в сочинении «Звездный вестник» (1610 г.). В 1611 г. вышла «Диоптрика» Кеплера, в которой был начерчен ход лучей в телескопе с двумя выпуклыми линзами. Описание готового инструмента такого типа появилось в сочинении иезуита Шейнера о солнечных пятнах в 1630 г.
Изобретение оптических инструментов стимулировало развитие теоретической оптики. Мастера, практики и теоретики соревновались друг с другом в искусстве шлифования стекол, в деле улучшения инструментов. Теория развивалась в тесном взаимодействии с практикой. Кеплер полагал, что мысль о трубе пришла в голову голландским мастерам после того, как они ознакомились с чертежами в его оптическом сочинении «Дополнения к Вителло», вышедшем в 1604 г. Декарт писал свою «Диоптрику» так, чтобы она была понятна и для мастеров. Ньютон изучал искусство полировки стекол и зеркал у лондонских мастеров и убедился, что он превзошел их в этом деле. Ко времени начала оптических работ Ньютона на рынках уже продавались разнообразные оптические приборы. Сам Ньютон сообщает в своем первом оптическом мемуаре, что он купил призму. Проекционные фонари продавались за несколько лет до того, как они впервые были описаны иезуитом Кирхером в 1671 г.
В условиях интенсивно развивающейся оптической промышленности развитие оптики шло быстро. К началу XVII в. физики не знали закона преломления, точного закона действия линз, не знали основных фактов физической оптики и имели самые смутные представления о природе света. К концу XVII в. оптика полностью сформировалась как научная дисциплина: были открыты основные факты и законы, сформулированы первые подлинно научные теории о природе света.
Первый значительный шаг в развитии оптики был сделан Иоганном Кеплером. В «Дополнениях к Вителло» (1604 г.) Кеплер дает объяснение действия камеры-обскуры, устанавливает, что освещенность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, рисует ход лучей в выпуклых и вогнутых линзах. Он впервые устанавливает теорему об изображении в плоском зеркале и находит построением мнимое изображение в выпуклом зеркале. Наконец, Кеплер правильно понял действие глаза. Изображение в глазе, по Кеплеру, получается не в хрусталике, как думали до него, а на сетчатой оболочке. До Юнга и Гельмгольца Кеплер правильно объяснил аккомодацию глаза изменением кривизны хрусталика.
Еще дальше пошел Кеплер в «Диоптрике». Хотя он не нашел точного закона преломления и пользовался приближенным соотношением, верным только для малых углов, он разработал остроумный метод для измерения углов падения и преломления, измеряя длину тени, отбрасываемой непрозрачной стенкой в воздухе, и в приставленном к стенке кубике из стекла или со стеклянными стенками, заполненном водой. Для небольших углов отношение между углами падения и преломления остается постоянным, и это отношение для стекла Кеплер нашел равным 3/2. Принимая это отноше
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
135
ние, Кеплер вычислил фокусное расстояние для двояковыпуклой, двояковогнутой и плоско-выпуклой линз и нашел, что они могут быть вычислены
л,	1 I 1	1	,1,
по формуле	~р, в частности фокусное расстояние для стеклянного
шара равно радиусу шара. Как уже упоминалось, Кеплер изобрел трубу с двумя выпуклыми линзами, а затем и с тремя линзами (последняя служит для перевертывания изображения).
Точная формазакона преломления была найдена независимо друг от друга голландским математиком Виллебрордом Снеллиусом (1580—1626) и французским философом Рене Декартом. Снеллиус не опубликовал при жизни своего открытия, оно было найдено в его бумагах, опубликованных только в 1662 г. Декарт опубликовал закон преломления в «Диоптрике», вышедшей в качестве одного из приложений к «Рассуждению о методе» в 1637 г.
Он не только дает формулировку закона, но и пытается обосновать его теоретически. Декарт рассматривает свет как процесс передачи импульса в среде, заполненной упругими материями. По мнению Декарта, этот процесс происходит мгновенно. Между прочим, в качестве аргумента, говорящего в пользу бесконечно большой скорости света, Декарт приводил отсутствие аберрации звезд, наблюдаемых в трубу. Это явление было открыто через 90 лет английским астрономом Брадлеем и дало один из методов определения скорости света.
По Декарту, световой импульс распространяется по прямым линиям, однако при переходе из одной среды в другую происходит изменение направления. Чтобы получить закон этих изменений, Декарт моделирует распространение света движением упругого мяча. Такой мяч при ударе о гладкую поверхность отскакивает по закону: угол падения равен углу отражения. Этот закон получится, если предположить, что слагающие скорости мяча, параллельные отражающей поверхности, остаются без изменения, а нормальная слагающая, не изменяя величины, меняет знак. На преломляющей поверхности слагающие скорости, параллельные поверхности, по-прежнему остаются без изменения, в то время’как нормальная слагающая, сохраняя направление, изменяет величину. При этом Декарт для того, чтобы сохранить согласие с опытом, показывающим, что угол преломления в плотной среде меньше угла падения, вынужден признать, что нормальная слагающая скорости в плотной среде возрастает. Тогда закон преломления получается путем приравнивания тангенциальных компонентов скорости в обоих средах, в виде
sin i с2
—— = - = п.
sm г «1
Таким образом, показатель преломления получает в выводе Декарта физический смысл обратного отношения скоростей. Но у Декарта эта скорость только скорость движения модели, сам же свет распространяется мгновенно, физический смысл имеет только отношение синусов. Интерпретация этого отношения как обратного отношения скоростей света была дана Ньютоном. Вывод Декарта вызвал критику со стороны известного математика Ферма (1601—1665 гг.), который считал, что он противоречит принципу наименьшего времени распространения света. Ферма обобщил этот принцип, сформулированный в древности Героном для отражения света на случай преломления, и показал, что свет, идущий из точки, расположенной в первой среде, достигает точки, расположенной под преломляющей поверхностью во второй среде, за кратчайшее время, если отношение синусов сохраняет постоянное зна
136 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
чение, равное прямому отношению скоростей. Вместе с тем Ферма сформулировал очень важный принцип геометрической оптики, справедливый для любой среды и не зависящий от специальной гипотезы о природе света: свет распространяется по такой траектории, которая является экстремальной по отношению ко времени распространения из всех возможных путей между данными точками. В дальнейшем Гамильтон, основываясь на принципе Ферма, развил замечательную оптико-механическую аналогию, сыгравшую важную роль в XX в. при установлении принципов квантовой механики.
В своей «Диоптрике» Декарт дал ряд важных предложений, касающихся параболических, эллиптических и гиперболических зеркал. Он поставил задачу об улучшении оптических приборов и, в частности, устранения сферической аберрации. Декарт полагал, что эту задачу можно решить путем отказа от сферических поверхностей линз и перехода к другим поверхностям второго порядка. В «Метеорах» Декарт дал первую количественную теорию радуги и образования ее побочных дуг. Он вычислил угол, под которым видна радуга, и нашел его равным 42°, а для побочной дуги 52°. Основная дуга, по теории Декарта, получается при однократном полном отражении света в водяной капле (явление полного отражения было открыто Кеплером), а побочная дуга—при двукратном отражении. Чередования цветов радуги Декарт не объяснил, хотя правильно, как и его предшественники Мавролик (1575 г.) и де Доминис (1611 г.), считал их образование аналогичным образованию цветов в призме.
Призматические цвета изучались Маркусом Марци (1595—1667). В 1648 г. Марци поставил призму перед отверстием камеры-обскуры и получал спектры на задней стенке камеры. До Ньютона Марци пришел к правильному выводу, что каждому цвету соответствует своя преломляющая способность и что отдельные монохроматические участки спектра в дальнейшем призмой не разлагаются. Однако сами цвета Марци объяснял еще в духе Аристотеля сгущением темного и светлого «начал».
В 1665 г. вышло сочинение о свете иезуита Гримальди (1618— 1663), сыгравшее важную роль в истории оптики. Гримальди впервые высказал догадку, что характер цвета в спектре обусловлен характером светового движения, причем можно думать, что это движение Гримальди считал колебательным. Спектры Гримальди получал не только преломлением в призме, но и отражением от полированных металлических пластинок, покрытых тонкими царапинами. Другими словами, Гримальди наблюдал отражательные диффракционные спектры. Еще более замечательным является следующее наблюдение Гримальди. Помещая в световой конец камеры-обскуры волос, а затем металлическую полоску, он наблюдал по краям тела радужные полосы — диффракцию. Сделав затем в ставне комнаты два отверстия таким образом, что их изображения на противоположной стене перекрывались, он увидел в поле перекрещивания двух световых потоков темную линию, откуда вывел заключение, что свет, прибавленный к свету, может дать темноту.
Интерференционные явления в тонких мыльных пленках (понятно, еще не имея представления о их сущности) описывали также Бойль и Роберт Гук. Гук наблюдал и диффракционные явления, описанные Гримальди.
Важное открытие двойного преломления в исландском шпате было сделано датским ученым Эразмом Бартолином (1625—1698) в 1669 г. Другой скандинавский ученый Олаф Ремер (1644—1710), работавший
§ I. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ	137
в Парижской обсерватории в 1676 г., обнаружил запаздывание затмений первого спутника Юпитера и из наблюдений этих запаздываний впервые определил скорость света в 41 965 миль в секунду.
Открытия Рёмера и Бартолина были описаны в замечательном сочинении Христиана Гюйгенса «Трактат о свете», вышедшем на французском языке в 1690 г. В этом сочинении Гюйгенс рассматривает свет как движение в эфире, т. е. разрабатываетволновуютеорию света. Правда, световую волну Гюйгенс не считает периодической и оставляет без внимания явления интерференции и диффракции. Зато он подробно описал с волновой точки зрения явления отражения и преломления с помощью сформулированного импринципа распространения волнового фронта, известного и по сие время под названием «принцип Гюйгенса». Гюйгенс обобщил этот принцип и на распространение света в исландском шпате, показав, что здесь распространяются две волны. Обыкновенная, скорость распространения которой по всем направлениям одинакова, и волновой фронт, созданный светящейся точкой, будет сферической поверхностью; и необыкновенная, скорость распространения которой зависит от направления, и соответствующий волновой фронт имеет форму эллипсоида. Гюйгенс описал также явление поляризации (не употребляя этого термина) лучей, преломленных в исландском шпате. Сочинение Гюйгенса является первым теоретическим сочинением по волновой оптике. Из данного им вывода закона преломления вытекало, что отношение синусов равно прямому отношению волновых скоростей, в противоположность утверждению-Ньютона.
Как и в механике, итоги развития оптики были подведены Ньютоном. Интерес к оптическим проблемам возник у Ньютона рано, еще в годы учения в Кембридже, когда он слушал лекции по оптике Исаака Барроу (1630—1677.). Барроу занимал так называемую Лукасовскую кафедру в Кембридже с 1663 по 1669 г., он был первым профессором этой знаменитой в истории Кембриджского университета кафедры. В 1669 г. он передал эту кафедру своему великому ученику. В своих оптических лекциях Барроу, между прочим, давал формулы линз для различных частных случаев. Общая формула
~d + 7 = ~	(РЦ +
была дана только в 1693 г. известным астрономом, первым издателем «Начал» Ньютона Эдмундом Галлеем (1656—1742). В 1664—1667 гг., во время эпидемии чумы, Ньютон был в родной деревне и здесь, очевидно, усиленно размышлял над оптическими задачами. Из его собственного указания мы знаем, что еще в 1665 г. он купил призму и начал с ней эксперименты с солнечным светом. Обратив внимание на удлиненную форму спектра, Ньютон скоро пришел к выводу, что солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости и что эта «преломляемость» является первичным свойством монохроматического пучка, которая не может быть в дальнейшем изменена никакими отражениями, преломлениями или рассеянием пучка. Этот важный принцип Ньютона был уточнен только современной физикой, которая открыла изменения частоты светового луча (а следовательно, и показателя преломления) диспергирующей среды в явлениях комбинационного и комптоновского рассеяния, а также при отражении от движущихся зеркал. Если не считаться с этими тонкими эффектами, то принцип Ньютона подтвержден последующим развитием оптики.
138 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Фиг. 3—8. Телескоп Ньютона Внизу его схема:
1 — вогнутое металлическое зеркало; 2 — наклонное зеркало; 3 — окуляр; 4 — виит для наведения на фокус.
Измерив разность показателей преломления крайних лучей спектра (дисперсию), Ньютон пришел к неправильному выводу о невозможности устранения хроматической аберрации и в связи с этим приступил к изобретению отражательного телескопа. Первый экземпляр телескопа был изготовлен Ньютоном в 1668 г. Это был миниатюрный телескоп-лилипут длиной всего 15сл/(фиг. 3—8). Его миниатюрность особенно бросалась в глаза по сравнению с современными ему телескопами, доходившими до Юлг длины. За счет увеличения длины надеялись уменьшить сферическую аберрацию.
В 1669 г. Ньютон получил кафедру после Барроу и начал чтение своих лекций по оптике. В 1671 г. он изготовил второй отражательный телескоп, за который был избран членом Лондонского королевского общества. Первые мемуары, сообщенные им обществу, были посвящены теории света и цветов. Кроме исследования призматических цветов, в ходе которого Ньютон разработал основную методику работы с призматическим спектроскопом (установку призмы на угол наименьшего отклонения, рациональный выбор щели, сужение щели для повышения чистоты спектра, выделение с помощьющели монохроматического пучка и т. д.), Ньютон начал планомерное изучение цветов тонких пластинок методом, получившим название «кольца Ньютона». Работа с кольцами Ньютона дала ему возмож
ность открыть периодические свойства света. Эту периодичность он сформулировал на языке теории «приступов», согласно которой световой луч периодически то приходит в состояние «приступа легкого прохождения», то в состояние «приступа легкого отражения». С помощью своих колец Ньютон измерял длину наименьшего пространственного интервала для различных цветов спектра, по истечении которого приступы прохождения сменяются приступом отражения. На языке волновой оптики этот интервал есть не что иное, как четверть длины волны. Ньютон был первым физиком в мире, измерившим длину световых волн и притом весьма точно, если иметь
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
139
в виду, что он работал не с монохроматическим светом. Теория цветов Ньютона подверглась резкой критике со стороны Гука и других его современников. В результате Ньютон прекратил публикацию оптических работ, и только в 1704 г. вышла его «Оптика».
«Оптика» состоит из трех книг. Ньютон стремился построить теорию-оптических явлений на твердо установленных опытом принципах. Он определяет луч света как минимальную действующую часть светового потока, «...которая может быть остановлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или совершает, или испытывает одна что-либо такое, что не совершает и не испытывает остальной свет...» г.
Итак, основным понятием оптики Ньютона является световой луч. Хотя Ньютон с самого начала объявляет, что о.н не намерен вводить гипотез о природе света, фактически он уже с самого начала становится на почву корпускулярной лучевой оптики. Определив понятия преломляемости и отражаемости лучей, угла падения, отражения и преломления, он переходит к «аксиомам» оптики. Пять аксиом Ньютона содержат в себе законы отражения и преломления геометрической оптики. Шестая, седьмая и восьмая аксиомы касаются получения изображений в преломляющих и отражающих поверхностях. Затем вся первая книга посвящается изучению спектрального состава белого цвета и проблеме телескопа-рефлектора.
Вторая книга содержит «Наблюдения, касающиеся отражений, преломлений и цветов тонких прозрачных тел», т. е. интерференционных явлений в тонких пленках. Здесь описаны знаменитые опыты с кольцами Ньютона.
Третья книга содержит «Наблюдения, касающиеся изгибаний лучей света и цветов, получающихся при этом». Эти наблюдения не закончены, и книга завершается списком вопросов о природе света и описанных явлений. Так, первый вопрос предполагает гипотезу, что тела действуют на свет и изгибают этим действием лучи; в этом, очевидно, по Ньютону, следует искать решение задачи диффракционных явлений. Часть последующих вопросов посвящена выяснению природы теплового лучеиспускания. В вопросах 12—14 обсуждается физическая природа видения и в частности колебательного характера движения в оптических нервах, вызывающего ощущения зрения. Интересно, что Ньютон в 13 вопросе высказывает гипотезу о различной «ширине» колебаний, соответствующих разным цветам. Гипотеза о волновой природе света рассматривается и в последующих вопросах, в частности преломление может быть объяснено различием плотности эфирной среды в различных средах. Но тут же предлагается вопрос: почему планеты не испытывают сопротивления в эфирной среде? Во всяком случае очень существенно, что Ньютон серьезно обсуждает эфирную волновую теорию света. Ньютон ставит вопрос 25 о наличии в лучах света других «изначальных» свойств, кроме преломляемости, цветности и т. д. В связи с этим он описывает свойства исландского шпата и задает 26 вопрос: «Не обладают ли лучи света различными сторонами с различными изначальными свойствами» 2—и приходит к выводу о наличии таких свойств у луча, вышедшего из исландского шпата, т. е. впервые устанавливает плоскостную поляризацию этого луча.
Надо, однако, помнить, что современных терминов волновой оптики — «интерференция», «дифракция», «поляризация» Ньютон не знал. Они были введены в физику позже, в XIX в., Юнгом, Френелем, Малюсом.
'И. Ньютон, Оптика, Гостехиздат, 1954, стр. 10. ! Таи же, стр. 272.
140 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Но, обсудив волновую гипотезу, Ньютон предлагает далее вопрос 28. «Не ошибочны ли все гипотезы, в которых свет приписывается давлению или движению, распространяющемуся через некоторую жидкую среду?»х. Серьезным возражением против такой гипотезы Ньютон считал отсутствие загибания света внутрь тени (он странным образом в своих экспериментах по диффракции не заметил световой полосы в центре геометрической тени от волоса). Свет распространяется по прямой. «Относительно света неизвестно, однако, случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутрь тени... Лучи, проходящие очень близко от' краев какого-нибудь тела, немного загибаются действием тела, как мы видим выше, но это загибание направлено не внутрь, но от тени и происходит только при прохождении луча около тела и на очень малом расстоянии от него. Как только луч проходит мимо тела, он идет дальше по прямой».
Ньютон считает также, что с волновой теорией трудно совместить ту асимметрию, какая наблюдается в лучах, прошедших через исландский шпат. «Мне по крайней мере это кажется необъяснимым, если свет не что иное, как давление или движение, распространяющееся через эфир» 1 2.
Более того, Ньютон полагает, что такое типично волновое явление, как интерференция, несовместимо с волновой теорией.
Поэтому Ньютон в 29 вопросе предлагает другую гипотезу: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?» 3. Тогда механическим взаимодействием световых корпускул с частицами тел объяснялись бы, по мнению Ньютона, законы отражения, преломления и диффракционные явления на краю тела. «Для получения всего разнообразия цветов и степеней преломляемости требуется только, чтобы лучи света были телами различных размеров, наименьшие из которых могли бы производить фиолетовый цвет, самый слабый и темный и легче всего отклоняемый преломляющими поверхностями от прямого пути; остальные лучи, по мере того как они становятся толще и толще, могут давать более сильные и светлые цвета — синий, зеленый, желтый и красный — и отклоняются все с большей трудностью. Для приведения лучей света в приступы легкого отражения и легкого прохождения требуется только, чтобы лучи были малыми телами, возбуждающими благодаря их притягивательным или каким-либо другим силам колебания в той среде, на которую они действуют; эти колебания быстрее, чем лучи, и последовательно обгоняют их, двигая их так, что попеременно скорости лучей увеличиваются и уменьшаются и получаются приступы. И, наконец, необыкновенное преломление исландского кристалла весьма похоже на то, как будто бы оно производилось притягивающей силой особого рода, расположенной по некоторым сторонам как лучей, так и частиц кристалла» 4.
Ньютона, далее, весьма интересуют различные химические превращения и роль света в этих явлениях. «Не обращаются ли большие тела и свет друг в друга и не могут ли тела получать значительную часть своей активности от частиц света, входящих в их состав?» —спрашивает Ньютон в 30-м вопросе, закладывая тем самым основы для столь распространенной в XVIII — начале XIX в. химической теории света. Он отвечает сам себе: «Превращение тел в свет и света в тела соответствует ходу природы, которая как бы услаж
1 И. Ньютон, Оптика, Гостехиздат, 1954, стр. 274.
“Там же, стр. 276.
3 Т а м же, стр. 281.
’Там же, стр. 282—283.
§ 1. ПЕРВАЯ НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
141
дается превращениями» х. Отметим, что такие превращения были открыты только в 30-х годах нашего века и, конечно, отличаются от алхимических превращений Ньютона, но все же проницательность Ньютона изумительна. Ньютон заканчивает «Оптику», как и «Начала», грандиозной картиной действия молекулярных сил в природе, охватывающего все физические, химические и биологические явления.
ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА XVII в.
Накопление естественнонаучных знаний в XVII в. сделало возможным создание научной картины мира, основанной на точных законах природы, а не на фантастических представлениях средневековья. К концу XVII в. сложились две основные картины мира: ньютонианская и картезианская. В основе обеих картин лежали законы механики, это были механические картины мира, но в деталях обе картины существенно различались.
В основе ньютонианской картины лежит атомизм. Мир — это огромное пустое пространство, абсолютное, неподвижное, в котором размещены материальные тела, состоящие из неделимых частиц материн — атомов. «При размышлении о всех этих вещах, -— говорит Ньютон в «Оптике», — мне кажется вероятным, что бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которых он создал их» 1 2. Эти изначально созданные частицы неизменны и неделимы, ибо природа вещей, образующих мир, неизменна. «Поэтому природа их (т. е. частиц. — П К.) должна быть постоянной, изменения телесных вещей должны проявляться только в различных разделениях и новых сочетаниях и движениях таких постоянных частиц; сложные тела могут разбиваться не в середине твердых частиц, но там, где эти частицы расположены рядом и только касаются в немногих точках» 3. Следующим элементом физической картины ньютоновского мира, кроме пустого пространства и неизменных» атомов, являются силы.
«Мне кажется, далее, -— продолжает Ньютон, — что эти частицы имеют не только Vis inertiae (силу инерции. — П. /<.), сопровождаемую теми пассивными законами движения, которые естественно получаются от этой силы, но также, что они движутся некоторыми активными началами, каково начало тяготения и начало, вызывающее брожение и сцепление тел. Я не рассмат-риваюэти начала как таинственные качества, предположительно вытекающие из особых форм вещей, но как общие законы природы, посредством которых образовались самые вещи; истина их ясна нам из явлений, хотя причины до сих пор не открыты» 4 *. Ньютон при этом подчеркивает свой метод образования физической картины мира: «Но вывести два или три общих начала движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал, — было бы очень важным шагом в философии, хотя бы причины этих начал и не были еще открыты» 8.
1 И. Ньютон, Оптика, Гостехиздат, 1954, стр 284.
! Там же, стр. 303.
3 Т а м же, стр. 303—304.
* Та м же, стр. 304.
6 Там же.
142 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
В картезианской картине мира нетместа пустоте и силам.Все пространство заполнено однородной материей, все явления заключаются в преобразовании движений различных частей материи, осуществляемом контактом и давлением этих частей. Детализируя картину, Декарт предполагает, что в результате взаимодействий вся материя мира разбилась на три группы частиц. Грубые, неправильные части образуют элемент земли. Из этих частей построены планеты и видимые тела. Отшлифованные, гладкие сферические частицы образуют подвижный элемент небесной материи. Наконец, наиболее легкие, мелкие и подвижные частицы, заполняющие промежутки между частицами небесного элемента, образуют материю огня. Вселенная раздроблена на вихревые области, каждая планета увлекается своим собственным вихрем, в центре которого находится Солнце. Основным началом, регулирующим все изменения, является закон сохранения движения;
Борьба ньютонианского и картезианского миропонимания составляет философское содержание последующего периода развития физики. Было бы неправильно противопоставлять друг другу эти картины мира как идеалистическую и материалистическую. II та и другая картины в своей основе были материалистическими, так как пытались построить картину мира, опираясь на законы природы, прежде всего на законы механического движения. В том и другом лагере боролись материалистическое и идеалистическое направления. Но при тогдашнем уровне знаний картезианская картина оставляла много места для фантастических домыслов и необоснованных гипотез, тормозивших научное развитие. С другой стороны, ньютоновский вакуум и допущение дальнодействующих сил использовались идеалистами для антинаучных, реакционных выводов, что также не способствовало прогрессу науки. Противоречивые черты природы, вскрываемые в обеих картинах, показывали, что природа сложнее механики, сложнее упрощенных односторонних картин. В особенности неправильным было основное представление Ньютона, что природа, будучи раз созданной в виде неизменных атомов, продолжает во все времена оставаться подобной самой себе. Это представление начало разбиваться уже естествознанием XVIII в.
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
Завершение первой в истории науки научной революции происходило в обстановке борьбы двух систем — капиталистической и феодальной, в обстановке надвигающегося промышленного переворота и подготовки буржуазной революции во Франции. В движение пришли все страны Европы и европейские колонии в Северной Америке. Вместе с распространением идей поднимающейся буржуазии расширялось и развивалось естествознание. Возникает новая химия, развивается учение о теплоте и электричестве, новые научные учреждения возникают в Северной и Центральной Европе, в России и Америке. Но распространение новых идей, новой науки встречает теперь уже и организованную реакцию прежде всего в самой буржуазной Англии, где Котс, епископ Бентли и епископ Беркли развернули поход против материализма. Беркли выступил с пропагандой субъективного идеализма, предлагая отбросить понятие материи, заменив его «комбинацией ощущений». Спекулируя на трудностях механистического мировоззрения, другой английский философ Давид Ю м (1711—1776) утверждал, что вопрос о существовании и познаваемости мира не может быть
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
143
вообще решен средствами нашего разума, выходит за пределы его компетенции. Эту точку зрения назвали агностицизмом, т. е. отрицанием знания. Основные идеи науки: пространство, время, причинность, субстанция—формируются, по Юму, из наших ощущений и восприятий, которые связываются мышлением в определенные ассоциации и последовательности. Эти ассоциации мы обозначаем как вещи, а последовательности — как пространство, время и причинность.
Против субъективного идеализма Беркли и скептицизма Юма выступали французские материалисты, передовые естествоиспытатели. Практика науки все больше и больше подтверждала силу материализма, обогащая человека все более и более глубоким и полным знанием объективных законов природы. Философский материализм, выросший из человеческой практики, обогащенный успехами естествознания, вместе с тем вооружал духовно деятелей науки в их борьбе против схоластики и религиозного мракобесия. «В течение всей новейшей истории Европы,—писал Ленин, — и особенно в конце XVIII века, во Франции, где разыгралась решительная битва против всяческого средневекового хлама, против крепостничества в учреждениях и в идеях, материализм оказался единственной последовательной философией, верной всем учениям естественных наук, враждебной суевериям, ханжеству и т. п.»1.
«Крепостничество в идеях» проявлялось не только в откровенно идеалистических высказываниях Беркли. Оно пронизывало и само естествознание. Подобно тому как в новых машинах еще ясно ощущались средневековые технические традиции и идеи (вроде балансиров в паровых машинах), так и в новых физических воззрениях еще очень сильны были схоластические пережитки вроде «скрытых качеств» и таинственных «флюидов». Химия почти целиком была в плену алхимических элементов: ртути, серы, соли. Абсолютное неощутимое пустое пространство, таинственные силы, действующие на расстоянии, первоначальный толчок Ньютона — все это принадлежало к тем же схоластическим идеям, с которыми должно было бороться новое мышление. Эта борьба была тем труднее, что она могла вестись только с позиций механистического материализма, еще не знавшего различия форм движений и их превращаемости. Но это не умаляет заслуг М. В. Ломоносова, смело поставившего задачу построить физическую картину мира без скрытых качеств, дальнодействующих сил, пустого пространства, опираясь на всеобщий закон сохранения материи и движения. Мы можем с полным правом причислить Ломоносова к наиболее прогрессивным деятелям науки XVIII в. и предшественникам нового периода естествознания.
МЕХАНИКА
Наиболее продвинулась в период завершения научной революции механика. Уточнились ее основные понятия, были введены новые важные понятия, развились ее принципы и методы. Рассмотрим кратко основные моменты развития механики после Ньютона.
В ньютоновской механике сила измеряется изменением количества движения за единицу времени, причем количество движения определяется произведением массы тела на его скорость (mv). Эта мера движения была известна в XVII в. как мера Декарта. Лейбниц (1646—1716)в 1686 г. выступил
1 В. И. Леви н, Сочинения, изд. 4, т. 19, Госполитиздат, 1948, стр. 4.
144 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
с критикойэтой меры, утверждая, чтоб природе сохраняется величина mv2, которой и определяется мера «живой силы». Этим утверждением Лейбница в науку было введено понятие кинетической энергии, которое долгое время (еще и в XX веке) встречалось также под названием «живой силы». Вместе с тем выступление Лейбница положило начало ожесточенному спору о двух мерах движения. Д’Аламбер (1717—1783) в своей «Динамике» (1743 г.) указал, что с одинаковым успехом можно применять и ту и другую меру. Если измерять «силу» движущегося тела величиной препятствий, преодолеваемых им, т. е., говоря современным языком, работой, совершаемой телом за счет энергии движения, то надо применять меру Лейбница, если же ее измерять «суммой сопротивлений препятствию», т. е. величиной импульса сил LF - А/, то справедлива мера Декарта. В дальнейшем Энгельс в «Диалектике природы» раскрыл философское значение
этого спора о мерах движения. Следует отметить, что принцип «живых сил», которым уже пользовались Галилей и Гюйгенс в XVII в , с успехом использовался при решении ряда задач механики. Так, Иоганн Бернулли (1667— 1748) применил его для решения задачи об упругом ударе, задачи о физическом маятнике, о колебаниях струны. Его племянник Даниил Бернулли (1700—1782) (бывший одно время членом Петербургской Академии наук) показал, что для случая системы точек, взаимодействующих с центральными силами, изменение «живой силы» системы определится только начальной и конечной конфигурацией системы. Д. Бернулли применил закон «живых сил» к рассмотрению движения идеальной жидкости и получил известное в гидродинамике уравнение Бернулли.
Наконец, Лагранж (1736—1813) в своей «Аналитической механике» (1788 г.) дал общий вывод уравнения «живых сил» как первого интеграла дифференциальных уравнений механики.
Спор о мерах движения был тесно связан с вопросом об источниках движения. В этом важном вопросе особенно давало себя знать «крепостничество в идеях», т. е. остатки старого средневекового церковного мировоззрения. Ньютон не мог решить этого вопроса и предоставил «первый толчок» богу. Более того, поскольку механическое движение в природе постепенно рассеивается, бог, по мнению Ньютона, должен время от времени пополнять запас движения во Вселенной. Против этой концепции выступали передовые ученые, отстаивавшие принцип сохранения движения. К числу этих ученых принадлежали И. Бернулли, Л. Эйлер и особенно М. В. Ломоносов.
Ломоносов считал совершенно необходимым при решении любого физического или химического вопроса опираться на закон сохранения материи
§2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
145
и движения. По мнению Ломоносова, любые изменения в природе обязательно связаны с сохранением некоторого инварианта. В 1748 г он писал в письме Эйлеру: «Но все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается от чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю от бодрствования, и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению. столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».
На глубину и общностьэтойформулировки Ломоносова впервые указал в 1949 г. С.И. В а в и л о в. Ломо
Жан Лерон Д’Аламбер
носов не определяет ближе природы
инварианта («нечто»), справедливо полагая, что она раскрывается в конкретных изменениях и превращениях; только в качестве примеров он приводит сохранение материи, временного интервала, движения. Весьма замечательно утверждение Ломоносова о сохранении временного интервала, его однородности, «нерастяжимости». Современная физика вообще считает законы сохранения непосредственным следствием свойств однородности пространства и времени. Вполне прав был С. И. Вавилов, когда писал о формулировке Ломоносова: «Это начало есть закон всеобщий, объемлющий всю объективную реальность с пространством, временем, веществом и прочими ее свойствами и проявлениями». Такое глубокое понимание значения основных законов науки, законов сохранения давало возможность Ломоносову бороться с метафизическими концепциями «флюидов» и «дальнодействующих сил», господствующими в физике XVIII в.
Концепция дальнодействующих сил критиковалась также Эйлером и Д’А ламбером. Эйлер принимает в качестве общих свойств материи ее протяженность, подвижность, инерцию, непроницаемость. По мнению Эйлера, инерция в соединении с непроницаемостью тел образует «богатейший источник сил, способных непрерывно изменять состояние тел». Сила у Эйлера — это взаимодействие тел, обусловленное их инерцией и непроницаемостью. Вместе с Декартом Эйлер считает, что всякое взаимодействие является контактным, т. е. принимает, что действие на расстоянии, вроде тяготения или магнитных и электрических взаимодействий, является результатом движений скрытой материи — эфира. Аналогичную концепцию развивает и Ломоносов. Д’Аламбер вообще не считает нужным вводить в механику силы, «как понятия неясные и метафизические, способные лишь распро-
6 П. С. Кудрявцев
j 4g	ГЛАВА HI. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Жозеф Луи Лагранж
странить мрак над ясной самой по себе наукой». Для построения динамики, по Д’Аламберу, достаточно трех принципов: принципа инерции, принципа суперпозиции движений, принципа равновесия. Этот последний принцип вошел в науку под названием «принципа Д’Аламбера». Суть его заключается, как известно, в том, что движение точки (а также системы точек) можно рассматривать как состояние подвижного равновесия грех сил: приложенной к данной точке внешней силы, силы реакции связи (в случае наличия таковой) и «силы инерции», равной произведению массы точки на ее ускорение, взятое с обратным знаком. Сам Д’Аламбер формулирует этот принцип не прибегая к термину «сила», а употребляя вместо него «движение».
Принцип Д’Аламбера позволяет свести динамическую задачу к статической. Статика к этому времени обогатилась важной «теоремой Варинь-она» и принципом возможных скоростей Иоганна Бернулли. Оба эти результата содержались в сочинении В а р и н ь о и а (1664—1722; «Новая механика», вышедшем в 1725 г. Теорема Вариньона заключается в следующем. Если имеются две силы, действующие под углом друг к другу на одну и ту же точку, то их равнодействующая по величине и направлению выражается диагональю параллелограмма, образованного из отрезков, представляющих данные силы. Если, далее, в плоскости этого параллелограмма взять точку и опустить из нее перпендикуляры на направления сил, то произведение силы на длину перпендикуляра будет моментом силы относительно взятой точки. Теорема Вариньона утверждает, что алгебраическая сумма моментов составляющих сил равна моменту равнодействующей. При этом знак момента определяется направлением, в котором данная сила стремится вращать в плоскости выбранную точку.
Принцип возможных скоростей был приложен к сочинению Вариньона в виде письма Бернулли (1717 г.). Фактически этот принцип уже применялся Гвидо Убальди в его теории рычага, Галилеем в его теории наклонной плоскости, Торричелли, указавшем, что два связанных груза находятся в равновесии, когда центр тяжести их занимает наинизшее положение. Принцип Бернулли Лагранж в своей «Аналитической механике» (1788 г.) формулирует следующим образом: «Если какая-либо система любого числа гел или точек, на каждую из которых действуют любые силы, находится в равновесии и если этой системе сообщить любое малое движение, в результате которого каждая точка пройдет бесконечно малый путь, представляющий ее виртуальную скорость, то сумма сил, помноженных каждая соответственно -на путь, проходимый по направлению силы точкой, к которой она приложена, -будет всегда равна нулю, если малые пути, проходимые в направлении сил,
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
1 17
считать положительным, а проходимые в противоположном направлении считать отрицательными». При этом под виртуальной скоростью Лагранж понимает ту скорость, которую получило бы тело, если бы начало двигаться при нарушении равновесия, т. е. его понимание отлично от современного, когда под виртуальным перемещением мы понимаем любое возможное перемещение, совместимое со связями.
Принцип Бернулли дал повод Мопертюи в 1774г. выступить с формулировкой принципа наименьшего действия. ААатематическая формулировка принципа Мопертюи была дана Эйлером. Этот принцип сыграл важную роль в истории теоретической физики. Эйлер сформулировал его для случая точки, движущейся в поле центральных сил. Точка будет двигаться из данного начального в данное конечное положение таким образом, что для действительного пути
J пти • ds = minimum.
Величина mv • ds или mv  dt есть действие. Лагранж обобщил вывод на систему точек.
Таким образом, механика в XVIII в. обогатилась знанием следующих принципов: 1) принцип параллелограмма, или суперпозиции сил (Ньютон, Вариньон, Д’Аламбер); 2) принцип возможных скоростей (И. Бернулли, Лагранж); 3) принцип Д’Аламбера (Д’Аламбер, Лагранж); 4) принцип наименьшего действия (Мопертюи Эйлер, Лагранж). Она уточнила вопрос о мерах движения и их соотношении (Д’Аламбер), выдвинула общий принцип сохранения (Бернулли, Эйлер, Ломоносов).
Особенно важное значение для развития механики имела разработка ее математического аппарата. Ньютон излагал механику громоздким геометрическим методом, не прибегая к созданному им и Лейбницем дифференциальному и интегральному исчислению. Впервые Эйлер в 1736 г. в вышедшей в Петербурге книге «Механика, изложенная аналитически» последовательно применил математический анализ для решения задачи о прямолинейном и криволинейном движении материальной точки. Само понятие материальной точки было введено в науку Эйлером. Уравнение Ньютона для прямолинейного движения Эйлер впервые написал в известной ныне форме
и тем самым свел задачу механики к задаче интегрирования дифференциального уравнения второго порядка. Для криволинейного движения Эйлер ввел разложение ускорения на тангенциальную и нормальную составляющие. В 1742 г. английский математик Маклорен (разложение в ряд функции, носящее его имя, хорошо известно в анализе) в своем курсе математики («Трактат о флюксиях») ввел разложение движения на три прямоугольных составляющих. Используя прием Маклорена, Эйлер в своей «Теории движения твердых тел» (1765) написал уравнения движения для трех компонентов, которыми и по сей день пользуется механика. Особенно важное значение имела разработка Эйлером задачи о движении твердого тела. Им были введены в науку такие понятия, как момент инерции, главные оси инерции, свободные оси вращения Для характеристики положения тела, вращающегося вокруг неподвижной точки, введены угловые координаты — эйлеровы
6*
148 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
углы — и написаны уравнения вращения. Основы теории гироскопа, имеющей такое важное научно-практическое значение, были заложены Эйлером. Эйлер написал также уравнения гидродинамики и уравнение гармонической волны, а также уравнение, известное ныне под названием уравнения Лапласа. Таким образом, Эйлер разработал аппарат теоретической физики с такой полнотой, которая заставляет признать его подлинным основателем этой науки.
В 1788 г. вышла «Аналитическая механика» Лагранжа. В этом сочинении Лагранж, продолжая дело Эйлера, разработал математические методы механики с такой общностью, что они в дальнейшем оказались применимыми для решения задач и из других областей физики. Лагранж рассматривает случай системы материальных точек, движения которых подчинены некоторым уравнениям связи. В этом случае движение описывается Зп дифференциальными уравнениями второго порядка для Зп неизвестных функций времени — координат точек. Эти уравнения будут содержать также т неизвестных множителей, определяющих реакции связи, и вместе с присоединенными т уравнениями связи решают задачу. Уравнения, написанные здесь, носят название уравнений Лагранжа первого рода. Следует отметить, однако, что еще ранее, до Лагранжа, они были получены Эйлером.
Но особенно важен второй вид уравнений движения, в которое уравнения связи не входят. Движение характеризуется независимыми обобщенными координатами, число которых равно числу декартовых координат точек системы, за вычетом числа связей. Выражаясь современным языком, число обобщенных координат равно числу степеней свободы системы. Тогда, если число таких координат f и если координаты мы обозначим через qit то уравнения движения системы принимают вид
—	q /=1 2 f
dt\d'qj dqt	’ •" J'
Здесь T — кинетическая энергия, Q; — обобщенная сила.
Если силы Q,- имеют потенциал, так что
п ___ dU(qi, я--, ... qfi
~	dqt
то уравнения Лагранжа принимают вид
d / dL\ dL____g
dqi ’
где L — T — U — кинетический потенциал, или функция Лагранжа.
Из сказанного видно, как далеко продвинулась механика в XVIII в. Она сформировалась в мощную, законченную ветвь математической физики и на долгое время отделилась от самой физики, став предметом занятий по преимуществу математиков и специалистов механиков.
Возникшая из астрономических проблем механика продолжала с успехом заниматься этими проблемами. К достижениям небесной механики этого периода относятся теория движения Луны Эйлера, теория фигуры Земли К л е р о (1713—1765), а также блестящее предсказание тем же Клеро появления кометы Галлея. Комета, период которой был предварительно вычислен Галлеем, должна была согласно этому вычислению, появиться в 1758 г., однако она в указанный период не появилась. Клеро
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
149
объяснил это тем, что комета, двигаясь по вытянутому эллипсу, проходила вблизи удаленных больших планет Юпитера и Сатурна, которые возмущали ее движение. По вычислениям Клеро период должен увеличиться на год и восемь месяцев. Клеро ошибся всего на 22 дня. Это был большой триумф новой науки, триумф теории Коперника—Ньютона. Особенно больших успехов в развитии небесной механики добился Лаплас (1749— 1827), первые два тома «Небесной механики» которого вышли в 1799 г. Но Лаплас не только подтвердил и развил теорию Ньютона, он вышел за ее границы. Он отверг гипотезу первого толчка и разработал теорию происхождения солнечной системы. Его предшественником в этом деле был немецкий философ Иммануил Кант (1724—1804). «Всеобщая естественная история и теория неба» И. Канта, носящая подзаголовок «Опыт об ус-
Пьер Симон Лаплас
тройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютониановских законов», появилась в 1755 г. Через 42 года появилось «Изложение системы мира» Лапласа, в седьмом приложении к которому Лаплас изложил гипотезу образования солнечной системы. Основная идея гипотезы Канта—Лапласа—существование первичной туманности, из которой в процессе последовательного вращения в результате взаимодействия гравитационных и отталкивательных сил возникли планеты и спутники. Конечно, одними механическими силами объяснить происхождение солнечной системы невозможно, и гипотеза Канта — Лапласа имеет только историческое значение. Но она, по выражению Энгельса, пробила первую брешь в окаменелом воззрении на природу и открыла путь к решению вопроса об эволюции Вселенной. В этом ее громадное историческое значение.
ОПТИКА
Менее эффективным было развитие оптики. По сравнению с быстрым прогрессом физической оптики в XVII в., XVIII в. выглядит как период застоя. Тем не менее и в этот период были достигнуты некоторые существенные результаты.
Прежде всего следует отметить развитие оптических инструментов. Оптика XVIII в. исправила ошибку Ньютона, считавшего принципиально невозможным получение ахроматических труб. Эйлер выступил с утверждением, что ахроматические комбинации преломляющих сред возможны, сославшись (что неверно) на пример глаза, который якобы является ахроматической системой. В 1757 г. Джон Д о л л о н д построил первую ахроматическую трубу с объективом, изготовленным из флинтгласовой и кронгласо
150 ГЛАВА ПТ. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
вой линз, а в 1758 г.—трубу с тремя линзами. Эйлер в своей «Диоптрике» много занимался расчетами дисперсии, ахроматических систем и сферической аберрации. Эйлер был также одним из основателей фотометрии. Он указал на различие между силой света и освещенностью и установил до Ламберта, что последняя изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника и зависит от угла наклона падающих лучей. Его предшественником в области фотометрии был Бугер (1698—1758), «Оптические опыты по градации света» которого появились в 1729 г. В этом сочинении описываются опыты с фотометром по сравнению яркостей различных источников света, в том числе и небесных светил, исследуется отражательная и поглощательная способности тел и устанавливается известный закон поглощения света. Фотометрия в XVIII в. получила окончательное оформление в труде Ламберта (1728—1777) «Фотометрия или об измерениях и давлениях света, цветов и теней» (1760 г.), в котором даны определения основных понятий фотометрии (сила света, яркость, освещенность) установлены основные законы, носящие название законов Ламберта. Теоретическая оптика почти совсем не разрабатывалась. Господствовала корпускулярная теория света. Однако были и сильные противники этой теории.
В 1756 г. было опубликовано «Слово о происхождении света» М. В. Ломоносова. Здесь наряду с критикой ньютоновской теории света содержалась оригинальная теория света и цветов самого Ломоносова. В этой теории отчетливо ощущается стремление автора перебросить мост между физикой и химией, связать вопрос об окраске тел с вопросом об их химическом строении. Немалую роль в возникновении теории сыграли и собственные эксперименты Ломоносова по окрашиванию стекол. «Желал бы я,— пишет Ломоносов в «Слове», — показать для утверждения спя системы все примеры из многочисленных опытов, которые особливо мною учинены в изыскании разноцветных стекол к мозаичному художеству...» 1 Он указывает, что для ясного понимания его теории «необходимо нужно предложить всю мою систему физической химии», в которой «цветы и другие чувствительных тел свойства происходят» от «натуры первоначальных частиц, тела составляющих» 1 2. Теория Ломоносова представляет собой своеобразный синтез атомистики и концепции эфира. Тела предполагаются состоящими из трех сортов частиц, соответствующих трем первоначальным химическим «элементам», по тогдашним химическим представлениям: соляной, ртутной и серной, или горючей, материи. Этим трем сортам «материальных» частиц соответствуют три сорта частиц эфира, из коих первому роду соответствует красный цвет, второму —- желтый, третьему — голубой. «Прочие цвета рождаются от смешения первых». Частицы первого рода самые крупные, третьего — самые мелкие. При распространении в эфире волнового движения частицы его движутся «зыблющимся и коловратным движением», при падении световых лучей на тело частицы эфира волновым движением прижимаются к частицам тела и тогда по принципу совмещения, сформулированному Ломоносовым, приводят во вращение соответствующие частицы тела Если поверхность тела состоит из частиц всех сортов, то все эфирные частицы передают им свое вращательное движение, и такое тело кажется черным. Если же на поверхности тела нет этих смешанных частиц, а только чистые земляные или
1 М. В. Ломоносов, Сочинения, т. III, изд. АН СССР, 1952, стр. 342.
2 Т а м же.
$ 2 ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ	151
водяные, то тело будет казаться белым. В промежуточных случаях получаются различные цвета.
Если отвлечься от архаических химических представлений в теории Ломоносова, а также от ошибочного смешивания физиологических и физических характеристик цвета, то мы можем констатировать наличие в ней очень здравых физических идей, а именно: 1) синтез волновых и корпускулярных представлений в оптике; 2) принцип волнового распространения света через эфир; 3) превращение светового движения в тепловое при падении света на черные тела; 4) составление всех цветов из трех простых; 5) своеобразный принцип «резонанса» (принцип совместности движений частиц) и, наконец, идея о зависимости цвета пламени от химического строения горючего вещества. Ломоносов размышлял и о связи электрических и оптических свойств, предполагая сделать опыт с преломлением свеча в наэлектризованном стекле.
В феврале 1754 г. Ломоносов писал Эйлеру о своих занятиях по теории цветов, в результате которых были достигнуты не только теоретические, но и практические результаты: мозаичные изображения. Эйлер ответил ему письмом от 30 марта 1754 г., в котором, отдавая должное дарованию Ломоносова, его способности объяснять «явления природы с исключительным успехом при помощи теории», сообщает о своих собственных взглядах на природу цветов. Эйлер, так же как и Ломоносов, отказывается от ньютоновской теории и противопоставляет ей другую теорию, в которой «свет в эфире, подобно звуку в воздухе, рождается колебательным движением, и объясняет различие цветов различной скоростью колебаний, так что цвета отличаются друг от друга так же, как высокие и низкие звучания». Что касается цветов тел, то, по мнению Эйлера, они обусловлены способностью частичек тела резонировать на определенные колебания и возбуждать соответствующие лучи света. Следовательно, «мы видим непрозрачные тела не при помощи отраженных от них лучей, но в собственных лучах, испускаемых поверхностью их... Частички непрозрачных тел колеблются только, пока они подвергаются действию световых лучей, а как только последние прекращаются, так и непрозрачное тело перестает светить. Однако ничто не препятствует существованию таких непрозрачных тел, которые сохраняют колебание, полученное от лучей света, более длительно, что и наблюдается в болонском камне». Здесь Эйлер имеет в виду фосфоресценцию сплава, полученного еще в XVII в. в Болонье сапожником Винчентом Каскариоло прокаливанием тяжелого шпата. Следовательно, цвет тела, по Эйлеру, обусловлен способностью его частичек резонировать на определенные колебания. Весьма существенным обстоятельством является то, что Эйлер впервые написал уравнение распространения гармонических колебаний. Он же показал, что при заданном распределении смещений и скоростей точек в начальном импульсе волна, распространяется в одну сторону.
Таким образом, в период завершения научной революции были достигнуты определенные результаты в практической оптике (ахроматические объективы). Разработана теория сферической аберрации и дисперсии (Эйлер), создана фотометрия (Бугер, Эйлер, Ламберт), разрабатывалась теория цветов (Ломоносов, Эйлер) и, наконец, высказывалась идея о связи электрических, оптических и химических процессов (Ломоносов). Следует еще прибавить работу над конструкцией мощных зажигательных оптических приборов (Чирнгаузен, Ломоносов, Лавуазье) и источников света (Кулибинский фонарь).
152 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
УЧЕНИЕ О ТЕПЛОТЕ
XVIII в.—век подлинного начала науки о теплоте, ее оформления как особой главы естествознания. Прежде всего XVIII в. является веком возникновения термометрии. Хотя Галилей, Дреббель, флорентийские академики и Герике построили еще в XVII в. первые термометры, однако последние еще не были пригодны для получения сравнимых количественных результатов. Различные термометрические тела в различных термометрах, отсутствие фиксированных точек, произвольная градуировка делали эти термометры пригодными только для относительных оценок колебаний температуры в данном месте.
С теоретической точки зрения интересную конструкцию газового термометра предложил в 1703 г. парижский академик А м о н т о н (1663—1705). Это был термометр постоянного объема, изменение температуры определялось изменением высоты уровня жидкости в манометрической трубке. Но термометр Амонтонанебыл удобен для практических целей, и данцигский стекольных дел мастер Фаренгейт (1686—1736) предложил в 1714 г. вернуться к термометру с жидкостью. Он нанес на этом термометре три фиксированные точки: точку замерзания охлаждающей смеси (0°), точку плавления льда (4°) и температуру человеческого тела (12°). Вероятно, в этом выборе он следовал примеру Ньютона, построившего термометр с льняным маслом и точками 0° и 12° (плавление льда и температура человеческого тела). Фаренгейт, снижая нулевую точку, стремился избежать отрицательных температур, однако градусы его шкалы были очень велики, их пришлось подразделить дальше, дойдя до делений в 8 раз меньших первоначальных. Позднее Фаренгейт ввел в качестве верхней фиксированной точки точку кипения воды (212°). В качестве термометрической жидкости Фаренгейт использовал сначала спирт, затем ртуть.
Французский ученый-зоолог и металлург Реомюр (1683—1757) предложил термометр с постоянной нулевой точкой замерзания воды; градус которого, по его измерениям должен соответствовать увеличению объема 80-про-
I	Г	ГТ
центного раствора спирта на первоначального объема. Позже он перенес эту шкалу на ртутные термометры, в которых точка кипения воды была принята за 80°.
Опыты по проверке постоянства основной точки термометра Реомюра проводил шведский астроном Цельсий (1701—1744), описавший их в 1742 г. в статье, в которой он предложил свой метод градуировки шкалы. «Эти опыты,— писал Цельсий,— я повторял два года, во все зимние месяцы, при различной погоде и разнообразных изменениях состояния барометра и всегда находил точно такую же точку на термометре. Я помещал термометр не только в тающий лед, но также при сильных холодах приносил снег в мою комнату на огонь, до тех пор пока он не начинал таять Я помещал также котел с тающим снегом вместе с термометром в топящуюся печь и всегда находил, что термометр показывал одну и ту же точку, если только снег лежал плотно вокруг шарика термометра. Кроме того, чтобы не оставалось никакого сомнения в том, что тающий снег во всех местах обладает одинаковым градусом теплоты, я заметил в Торнео, в 6 градусах ближе к полюсу, чем Упсала, с тем же термометром, что и у Реомюра, точно точку, которая лежала на --- градуса выше отмеченной им точки. Отсюда следовало,
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
153
что в Париже, который лежит к экватору на 17 градусов ближе, чем Торнео, вода замерзает при том же градусе. .. 1
Малую разницу в -=• градуса можно приписать способу нахождения Реомюром точки замерзания».
Цельсий установил далее, что точка кипения воды зависит от давления, и принял в качестве второй фиксированной точки точку кипения воды при давлении 25 дюймов 3 линии. Он разделил расстояние между двумя точками на 100 частей, приняв точку плавления льда за 100°, точку кипения воды за 0°. Известный шведский натуралист Карл Линней уже пользовался «перевернутой» шкалой. Эту шкалу ныне и называют шкалой Цельсия. Петербургский академик Де-лиль пользовался 150-градусной шкалой, приняв точку плавления льда за 150°. М. В. Ломоносов пользовался
Георг Вильгельм Рихман
собственным термометром.
В первоначальных термометрических работах еще не было установлено различия между количеством теплоты и температурой, вместо этого последнего термина употреблялся термин «градус теплоты». Различие между температурой и теплотой впервые отчетливо было проведено И. Г. Ламбертом в 1755 г., однако для окончательного утверждения понятий температуры и количества теплоты в физике понадобилась большая предварительная работа по калориметрии. Этим работам было положено начало в Петербургской Академии наук. В 1744 г. академик Крафт математическим путем вывел формулу для охлаждения температуры смеси двух однородных жидкостей. Из опытов по смешению теплой и холодной воды он установил численные значения входящих в формулу постоянных и привел ее к виду:
1 lam + 8bn
Не 4-86 '
Здесь т — температура холодной жидкости, а — ее масса, п и b — соответственно температура и масса теплой жидкости. В 1748 г. академик Г В. Рихман (1711—1753) исследовал формулу Крафта, нашел, что формула Крафта неточна и должна быть заменена формулой
та 4- nb
Х =----И—
а 4- 6
при тех же значениях переменных. Не ограничившись случаем смешения двух жидкостей, Рихман обобщил ее на случай какого угодно числа смешиваемых жидкостей однородного состава:
_ ат 4- Ьп 4- со -f- dp -|- eq 4- ...
Х~ c4-64-c4-rf-|-e4-.„	•
154
ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Михаил Васильевич Ломоносов
Своими исследованиями Рихман установил: «1. Теплота смеси распределяется не только по самой ее массе, но и по стенкам сосуда и самому термометру.
2. Собственная теплота термометра и теплота сосуда распределяются и по смеси, и по стенкам сосуда, в котором находится смесь, и по термометру.
3. Часть теплоты смеси в течение того промежутка времени, пока производится опыт, переходит в окружающий воздух...» 1
Таким образом, Рихман совершенно ясно представляет обстановку калориметрических опытов и в неявном виде рассматривает теплоту как неуничтожаемую субстанцию, перераспределяющуюся между участвующими в теплообмене телами.
Опираясь на работы Рихмана, В ильке и Блэк открыли скрытую теплоту плавления льда. Блэк (1728—1799) и его ученик Ирвин произвели первые экспериментальные определения теплоемкостей тел. Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) и Лаплас продолжили эти определения со сконструированным ими ледяным калориметром. Калориметрические определения способствовали закреплению в науке концепции теплорода. Эта концепция встретила мощного противника в лице гениального Ломоносова.
1 Г. В. Рихман, Труды по физике, Изд-во АН СССР, 1956, стр. 13—14.
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЕ! РЕВОЛЮЦИИ
155
М. В. Ломоносов (1711 —1765), олицетворял наиболее прогрессивные идеи естествознания своего времени. Он вторгался своей мощной мыслью во все отрасли науки, оставив повсюду неизгладимый след своего гения. Широта его кругозора, разнообразие его интересов поражали современников и потомков. Помимо чисто научных задач, ему приходилось решать задачи, связанные с развшием просвещения в России, выполнять многочисленные служебные поручения от составления стихотворных надписей до управления географическим департаментом, он учредил первый университет в России.- Это, естественно, не могло не отразиться на его научной продукции, которая в значительной степени состоит из неоконченных заметок, журналов с опытами, проектов, курсов и т. д. Он сам видел, что его задача — задача зачинателя наук в своем отечестве— «показать приступ». Эту задачу он выполнил с большим успехом, хотя обилие незавершенных замыслов заставляет глубоко сожалеть о том, что бы мог дать науке Ломоносов при других условиях его работы.
Наиболее характерной чертой научного творчества Ломоносова является его стремление к ясной физической интерпретации наблюдаемых фактов. Он не может удовлетвориться гипотетическими «невесомыми», «дальнодей-ствующими силами», входившими в большом количестве в арсенал физического описания у его современников. Ломоносов справедливо усматривал во всех этих теплотворных и светотворных материях «потаенные качества» перипатетиков, а в далы-юдействующих силах — «волшебство».
В противовес гипотезе «первого толчка» ньютонианцев он выдвигает идею вечности движения и широко использует в своей физической системе «всеобщий закон» сохранения материи и движения. Ломоносов отчетливо понимает, что общие законы сохранения обеспечивают научный подход к изучению явлений окружающего мира, отражают господствующую за видимым хаосом явлений объективную закономерность, проявляющуюся в этих явлениях. В его научной системе нет места нематериальным причинам и произволу, все может быть познано с помощью картины движущихся атомов, подчиняющихся в своем движении законам сохранения. Блестящим примером применения этой основной физической и философской идеи являются классические работы Ломоносова: «Размышления о причинах тепла и холода» и «Размышления об упругой силе воздуха».
В этих работах Ломоносов выступает против «теплотворной особливой материи» и выдвигает свою концепцию теплоты, согласно которой теплота — это вращательное движение «нечувствительных частичек». Чем выше температура тела, тем быстрее вращаются частички. Механизм теплопроводности, по Ломоносову, состоит в передаче движения более быстро движущимися частичками медленно движущимся. Изменение агрегатного состояния тел обусловлено изменением их состояния движения. Существует наибольшая степень холода, при которой прекращается движение частичек, однако практически она недостижима.
В «Размышлениях о причине упругой силы воздуха» Ломоносов ставит перед собой задачу объяснить, исходя из гипотезы молекулярного движения, упругость воздуха. Эту задачу решал до Ломоносова Д. Бернулли в своей «Гидродинамике». Бернулли правильно представил упругость воздуха как результат упругих соударений движущихся частиц о стенки сосуда и, исходя из этой модели, вывел закон Бойля—Мариотта. Однако Бернулли переносил свойство упругости на сами молекулы, представляя их упругими шариками, .и не рассматривал механизма взаимодействия самих молекул. Ломоносов
156 ГЛАВА Ш. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Леонард Эйлер
считает упругость газа свойством коллектива молекул, к самим молекулам понятие упругости не применимо, они обладают величиной, формой и движением. Упругость обусловлена взаимодействием движущихся частичек, а именно взаимодействием их вращательных, моментов. Так как эти последние определяются тепловым состоянием, то, по Ломоносову, «взаимодействие атомов обусловлено только теплотою». Эта важная и глубокая идея Ломоносова заставляет его считать подлинным основателем кинетической теории материи. Исходя из этой идеи, он вывел закон Бойля — Мариотта и объяснил возможные отклонения от него при сильных сжатиях.
Эти замечательные идеи Ломоносова высоко оценивал его знаменитый современник Леонард Эйлер	(1707—
1783). Научная система Эйлера отличается от ломоносовской тем, что у
него в основе лежит представление о континууме, тогда как у Ломоносова основным элементом физической картины является частица. Но и Эйлер использует образы атомистики, и у Ломоносова «мир полон материи». В частности, ответственным за лучистую теплоту у Ломоносова является эфир, вращательным движением частиц которого передается теплота лучами света.
Несмотря на поддержку Эйлера, теория Ломоносова не встретила признания у современников. Зарубежные авторы подвергли ее критике и предпочитали ей теорию теплорода. Более сочувственное отношение она встретила у соотечественников Ломоносова — Г. В. Рихмана и изобретателя тепловой машины И И. Ползунова. Гениальные идеи Ломоносова восторжествовали в XIX в., но имя их автора на Западе оставалось забытым до нашего времени.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Важнейшим достижением физики XVIII в. является начало научного изучения электрических явлений — создание основ электростатики.
Проникновение человека в мир электрических явлений было одним из величайших его достижений и имело глубокие общественные последствия. Без овладения законами электромагнитных явлений была бы невозможна современная техника и современные научные достижения, включая использование ядерной энергии и завоевание космических пространств.
Овладение законами электрических и магнитных явлений началось сочинением английского врача Уильяма Гильберта (1540—1603) «О магните», вышедшем в 1600 г. В этом сочинении Гильберт исследует экспериментальным методом свойства магнита, природу земного магнетизма, электризацию тел. К известным уже фактам существования двух полюсов магнита, двух видов взаимодействия между ними: намагничивания тел,
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
157
Гильберт прибавил важные наблюдения: образование новых полюсов при делении магнита на две части, усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, намагничивание железных проволок магнитным полем Земли, потерю магнетизма при нагревании, намагничивание магнитным полем Земли сильно нагретого куска железа при его остывании. Экспериментируя с магнитом, имеющим форму шара, и маленькой магнитной стрелкой он пришел к выводу, что Земля представляет собой большой магнит, тогда как до него причину направляющего действия на стрелку компаса усматривали в небе.
Важный шаг был сделан Гильбертом в науке об электричестве. Если до Гильберта свойство электрического притяжения было известно у одного янтаря, то Гильберт показал, что существует целый ряд тел, которые притягивают таким же образом, как янтарь. Эти тела Гильберт назвал «электрическими», введя таким обра
Уильям Гильберт
зом в науку термин «электричество».
Те тела, которые не могли быть им приведены в электрическое состояние, он назвал неэлектрическими. Для исследования электрических взаимодействий Гильберт построил первый электроскоп в виде легкой стрелки, помещенной на острие. На опытах с электризацией тел Гильберт пришел к выводу, что электрические явления представляют ссбой явления различной природы с магнетизмом.
Следующие важные наблюдения электрических явлений были сделаны Отто Герике, построившим первую электрическую машину в виде шара из серы, насаженного на железную ось. При вращении этот шар электризовался рукой. Несмотря на примитивность такой машины (первого электростатического генератора), действие ее проявлялось в потрескивании и свечении в темноте, в притяжении льняной нити, наблюдалось и отталкивание. Таким образом, Герике впервые наблюдал миниатюрные искровые разряды, электропроводность, электрическое отталкивание.
Интересные наблюдения над электричеством были сделаны Ньютоном. Он произвел замечательный опыт с «электрической пляской». На поверхность стола было поставлено металлическое кольцо, на которое было положено стекло. На столе внутри кольца помещались кусочки бумаги. При натирании стекла кусочки бумаги притягивались к нему, электризовались, отталкивались и падали на стол, откуда, разряжаясь, вновь притягивались к стеклу. Ньютон, как можно заключить из последних слов его «Начал», полагал, что причиной этих явлений является движение эфира. В 1716 г. Ньютон наблюдал миниатюрный искровой разряд между иголкой и наэлектризованным телом. «Искра напомнила мне о молнии в малых, очень малых размерах»,—писал Ньютон. Электрическая природа молнии была раскрыта
158 ГЛАВА III, ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Отто Герике
в том же XVIII в. Франклином, Ломоносовым, Рихманом и другими. Сама же электрическая искра была описана членом Королевского общества Уоллом в 1700 г. и Хауксби в 1705 г. Хауксби усовершенствовал генератор Герике, заменив серный шар стеклянным. В течение XVIII в. этот генератор непрерывно усовершенствовался. После открытия Греем (1670—1736) электропроводности металлов (1729 г.) Гаузен и Бозе снабдили машину кондуктором. Гордон заменил шар цилиндром и осуществил с помощью своей машины известные опыты с «электрическим звоном» и «электрическим колесом». Винклер (1703—1770) снабдил машину подушкой для натирания. Ему удалось воспламенить электрической искрой некоторые горючие жидкости. В 1745— 1746 гг. последовало сенсационное открытие лейденской банки (Клейст в Померании, Кунеус и Мушенбрук в Лейдене). Опыт был быстро повто
рен и получил широкую популярность, несмотря на предостережения Мушенбрука об «ужасных» ощущениях при разряде.
Врач Лемонье пытался с помощью банки определить скорость движения электричества и показал, что количество электричества пропорционально поверхности заряженного тела (1746—1747). Опыты Лемонье по определению скорости электричества повторил Уатсон, также безрезультатно. Английский механик Смитов сконструировал конденсатор в виде доски, а художник Вильсон в письме к Смитону от 6 октября 1746 г. утверждал, что количество электричества пропорционально поверхности обкладок и обратно пропорционально толщине стекла.
Вместе с накоплением эмпирического материала делались попытки и теоретической интерпретации электрических явлений. Одной из первых попыток была гипотеза Дюфэ (1698—1739), открывшего в 30-х годах закон двух видов электрического взаимодействия. Дю Фэ предположил, что в природе существуют два рода электрических агентов: смоляное и стеклянное, взаимодействующие между собой согласно найденному им правилу. Винклер считал, что электричество является тонкой субстанцией, аналогичной эфиру, пронизывающей все тела, причем в изоляторах частицы этой жидкости настолько тесно проникают в тело, что между частицами электричества и частицами тела существует жесткая связь. В проводниках же эта связь может быть уничтожена трением, и частицы эфира улетучиваются, обволакивая наэлектризованный трением проводник «электрической атмосферой». Винклер, как и большинство его современников, связывает с частицами электричества представление о материи огня.
С 1747 г. Вениамин Франклин (1706—1790), знаменитый американский политический деятель, ученый и философ, направляет в Лондонское
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
159
королевское общество свои сообщения об электрических опытах и их интерпретацию. Интерпретация Франклином электрических явлений передана Вильке в предисловии к немецкому переводу «Писем» Франклина (1758 г.) следующим образом: «Через всю телесную природу распространяется очень тонкая материя, которая является основанием и причиной всех электрических явлений. Часть этой материи, которую по желанию можно назвать эфир, огонь, свет и пр., отталкивается между собою. Однако она будет сильно притягиваться частями обычной материи, из которой состоят все тела. Если объем телесной материи содержит этой тонкой электрической материи столько, сколько он может вместить без накопления ее на поверхности, то тело находится по отношению
Виниамин Франклин
к электричеству в естественном состоянии. Большее количество этой материи делает его наэлектризованным положительно («плюс»), меньшее — отрицательно, или «минус» наэлектризованным. Все электрические явления возникаю! при переходе этой материи из одного тела в другое и через ее пропорциональное разделение». Далее высказывается гипотеза, что эта материя легко проникает через металлы и не проникает через изоляторы. Электрическая жидкость Франклина удовлетворяет закону сохранения.
С помощью своей теории Франклин объяснил действие конденсатора, показав, что его обкладки электризуются разноименно, а также действие острия В связи с объяснением действия острия у него возникла идея громоотвода, которую он иллюстрировал остроумной моделью: вращающееся коромысло весов, одна из чашек которого представляла собой заряженное облако, а другая — нейтральное, проходило над укрепленным на полу молотком («здание»), и при прохождении наэлектризованной чашки наблюдались притяжение последней молотком и даже искра. Этого не было, если на конце молотка укреплена игла. Доказательство электризации грозовых туч было дано Франклином в его знаменитом опыте со змеем, и вызвало большой резонанс. Ранее этого доказательство электризации грозовых облаков было дано в 1752 г. Далибаром во Франции.
В России с большим успехом проводили изучение атмосферного электричества М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман. Заслугой Рихмана является применение им измерительного прибора («электрического указателя») в исследовании электрического состояния. Он впервые начал изучать геометрию поля вокруг заряженных проводников различной формы с помощью своего указателя.
1(50 ГЛАВА III. ФИЗИКА ЭПОХИ РАЗЛОЖЕНИЯ ФЕОДАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА
Трагическая смерть Рихмана 26 июля 1753 г. во время наблюдения у «громовой машины» грозы прервала его плодотворные исследования. Известие о его гибели поразило ученый мир и заставило подумать о необходимых предосторожностях при электрических опытах. Чешский священник Прокоп Д и в и ш (1696—1765) устроил в 1754 г. первый громоотвод. Ломоносов, готовивший вместе с Рихманом речь об атмосферном электричестве, выступил 25 ноября 1753 г., несмотря на противодействие духовенства, сэтой речьюв которой изложил свою оригинальную теорию электризации облаков, вследствие наличия в атмосфере вертикальных воздушных течений. Гипотеза о существовании этих течений — лишнее доказательство проницательности Ломоносова. Отстаивая в своей речи взгляд на северное сияние как на явление электрической природы, Ломоносов указывал, что эти явления происходят на большой высоте, его оценка этой высоты близка к современным данным. Отрицая дальнодействующие силы, Ломоносов полагал, что электрические явления заключаются в движении некоторой тонкой материи, по-видимому, эфира. Эфир у Ломоносова «отвечает»за световые, электрические, магнитные и гравитационные явления. В этом воззрении на эфир, равно как и в отрицании дальнодействия, Ломоносов является прямым предшественником Фарадея.
Коллега Ломоносова по Петербургской Академии Франц Ульрих Теодор Эпи нус (1724—1802) выступил в 1759 г. с трактатом «Опыттеории электричества и магнетизма». Этот трактат, несомненно, представляет значительную веху в истории электричества. Эпинус развивает унитарную теорию Франклина, распространяя ее и на магнитные явления. В обоих этих явлениях Эпинус усматривает глубокое сходство и думает о их взаимной связи. Частицы как электрической, так и магнитной жидкости взаимодействуют друг с другом, «даже на значительном расстоянии». Однако Эпинус оговаривается, что он считает эти силы, как и Ньютон, математическим описанием и физическое действие на расстоянии не допустимо.
Хотя Эпинус не установил точного закона электрических сил, он открыл и объяснил многие факты. Ему принадлежит опыт с разборным конденсатором и выяснение роли стекла в повышении емкости конденсатора, он объяснил явление электрической индукции, открытое Рихманом и после него Кантоном и Вильке, открыл электрическую поляризацию, высказал мысль о колебательном характере разряда конденсатора, применил к исследованию поля диполь (после Гильберта), открыл пироэлектричество турмалина. Он исследовал экспериментально и теоретически картину силовых линий вблизи магнитов. Правда, Эпинус отрицал реальное значение силовых линий, он рассматривал их как формальный образ дальнодействующих сил. В отличие от Эпинуса Эйлер считал эти линии картиной действительного движения магнитных истечений, предвосхищая будущие воззрения Фарадея.
В том же 1759 г. была опубликована дуалистическая теория Саймера, которая в конце концов победила унитарнуютеорию Франклина —Эпинуса и в преобразованном виде дошла до наших дней.
Важнейшим итогом развития науки об электрических и магнитных явлениях в XVIII в. было открытие количественного закона электрических и магнитных взаимодействий. Оно было подготовлено успехами экспериментальной электрофизики. Уже Ньютон показал, что однородный сферический слой, состоящий из масс, взаимодействующих с силами, обратно пропорциональными квадрату расстояния, не действует на частицу, помещенную в полости слоя. Франклин экспериментально показал, что если поместить пробковый шарик внутрь заряженного сосуда, то он не испытывает притягатель-
§ 2. ЗАВЕРШЕНИЕ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
161
ных сил со стороны стенок сосуда. В связи с этим опытом английский философ-естествоиспытатель Пристли высказал следующее важное заключение: «Нельзя не заключить из этого опыта, что электрическое притяжение следует такому же закону, как и тяготение, т. е. квадрату расстояния, поскольку легко доказать, что, если бы Земля имела форму оболочки, тело, находящееся внутри нее, не притягивалось бы к одной стороне сильнее, чем к другой».
Эпинус предполагал, что силы взаимодействия электрических и магнитных масс зависят от расстояния. Однако он неправильно думал, что электрическая материя во всех телах (в том числе и проводниках) равномерно распределяется по объему, и эта ошибка не дала ему возможности открыть закон зависимости электрических сил от расстояния. Эта зависимость была установлена Генри Кавендишем (1731 —1810) в 1771 г. Кавендиш показал, что если бы закон взаимодействия между наэлектризованными частицами отличался бы от закона квадратов, то при установлении проводящего контакта между заряженной внешней обкладкой сферического конденсатора и внутренней — незаряженной обкладкой на последнюю перетекал бы заряд того или иного знака. Исследуя заряд внутренней обкладки, Кавендиш показал, что он равен нулю, и отсюда заключил, что силы взаимодействия наэлектризованных частиц обратно пропорциональны квадрату расстояния.
Опыты Кавендиша не были опубликованы в течение 100 лет, пока их не опубликовал Максвелл. Поэтому впервые научный мир узнал о количественном законе электрических, а также магнитных масс из мемуаров французского ученого-инженера Огюста Кулона (1736—1806). Для исследования сил взаимодействия Кулон изобрел чувствительный прибор — крутильные весы. Сила электрического отталкивания уравновешивалась силой кручения нити, на которой было подвешено на коромысле наэлектризованное тело (или магнитная стрелка). Силу кручения после предварительного определения модуля кручения нити можно было определить по углу закручивания нити. В первом мемуаре 1785 г. Кулон установил закон взаимодействия электрических зарядов, во втором — магнитных полюсов. Открытием этих законов был создан фундамент для математической теории электростатических и магнитостатических явлений.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	В результате научной революции физика сформировалась как экспериментальная наука, широко использующая средства математического анализа для получения точных количественных выводов и теоретических обобщений.
2.	Ранее всего сформировалась механика, которая в XVIII в. становится отдельной дисциплиной дедуктивно-математического характера.
3.	Одновременно с механикой развилась оптика, как геометрическая, так и физическая. В XVIII в. оптика дополнилась фотометрией, однако теоретические представления физической оптики, несмотря на усилия Ломоносова и Эйлера, не продвинулись существенно вперед.
4.	В XVIII в. к механике и оптике прибавились теплота и электростатика. Были заложены основы термометрии, калориметрии, построены первые электростатические генераторы, конденсаторы и электроскопы, сформулированы первые теории тепловых и электрических явлений, найден точный количественный закон электрических и магнитных взаимодействий.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
(1765—1871)
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
(1765—1830)
Промышленный переворот — переход от ручного к машинному производству явился переломным периодом в развитии истории производительных сил человеческого общества. Одновременно промышленный переворот ознаменовался переходом к новым, соответствующим машинному способу производства производственным отношениям — к капитализму.
В. И. Ленин, показывая в своей работе «Развитие капитализма в России» соответствие исторических этапов развития техники различным общественным укладам, писал: «Мелкое товарное производство характеризуется совершенно примитивной, ручной техникой, которая оставалась неизменной чуть ли не с незапамятных времен. Промышленник остается крестьянином, перенимающим по традиции приемы обработки сырья. Мануфактура вводит разделение труда, вносящее существенное преобразование техники, превращающее крестьянина в мастерового, в «детального рабочего» Но ручное производство остается, и на его базе прогресс способов производства неизбежно отличается большой медленностью. Разделение труда складывается стихийно, перенимается также по традиции, как и крестьянская работа. Только крупная машинная индустрия вносит радикальную перемену, выбрасывает за борт ручное искусство, преобразует производство на новых, рациональных началах, систематически применяет к производству данные науки» Ч
Маркс показал, что промышленный переворот имел два последовательных этапа своего развития. Первый этап состоял во внедрении в промышленность первых машин, полностью заменивших рабочего в выполнении технологических функций производственного процесса. Второй этап состоял во внедрении в промышленности и на транспорте, универсального двигателя.
Оба этапа были подготовлены предыдущим ходом развития техники. В течение мануфактурного периода производства сложились предпосылки к возможности замены технологических функций рабочего в связи с их упрощением, достигнутым при глубоком подетальном и пооперационном разделении труда. Выше на примере станка Леонардо да Винчи для насечки напильников было показано, что техника вплотную подошла к возможности изготовления машин, способных «выбросить за борт ручное искусство». Развитие простейших технологических машин и их привода от гидравлических колес вызвало к жизни почти весь современный ассортимент деталей
1 В И. Ленин, Сочинения, т. 3, Госполитиздат, 1941, стр. 477.
§ I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
163
и звеньев, из которых можно было конструировать машины, способные заменить искусные руки человека.
Сложились и предпосылки для осуществления второго этапа промышленного переворота — внедрения универсального двигателя.
К середине XVIII в. возможность совершения механической работы за счет теплоты уже широко реализовалась на практике при постройке многочисленных водоподъемных установок. Возможность расширения двигательных функций этих установок была подготовлена развитием разнообразных машин и механизмов, в состав которых входили звенья будущих универсальных двигателей: валы, кривошипно-шатунные механизмы, маховики.
Указанные возможности не замедлили проявиться, как только достаточно настоятельными стали потребности в их реализации. Эти потребности раньше всего и острее всего проявились в Англии. Победа Англии, присоединившей в результате многовековой борьбы к своим владениям многие голландские, французские и испанские колонии, привела к развитию обширной колониальной торговли, вызвавшей большой спрос на продукцию обрабатывающей промышленности. Мануфактурное производство, использовавшее все резервы ручного труда — его разделение, специализацию, организационные формы и интенсификацию, — не в состоянии было удовлетворить резко возросших потребностей рынка. После использования всех возможностей ручного производства единственным методом повышения производительности труда была передача выполнения технологических функций рабочего машине.
ПЕРВЫЙ ЭТАП ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВО°ОТА — ПЕРЕДАЧА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА МАШИНЕ
Необходимость всемерного повышения производительности труда возникла в Англии прежде всего в одной из наиболее развитых отраслей английской промышленности того времени—в текстильной промышленности. Повышение спроса на хлопчатобумажные и шерстяные ткани не удовлетворялось ручным производством, слагающимся из прядения нитей и ткачества из них готовой ткани.
В 1733 г. английский механик и ткач Джон Кей впес коренное усовершенствование в ткацкий станок, передав машине ручную операцию продергивания челнока между нитями основы (фиг. 4—1).
Кей сделал выступы с направляющими 1, по которым могут скользить блоки 2 из твердого дерева, постоянно оттягиваемые пружинами 3, от середины станка к краям. Дергая за грибообразную рукоятку 4, соединенную с блоками гибким шнуром, ткач ударяет по челноку 5, который пролетает через зев, образуемый нитями основы, оставляя за собой нить утка. Дергая рукоятку в обратную сторону (после перемены положения нитей основы нажатием на педали, как в старом стайке), ткач посылает челнок обратно. Как видно, челнок далеко не самодвижущийся, как назвал его изобретатель. Главное состояло в том, что движения рук ткача упростились и, дергая рукоятку, он теперь выполнял функцию двигателя; число ходов челнока в минуту увеличилось; возникла возможность ткать более широкую ткань (ширина ткани в старых станках определялась длиною рук человека).
С ростом производительности процесса ткачества не замедлило сказаться «узкое место» в процессе прядения, которое не могло обеспечить новые ткац
164
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
кие станки необходимым количеством пряжи. В последующие годы был выдан ряд патентов на разнообразные изобретения, направленные на повышение производительности прядения, причем ряд патентов был выдан на принии-
Фиг. 4—1. Схема устройства «самодвижущегося» челнока Кея:
1 — направляющие; 2 — блоки из твердого дерева; 3 — пружины, постоянно оттягивающие блоки от середины станка к краям; 4 — рукоятка; 5 — челнок.
Фиг. 4—2. Схема кардной машины:
/, 2 — барабаны; 3 — конические трубки; 4— катушки; 5 — вал.
пиально новые машины, имеющие целью изъять прядильщика из производственного процесса, в котором именно его руки являлись «узким местом», и заменить его машиной.
В 1738 г. была предложена прядильная машина, в которой пальцы прядильщика заменялись несколькими парами вращающихся валиков, производивших операцию вытяжки нити. Машина эта являлась лишь приближением к решению стоящей задачи, поскольку позволяла прясть только грубую пряжу, но она давала дальнейшее направление творческой мысли.
В 1748 г. была построена машина, заменявшая человека в крайне трудоемкой операции чесания хлопка (кардная машина), позволявшая более дешево и быстро подготавливать хлопок к операции прядения (фиг. 4—2).
Более полно и удачно задача замены рук рабочего была разрешена в отмеченной Марксом прядильной машине английского механика — ткача Харгривса, предложенной им в 1768 г. под названием «Дженни».
Эта машина (фиг. 4—3) имела ручной привод.
Работа прядильной машины сводилась к следующему (фиг. 4-—4). В начальном положении ровница с катушки 1 проходит через зажим 2, расположенный на подвижной каретке станка, и соединяется с вертикальным веретеном 3, приводимым в движение от шкива 4 (положение а). Рабочий начал вращать руко
ятку станка, веретено начало вращаться, зажим захватил ровницу и вместе с кареткой стал двигаться, вытягивая ее (положение б). Одновремен-
§ I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
165
Фиг. 4—3. Прядильная машина «Дженни» (1768 г.).
ное вытягивание ровницы и скручивание, происходящее благодаря тому, что она направлена под углом к веретену, осуществляют процесс прядения — ровница превращается в нить. Затем (положение в) зажим остановился, освободил ровницу, а готовая нить наматывается на веретено уже без скручивания, так как опустившиеся проволоки теперь направляют ее под углом 90° к веретену. Каретка с зажимом (положение г) движется к веретену, приводя машину в исходное положение (а), проволоки поднимаются и происходит прядение нового участка нити (положение д такое же, как б).
На схеме показано одно веретено; машина «Дженни» имела 19 веретен. В данном случае прядильщик, вращавший рукоятку машины, являлся энергетической машиной — живым двигателем, а технологические функции прядильщика, его пальцы и умение прясть заменяли зажимы каретки и веретена машины. Производительность труда резко возросла, поскольку один рабочий приводил в движение несколько (впоследствии до 80) веретен.
Кромптон усовершенствовал прядильную машину (фиг. 4—5). Теперь рабочему не нужно было одной рукой вращать колесо машины, а другой двигать каретку, соответственно согласуй свои движения. Весь процесс сводился к равномерному вращению колеса, и эту чисто энергетическую функцию можно было передать ходящему по кругу животному или водяному двигателю. В машине Кромптона вращение рукоятки передается шкиву 1,
166
ГЛАВА IV.. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
от которого через перекрестную канатную передачу вращаются шкивы 2, 3, приводящие в движение по рельсам каретку 4. Система канатов и блоков 5 вращает барабан 6, расположенный на каретке, от которого получают вращение веретена 7. От рукоятки же при помощи конических шестерен и валика 8 движение передается к роликам, тянущим ровницу с катушек 10 (показана одна нить 11) и периодически задерживающим ее под действием рычага 9, отключающего валик 8 из зацепления.
С ростом количества веретен и числа прядильных машин возникла потребность замены живого двигателя — человека — двигателем, использующим энергию неорганической природы. В качестве такового был использован гидравлический двигатель. В 1769 г. англичанин Аркрайт запатентовал чужое изобретение на прядильную машину с приводом от водяного колеса, получившую сохранившееся до настоящего времени название «ватер-машины».
Ватер-машина явилась первой текстильной машиной непрерывного действия и высокой производительности. Построенные позднее более совершенные прядильные машины и ткацкие станки завершили начальный период развития технологических машин в текстильной промышленности. .
Промышленная революция, начавшаяся в своей первой фазе на текстильных машинах, оказала свое влияние на другие отрасли производства. Возросшая производительность текстильных машин позволила настолько увеличить выпуск тканей, что старые методы их отделки и беления оказались несостоятельными и не могли обеспечить отделку всей продукции. Возникновение нового «узкого места» предъявило счет химикам, в результате чего благодаря трудам шведского химика Шееле, открывшего хлор в 1775 г., французского химика Бертолле, разработавшего в 1785 г. метод применения хлора для отбеливания тканей, и английского химика Тенанта, предложившего в 1798 г. способ получения
белильной извести действием хлора на гашеную известь, — были успешно использованы в промышленной практике отбелки хлопчатобумажной ткани белильной известью.
Возникновение машинного парка прядильных и ткацких машин поставило ряд новых задач перед строителями этих машин. Если ранее применявшиеся машины, к числу которых относятся: толчеи, молоты, воздуходувные мехи, транспортирующие устройства, насосы и т. д. — не требовали от их исполнителей точности в размерах частей и в движении, то текстильные машины оказались в этих отношениях более требовательными. Текстильные машины имеют дело с производством и технологией тонкой и непроч
§ I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА 167
ной нити, вследствие чего недопустимы отклонения в размерах и режиме машины, какие допускались в ранее применявшихся машинах.
Новые текстильные машины имели иное значение и место в системе производства, чем перечисленные выше ранние машины феодального и мануфактурного периода. Те машины являлись частью машинного комплекса
(мех горна, насос шахты и т. д.) или исполнителями части технологического процесса производственной единицы (рудодробилки, толчеи, молоты и т. д ) и поэтому не выдавали готового товара или полупродукта, могущего быть товаром (как пряжа в системе текстильного производства) \ Поэтому ранние машины не носили характера сепаратного устройства, а проектировались и строились к данной домне, руднику, печи, цеху. Мануфактурное производство не знает примеров, чтобы подобные машины изготавливались для
1 Отдельные машины, как, например, гончарный круг, давали полупродукт, нуждавшийся только в термической обработке, но эти машины не заменяли рук рабочего, а только помогали ему в процессе работы путем рациональной организации движения, для котороп использовались в качестве двигателя ноги рабочего.
168
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
рынка как товар. Новые текстильные машины охватывали законченный процесс производства, выпускали товарную продукцию в виде пряжи или ткани. Каждый человек, располагающий средствами для покупки подобных машин, мог организовать товарное производство с целью получения прибыли. Отсюда возникает спрос на подобные машины и они сами становятся товаром.
Превращение машины в товар кладет основу новой чрезвычайно важной отрасли производства — производству средств производства в форме одной из существеннейших его частей — машиностроения.
Так, становление и развитие технологических машин, заменивших функции работника в выполнении технологических процессов и операций, положившее начало машинному производству, положило начало машиностроению как отрасли промышленного производства. В процессе развития машиностроения было освоено производство для рынка машин всех типов: технологических, транспортных, энергетических.
Машина Харгривса «Дженни» приводилась в действие живым двигателем-человеком, мощность которого была достаточной для привода 80 веретен. С увеличением числа веретен до нескольких сотен человек-двигатель оказался слабым и привод «ватер-машин» был поручен водяному колесу. «Увеличение размеров рабочей машины и количества её одновременно действующих орудий ...»1 привело к необходимости изыскивать новый источник мощности. Так, развитие первой фазы промышленного переворота — внедрения новых технологических машин — привело ко второй его фазе: становлению универсального двигателя.
ВТОРОЙ ЭТАП ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА — ВНЕДРЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Под универсальным двигателем промышленности и транспорта Маркс понимает «... двигатель,универсальный по своему техническому применению и сравнительно мало зависящий в своем местопребывании от тех или иных локальных условий» 1 2.
С освоением процесса преобразования теплоты в механическую работу в камере машины Севери или цилиндре машины Ньюкомена — Коули тепловой двигатель получал все свойства двигателя, «мало зависящего в своем местопребывании от тех или иных локальных условий», в силу высокой энергоемкости горючего. Однако даже конструктивно отделившийся от насоса двигатель Ньюкомена — Коули не мог претендовать на «универсальность по техническому применению», поскольку мог отдавать работу только прерывно. Универсальность по техническому применению достигалась присоединением к паровому насосу водяного колеса, как упоминалось выше, и подобный метод получения универсальной силовой установки существовал свыше ста лет от патента Северн 1698 г. до машины, построенной в Америке Нонкарроу в 1804 г.
После распространения насосных установок Ньюкомена— Коули задача об универсальном двигателе сводилась к приданию этому двигателю непрерывности отдачи работы. При принципиально прерывной отдаче работы в полости цилиндра теплового двигателя задача могла быть решена тремя способами.
1 К. Маркс, Капитал, т. I, Госполитиздат, 1955, стр. 382.
2 Там же, стр. 383.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
169
буксирного судна с машиной Нью-
Фиг. 4—6. Схема судовой установки, предложенной Хэллом (1736 г.):
1 — цилиндр паро-атмосферного двигателя; 2— груз механического аккумулирования.
Мог быть применен способ аккумулирования, по которому половина работы рабочего хода отдается какому-либо промежуточному энергоносителю с тем, чтобы быть отданной потребителю во время холостого хода поршня. В качестве промежуточного энергоносителя может быть избран груз, сжатый воздух, атмосферное давление, пружина, и в этом случае механическая энергия будет аккумулироваться в потенциальной ее форме. Можно взять в качестве промежуточного энергоносителя движущуюся массу, и в этом случае энергия будет аккумулироваться в кинетической ее форме.
Попытка применить впервые механическое потенциальное аккумулирование принадлежит англичанину Хэллу, который в 1736 г. предложил английскому Адмиралтейству проект комена — Коули (фиг. 4—6), где в качестве аккумулятора был предусмотрен тяжелый груз.
Кинетическое аккумулирование, осуществляемое посредством маховика, целесообразно только при высоком числе оборотов вала и поэтому получило свое раннее применение лишь в середине XX в. в первых двигателях внутреннего сгорания.
Могло быть применено комбинированное (и потенциальное, и кинетическое) механическое аккумулирование, примененное впоследствии, о чем будет ниже рассказано подробнее.
Мог быть применен метод суммирования, который сводится к суммированию в механизме двигателя работы двух и более полостей с целью полу
чения непрерывной отдачи. Этот метод может иметь два вида: суммирование работы двух полостей одного цилиндра и суммирование работы нескольких цилиндров. Первый способ был впервые применен англичанином Джемсом Уаттом в 1782 г., а второй Иваном Ивановичем Ползуновым в 1763 г.
Рассмотрим их в хронологической последовательности.
И. И. Ползунов работал в крепостной феодальной России, где условия для начала промышленного переворота еще не сложились. В своем стремлении сконструировать универсальный двигатель, «способный по воле нашей, что потребно исправлять», Ползунов исходил из кризиса гидроэнергетики, остро проявлявшегося в горнорудной промышленности России. Ползунов поставил задачу радикального изменения энергетики путем замены гидравлических установок паровыми машинами универсального характера.
Задачу универсальности Ползунов решал впервые им предложенным методом суммирования работы двух цилиндров на общий вал двигателя. По его проекту 1763 г. (фиг. 4—7) поршень 1, опускаясь под давлением атмосферного воздуха, сообщал механическуюэнергиювалу 3 и одновременно поднимал поршень 2 другого Цилиндра. При опускании поршня 2 происходило подобное же распределение энергии. Вал 3 получал работу непрерывно, то от одного, то от другого цилиндра. Отвала движение передавалось штангам 4, двигавшим зубчатые колеса механизма, управляющего кранами 5 и 6, которые поочередно подавали в цилиндры двигателя то пар из котла 7, то
170
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
охлаждающую воду по трубам 8. От того же главного вала двигателя движение передавалось через шкивы 9 и 10 насосам 11, нагнетавшим воду в верхний резервуар, откуда она расходовалась самотеком на питание парового котла и на охлаждение пара в рабочих цилиндрах. Работа внешнему потребителю — воздуходувным мехам 15 — передавалась через цепные колеса 12, 13 и 14.
Из описания двигателя Ползунова видно, что он был в состоянии выполнять многочисленные функции, недоступные для насосных двигателей. Он прежде всего мог работать сепаратно, на холостой ход, представляя, таким образом, самостоятельный двигатель Этот двигатель мог приводить в действие орудия, непрерывно потребляющие энергию, так как в нем имелись две цепи, передающие энергию непрерывно в двух направлениях. Этот двигатель не ограничивал свободу выбора направления движения орудия, поскольку не использовал сил тяжести, а также позволял менять размах и усилие путем соответствующего подбора диаметров передающих шкивов. Кроме того, впервые в конструкции Ползунова тепловой двигатель был в состоянии осуществить групповой привод, отмеченный Марксом как этап в развитии машин.
Рецензент проекта Ползунова президент Берг-Коллегии И. А. Шлаттер, автор книги «Обстоятельное наставление по рудному делу», в которой впервые на русском языке был описан насосный двигатель Ньюкомена, дал высокую оценку работе Ползунова, но не сумел понять основного замысла Ползунова — замены водяных колес, сковывавших развитие производства, паровыми машинами. Поэтому Шлаттер предложил Ползунову осуществить уже освоенное в Европе решение, т. е. комбинированную установку: паровым насосом поднимать колесо Ползунов не принял рекомендации

Фиг. 4—7. Схема проекта универсального двигателя И. И. Ползунова (1763 г.):
1 и 2 — поршни; 3 — главный вал; 4 — штанги паро-водораспределительного механизма; 5 — водораспределительный кран; 6 — парораспределительный кран; 7— паровой котел; 8 — трубы для вбрызгивания воды в цилиндры; 9 и 10 — приводи насосам 11; 12, 13, 14 — привод к воздуходувным мехам 15.
Чертеж И. Я. Конфедератора.
воду и направлять ее на водяное
Шлаттера и в 1765 г. осуществил постройку нового двигателя большой мощности для целей воздухоснабження металлургических печей. Этот двигатель (фиг. 4—8) имел также два рабочих цилиндра 1, двигавших балансиры2—2 и 3—3, от которых движение передавалось двум громадным воздуходувным мехам 10. С малого балансира 4 через штангу 6 и колесо 7 движение передавалось паро-водораспределительному механизму, а с балансира 5 через полубалансир 8— к насосам 9. Через общую камеру 11 сжатый воздух подавался в аккумулятор дутья, «воздушный ларь» 12, из которого по трубам распределялся между группой медеплавильных печей. Общий вид установки представлен на фигуре 4—9.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
171
Сопоставление установки Ползунова с предложением Шлаттера показывает громадный вклад Ползунова в развитие техники. По проекту Шлаттера (фиг. 4—10, а) паровые насосы /—2 подают воду в резервуар 3, откуда она по желобу 4 поступает на водяные колеса 5, которые через механизм 6—7 передают движение воздуходувным мехам 8\ канал 9 служит для отвода отработавшей на колесах воды. В установке Ползунова (фиг. 4—10, б) двигатель с двумя цилиндрами / приводит в движение воздуходувные мехи 2; воздух из аккумулятора 3 по трубам 4 раздается по группе печен
Фиг. 4—8. Схема воздуходувной установки Ползунова (1765 г.):
1 — паровой цилиндр (второй такой же цилиндр скрыт за цилиндром); 2—2 и 3—3 — балансиры, передающие движение воздуходувным мехам 10; 4 — полубалансир для привода паро-водораспределительного механизма 6—7; 5 — полубалансир для привода насосов 9 через рычаг 8; 11— выход сжатого воздуха; 12— аккумулятор дутья.
Чертеж И. Я. Конфедератова.
Приведенные схемы не вскрывают полностью значения изобретения Ползунова. Отказавшись от промежуточного носителя энергии в виде поднятой вверх воды, Ползунов более чем вдвое увеличил эффективность установки.
Однако в феодальной крепостнической России не было экономической базы для внедрения паровых двигателей. Поэтому лишь более чем через полустолетие после героической попытки Ползунова, отдавшего все свои силы и жизнь борьбе за дело перехода от ограниченной энергетики водяного колеса к тепловому двигателю, в России стало осуществляться строительство паровых машин.
Совсем иначе обстояло дело в Англии, которая ранее других стран вступила на путь капиталистического развития. Здесь еще до начала развития первой фазы промышленного переворота — внедрения в производство новых технологических машин, высвобождавших искусные руки рабочего, уже создавались материальные предпосылки осуществления второй фазы промышленного переворота — внедрения в производство универсального парового двигателя. Успешное применение машины Ньюкомена — Коули для откачивания воды направляло мысль конструкторов и изобретателей на использование этой машины и для других производственных нужд.
172
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—9. Макет пародутьевой заводской установки, построенной И. И. Ползуновым в г. Барнауле в 1766 г. (Государственный Политехнический музей, г. Москва.)
На тех же шахтах и рудниках, где машины Ньюкомена — Коули откачивали воду, имелся еще один потребитель механической энергии: шахтные и рудничные вентиляторы, снабжавшие подземные галереи, штольни и штреки воздухом. Вентиляционные установки существенно отличались от насосных применением разнообразных крыльчаток с круговым движением. Перед изобретателями встал вопрос о получении на валу машины однонаправленного вращательного (а не качательного, как это требовалось в условиях Ползунова) движения. Задача была настолько актуальной, возможности ее решения были настолько назревшими, что появившиеся в 70-х годах XVIII в. в Англии в значительном количестве первые, по сути своей универсальные, паровые двигатели не получили должной оценки. Забытыми оказались и имена конструкторов этих первых универсальных двигателей, использовавших для получения вращательного движения комбинацию потенциального и кинетического аккумулирования механической энергии, развиваемой поршнем двигателя (фиг. 4—11). В этих двигателях энергия поршня, перемещавшегося в цилиндре 1, передавалась через балансир 2 тяжелому литому шатуну 3, вес которого подбирался так, чтобы на его подъем затрачивалась половина энергии поршня. Вторая половина энергии шла на вращение вала через кривошип 4, причем неравномерность вращения сглаживалась маховиком 5 За вторую половину оборота вала шатун, опускаясь, отдавал затраченную на его подъем энергию валу маховика, который, таким образом, получал энергию непрерывно. Применение двух аккумуляторов механической работы — потенциального (шатун 3) и кинетического (маховик 5) — позволяло получать на валу двигателя равномерное однонаправленное вращательное движение.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
173
Развитие прядильных и ткацких машин потребовало от двигателя не только однонаправленного вращательного движения. Потребовалось увели-
а— проект Шлаттера: 1 — двигатели; 2 — насосы; 3— резервуар; — водораспределительный желоб; 5 — водяные колеса; 6, 7 — валы и полубалансиры привода от водяных колес к воздуходувным мехам 8‘ 9— водоотводный канал;
б — проект Ползунова: / — двухцилиндровый двигатель; 2— воздуходувные мехи; 3 — воздушный аккумулятор; 4 — трубы.
Фиг. 4—10. Сравнительная схема проектов Шлаттера и Ползунова:
чение числа оборотов вала, потребовалась высокая равномерность вращения, нарушение которой приводило к обрыву нитей в текстильных машинах. Необходимость двигателя с подоб
ными качествами стала настолько острой, что, по выражению одного из современников, «в Лондоне, Манчестере и Бирмингаме все были без ума от машины с вращательным .движением». Так первый этап промышленного переворота сделал совершенно необходимым развитие второго его этапа. Эта необходимость не замедлила проявиться в конкретной форме ряда патентов на паровой двигатель с равномерным вращательным движением.
Такой двигатель был предложен Фальком, повторившим метод Ползунова — суммирование работы двух рядом стоящих цилиндров.Томсон суммировал работу двух цилиндров, расположенных на одной оси. Картрайт добился равномерности вращения вала одноцилиндрового двигателя за счет увеличения числа оборотов маховика посредством введения зубчатых передач. Садлер использовал два цилиндра
Фиг. 4—11. Универсальный двигатель с комбинированным механическим аккумулированием:
/ — цилиндр; 2 — балансир; 3 — шатун;
4 — кривошип; 5 — маховик.
с перепуском пара через поршень, работавших на общий балансир, передававший движение маховичному валу. Был ряд и других машин. Они были построены, работали, отвечали требо-
174
ГЛАВА П. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—12. Схема «улучшенной машины Ньюкомена», построенной Уаттом (1775 г.):
1 — цилиндр; 2 — балансир; 3 — насосная штанга; 4— конденсатор; 5, 6. 7 — клапаны; 8 — насос для подачи охлаждающей воды; 9 — конденсатный насос; 10 — питательный насос. -
вапиям универсального двигателя, требованиям промышленности на высокое число оборотов, непрерывность и большую равномерность вращения.
Большое количество построенных двигателей и патентов еще раз наглядно подтверждает тот факт, что изобретение не является следствием личной воли и стремления того или иного изобретателя, а что изобретатель выполняет социальный заказ и не свободен в выборе своих решений. Лучшее решение оценивается обществом. И в данном случае такая оценка была дана изобретению Джемса Уатта.
Джемс Уатт пришел к изобретению универсального двигателя, не ставив перед собой такой задачи. Будучи механиком университета в г. Глазго в Шотландии, он получил поручение исправить сломанную действующую модель водоотливной паровой установки Ньюкомена — Коули. Исправив модель, Уатт убедился, что она не может работать удовлетворительно. Современная наука показывает, что модель не могла работать потому, что при ее изготовлении не были учтены законы моделирования физических процессов. Поэтому на модели с исключительной! отчетливостью выступили все недостатки, присущие ранним паровым двигателям. Уатт не мог знать этого и упорно работал над моделью свыше пяти лет, пока не нашел радикальное решение, заставившее модель работать. Это решение состояло в отделе
нии от машины конденсатора, который бы конденсировал пар холодной водой не в цилиндре машины, а в отдельном резервуаре. С отделением конденсатора паровая машина приобрела, наконец, все необходимые элементы паросиловой установки (фиг. 4—12). Самое же главное состояло в том, что отделение конденсатора более чем вдвое уменьшало расход топлива при том же эффекте. Уатт совместно со своим компаньоном немедленно использовали нужду шахтовладельцев в экономичном водоотливном двигателе и стали заключать с ними соглашение на право примене-
1
ния отдельного конденсатора за -у экономии топлива, получающейся при его внедрении. Это мероприятие принесло компаньонам громадную прибыль,
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
175
и Уатт все свое внимание и силы направил на изыскание способов дальнейшей экономии топлива. С этой целью он использовал расширение пара, ранее применявшееся только с целью замедления скорости движения поршня при подходе его к крайним положениям. Внедрение расширения принесло экономический эффект, но уменьшало мощность машины при тех же ее размерах. Для компенсации потери мощности Уатт придумал использовать вторую полость цилиндра и этим самым, преследуя экономию, нашел решение, обеспечивающее непрерывность отдачи работы методом суммирования работы двух полостей одного цилиндра (так называемая машина двойного действия).
Теперь в руках Уатта было все необходимое для создания универсального двигателя и, направляемый на этот путь своим компаньоном Болтоном, Уатт стал упорно работать над двигателем с вращательным движением вала. Суммирование облегчало достижение поставленной Болтоном задачи, но Уатту пришлось много потрудиться над изысканием способа соединения прямолинейно движущегося поршня с концом балансира, описывающим дуги окружности.
Уатт, как и все изобретатели того времени, не сумел отказаться от балансира и нашел решение в форме так называемого «параллелограмма Уатта». Так как шатунно-кривошипный механизм был запатентован в применении к паровой машине другими изобретателями, Уатт применил планетарную передачу, удобную тем, что она вдвое увеличивала число оборотов вала маховика и, следовательно, учетверяла равномерность вращения. Уатт в 1784 г. получил патент на универсальный двигатель (фиг. 4—13). Этот двигатель вследствие своей экономичности, а также благодаря жесткой патентной политике фирмы, не дававшей никому права не только на использование конденсатора, но и на ряд других нововведений, запатентованных фирмой, быстро вытеснил другие виды универсальных двигателей и стал получать широкое распространение. Вместе с тем длительное (до 1800 г.) монопольное патентное право, фирмы «Уатт и Болтон» на постройку паровых машин с конденсаторами не могло не иметь отрицательных последствий. Некоторые ценные предложения, которые способствовали бы прогрессу парового двигателя, не нашли применения, поскольку в той или иной степени вторгались в широкую область патентных прав фирмы. Капиталистические отношения и присущая им жестокая конкурентная борьба начинали проявляться все заметнее и заметнее
Машина Уатта стала получать быстрое распространение. Ранние, насосные машины Уатта устанавливались на шахтах и рудниках, в водопроводных и воздухонагнетательных установках. За десятилетие, с 1775 по 1785 г., было установлено 66 машин общей мощностью в 1238 л. с. В следующем десятилетии число установленных машин возросло до 144, а мощность до 2009 л. с., причем из них 47 машин с мощностью 735 л. с. было установлено на текстильных предприятиях. За период 1795—1800 гг. число машин, поставленных заводом Уатта и Болтона, составило 79 с общей мощностью в 1206 л. с., а через четверть века в одной Англии насчитывалось 1500 паровых машин с общей мощностью около 80 000 л. с.
Паровые машины начали строить с 1780 г. во Франции, с 1818г. — в Бельгии, в конце XVIII в. — в Германии, около 1800 г. — в США В России первая, после машины Ползунова, паровая машина была установлена на Гумешевском заводе на Урале в 1799 г., следующая за ней — на Златоустовском заводе в 1810 г. Имена строителей этих машин история не сохра-
176
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—13. Универсальный паровой двигатель Уатта (1782 г.).
пила. Имеются данные о машинах, построенных еще в конце XVIII в. на Олонецком заводе.
Второй этап промышленного переворота — внедрение универсального двигателя в промышленность — имел громадное влияние на ускорение темпов развития производительных сил общества. Прежде всего паровая машина являлась новым потребителем топлива. Вместе с тем паровая машина способствовала удовлетворению этой потребности, работая на откачке воды из шахт, на подъеме угля на гора, на вентилировании. С созданием паровой машины резко увеличилась потребность в металле, так как в отличие от водяных колес она не могла быть из дерева. Однако паровая машина способствовала удовлетворению и этой потребности, обслуживая водоотлив и вентиляцию рудников, дутье в доменных печах. Увеличилась потребность и в перевозках топлива, руды, металла. Вместе с этим паровая машина способствовала удовлетворению этой потребности, приводя в движение колеса паровозов, гребные колеса и винты речных и морских судов.
Широкое внедрение паровой машины означало широкое обращение к запасам энергии природы в их высоко концентрированной форме — к топливу, являющемуся и сегодня основным поставщиком теплоты, механической и электрической энергии.
В настоящее время свыше 97% энергии человечество берет от природы при сжигании топлива.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
177
Наконец, паровая машина пробудила широкий интерес к тепловым явлениям и процессам. С одной стороны, практики, изыскивая способы снижения расходов по эксплуатации паровых машин, постепенно переходили от учета денег к учету топлива, к учету пара, к учету теплоты, заключенной в паре. Так практика необходимо вела от денег к килограммам топлива, килограммам пара и, наконец, к калориям теплоты. Из практики теплового двигателя возник относительный показатель качества машин — коэффициент полезного действия. С другой стороны, привлечение интереса ученых к паровой машине также неизбежно вело к исследованиям тепловых явлений, к открытию универсального закона природы — закона сохранения и превращения энергии.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ — ОДНО ИЗ ВАЖНЕЙШИХ ПОСЛЕДСТВИЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
Становление машинного производства в форме замены рук рабочего развитыми технологическими машинами, приводимыми в движение универсальным паровым двигателем, потребовало все возраставшего количества разнообразных машин. Выше было показано, как технологическая машина, способная производить товар, сама становится товаром. Так возникает машиностроение машин, производящих продукты потребления: ткани, обувь, посуду и т. д. Несколько позднее качества товара получают и энергетические машины — универсальный паровой двигатель. Если ранее паровой насос строился вместе с шахтой, доком, рудником как его составная часть, то теперь универсальный двигатель, способный приводить в движение любые технологические или транспортные машины в любом месте, куда только можно подвезти топливо, строится на продажу вне зависимости от того, кто, где и как намерен его использовать. Первый заводчик паровых машин, компаньон Уатта, Болтон уже мечтал строить их «для всего мира», выражая этим зарождающиеся монополистические устремления крупного капитала.
Но для построения машин также нужны машины. Машины и комплексы машин, в которых одна машина—энергетическая — вырабатывает механическую энергию, а вторая—технологическая—формоизменяет материал, придавая ему форму частей и деталей будущих машин, начинают производиться во все возрастающих количествах.
Возникает и развивается «.совокупность машин», характерная для машинного производства. Маркс писал о ней: «Всякая развитая совокупность машин [entwickelte Maschinerie] состоит из трех существенно различных частей: машины-двигателя, передаточного механизма, наконец машины-орудия, или рабочей машины» Ч В качестве первой части трехзвенной совокупности машин в течение всего XIX в. преимущественное распространение и применение имела паровая машина, являвшаяся в этот период универсальным двигателем промышленности и транспорта.
Что касается третьей части, т. е. рабочей машины, или машины технологической, то здесь наблюдается возникновение и развитие чрезвычайно разнообразных как по своему назначению, так и по конструктивным формам многочисленных видов машин.
Особенное значение приобрели машины, предназначающиеся для изготовления других машин. Поскольку в производстве машин дерево стало
1 К. Маркс, Капитал, т. I, Господитиздат, 1955, стр. 378—379.
7 П. С. Кудрявцев
178
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
быстро и решительно вытесняться металлом, машины для производства машин составили громадный парк металлообрабатывающих машин, или станков.
В течение многих столетий обработка металлических изделий, преимущественно орудий и оружия, осуществлялась посредством ручного труда, при помощи ручных орудий и инструментов: напильников, зубил, молотов. Сверла в силу присущего им вращательного движения, не свойственного живым организмам, потребовали приспособлений и простейших машин, преобразовывавших поступательные движения руки сверлильщика во вращательное движение сверла (коловороты, дрели, лучки). Самая ранняя обработка металла заключалась в отливке расплавленного металла (бронзы) в формы и в ковке его в нагретом состоянии, при котором он приобретает пластичные свойства. Следующий этап — резание металла в холодном состоянии.
Получение крупных металлических изделий путем отливки в формы расплавленного металла было освоено до возникновения требований промышленного переворота. Отливались громадные колокола, пушки. Но литые изделия не могли применяться для большин-
Фиг. 4—14. Паровой молот по проекту ства машин в виде деталей, подвер-Уатта (1784 г.) с передачей движения мо- гающихся ударам, знакоперемен-лоту от балансира паровой машины. ным нагрузкам, так как литье в то время не позволяло достигать однородности металла в отливке. Возник вопрос о поковках крупных деталей. Для этой цели был прежде всего применен молот с приводом от водяного колеса, освоенный с XV—XVI вв. на металлургических предприятиях.
С укрупнением паровых машин росли и их детали. Самая крупная и ответственная из них-—главный, или коренной, вал — уже не могла быть откована под молотом с приводом от водяного колеса. Увеличение размеров поковки требовало более тяжелого молота и более высокого его подъема, что приводило к такому увеличению потребного количества воды, подаваемой на водяное колесо, которое далеко не всегда могло быть обеспечено местными гидроэнергетическими ресурсами.
И в этом случае паровая машина, поставившая новую задачу, была использована для ее решения. Сразу же после получения патента на свой универсальный двигатель, Уатт в 1784 г. запатентовал паровой молот (фиг. 4—14), который получил применение в ряде предприятий. Но возможность отковывать особо крупные поковки, вроде валов для крупных судовых паровых двигателей, была найдена изобретателем прямодействующего парового молота — Дж. Нэсмитом (фиг. 4—15), на который он получил патент в 1842 г. В 1852 г. Делен предложил паровой молот «с верхним паром», в котором падение бойка молота осуществлялось не только под действием его веса, но и под давлением пара на поршень молота.
Вторым крупным вкладом в технику машиностроения явилось введение горячего проката железных и стальных листов большой толщины, вызванное потребностями построения паровых котлов. Эксплуатация паровых машин показала, что с увеличением давления пара растет экономичность машины.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА 179
Фиг. 4—15. Молот Нэсмита (1742 г.)- (Рисунок Нэсмита.)
Но увеличение давления ограничивалось возможностями построения прочных паровых котлов, которые делались из небольших по площади кованых листов меди или железа. Потребность в толстых листах большой площади обратила внимание конструкторов на метод проката, широко использовавшийся в маломощных прокатных станах с приводом от водяных колес для
7*
180
ГЛАВА TV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
получения тонкого листового кровельного железа. Выросший по размерам прокатный стан с приводом от мощного парового двигателя обеспечил технологию проката листового железа значительной толщины. И в этом случае паровая машина, вызвав потребность в котельном материале, обеспечила возможность удовлетворения этой потребности. Метод проката стал все
шире и шире распространяться для получения профильного материала:
рельсов, железных балок различных профилей, пруткового, полосового железа и стали.
Особенное развитие получили методы обработки металла резанием. В качестве метода перехода от ручного инструмента (напильника, зубила) к машине, к станку, давно уже был использован опыт обработки дерева на простейших токарных станках с ножным приводом (фиг. 4—16). Но большое отличие
г
Фиг. 4—16. Деревообделочный токарный станок с лучковым ножным приводом.
Фиг. 4—17. Схема развития суппорта токарного станка:
а — подставка дает возможность использовать резец как иеравноплечий рычаг; б — рычаг заменен винтом и гайкой для поперечного перемещения резца; в — то же для продольного перемещения резца; г—суппорт приводится в движение от ходового винта через сменные шестерни, позволяющие варьировать отношение чисел оборотов обрабатываемого предмета и ходового винта.
металла от дерева в прочности делало работу подобных станков крайне непроизводительной. Токарь, воспринимавший усилие резания своими руками и двигавший станок ногою, мог снимать стружку очень небольшого сечения. Для увеличения сечения стружки было необходимо: 1) применить более мощный двигатель и 2) найти способ воспринимать усилие резания не рукою, а самим станком, причем за резцом должна быть сохранена свобода перемещения Первое требование начало удовлетворяться путем применения водяного колеса в качестве двигателя. Второе требование привело к развитию подставки под резец (фиг. 4—17).
Сначала использовалось правило рычага (фиг. 4—17, а), позволявшее рукою уравновешивать большое усилие на кромке резца. С ростом усилия резец стал закрепляться на станине станка в подвижных «салазках», движе
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
181
ние которым передавалось при помощи винта и гайки, позволявших, как и рычаг, трансформировать малое усилие руки в большое усилие на кромке резания без передачи большого усилия обратно (самоторможение) (фиг. 4— 17, б). Позднее стали делать «салазки» в два «этажа», обеспечивавшие движения резца в двух направлениях. Наконец, Модели ввел подающий (ходовой) винт (впервые предложенный Леонардо да Винчи), приводимый в движение не рукой токаря, а от механизма самого станка. Так постепенно сложился суппорт-самоход, обеспечивавший точную и производительную работу. Меняя соотношения числа оборотов обрабатываемого предмета и ходового винта путем набора сменных шестерен (позднее — коробки скоростей), можно было получать резьбовые изделия.
Метод «самохода» получил применение и в других типах станков. Различные типы станков возникли прежде всего в зависимости от характера обрабатываемой поверхности и от соотношения между движением инструмента и обрабатываемого предмета. Для обработки поверхностей тел вращения, и в частности цилиндрических, были применены токарные станки с вращением обрабатываемого предмета и подачей резца. Для обработки внутренних поверхностей цилиндров паровых машин стали применять расточные станки с неподвижным обрабатываемым предметом и двойным (вращательным и поступательным) движением резца. Для обработки плоскостей были введены строгальные станки с поступательным рабочим движением обрабатываемого предмета и подачей резца; станки с обратным распределением рабочего движения и подачи получили наименование шепингов. Наконец, для сверления были разработаны разнообразные сверлильные станки.
В подавляющем большинстве в станках использовался соответственно увеличенный по размерам и весу режущий инструмент. Маркс писал: «Механический токарный станок — циклопическое воспроизведение обыкновенного ножного токарного станка; строгальная машина — железный плотник, обрабатывающая железо тем же орудием, каким плотник обрабатывает дерево; орудие, которое на лондонских кораблестроительных верфях режет фанеру, — это гигантская бритва; орудие механических ножниц, которые режут железо, как ножницы портного режут сукно, это—чудовищные ножницы...» \
В этих словах Маркса дана отчетливая характеристика сущности технологических машин, возникших в процессе промышленного переворота и существенно отличающихся от ранних технологических машин(толчей, мельниц, дробилок, мешалок) тем, что они приняли из рук рабочего ручное орудие, инструмент, обеспечив в системе механизма машины точные и координированные движения, заменившие движения рук. Ранние же технологические машины просто механически выросли в размере с передачей их привода от человека-двигателя к механическому водяному или паровому двигателю.
Вместе с машинами-двигателями и машинами-орудиями (станками) развивалось и третье звено «развитой совокупности машин» — передаточный механизм. Сепаратное производство двигателей и разнообразных машин-орудий сразу же поставило вопрос об изыскании методов связи между ними. Ответ на этот вопрос был дан в форме использования старых методов: ременной и канатной передачи. Однако старый вопрос усложнился тем, что практика построения и эксплуатации паровых машин показала целесообразность
1 К. Марк с, Капитал, т. I, Госполитиздат, 1955, стр. 391.
182
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
увеличения их мощности, тогда как потребление мощности отдельными станками оставалось относительно невысоким. Отсюда возник вопрос о распределении мощности одного двигателя на группу рабочих машин, вопрос о групповом приводе. Решение этого вопроса вылилось в форму трансмиссий — развитых систем передачи механической работы посредством валов, цилиндрических и конических шестерен, соединительных муфт, ступенчатых шкивов, подшипников, приборов для отключения и включения отдельных станков, ремней, канатов, цепей, фрикционных передач, редукторов, натяжных приспособлений и т. д.
Трансмиссионные системы и их детали стали существенным объектом машиностроения наравне с построением машин-двигателей и машин-орудий. Схема, описанная Марксом, стала типичной схемой машинного производства до перехода капитализма в империализм, связанного с ростом производительных сил.
С развитием машиностроения старые методы производства, основанные на опыте ряда поколений, разработавших ряд рецептурных сведений и указаний, оказались совершенно несостоятельными. Построение сложных и дорогих машин требовало предварительных расчетов, которые заранее определили бы поведение, движение, взаимосвязь и достаточную прочность всех деталей сложного целого.
Ученые и техники все чаще и чаще стали применять выводы и положения теоретической механики для решения возникавших вопросов технической практики. Решение этих вопросов позволяло находить лучшие решения, а систематизация этих решений складывалась в систему прикладной механики, явившейся одним из первых примеров возникновения технических дисциплин, служащих мостом между теоретическими выводами ученых и производственной практикой, каналом, через который познанные законы природы обращаются в орудие, используемое на производстве в самых разнообразных видах, но с единой конечной целью — производством материальных благ,
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЗАВОДОВ И ФАБРИК — ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ МАШИННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Мануфактурное производство подготовило возможность перехода к машинному производству, с возникновением которого мануфактурные предприятия стали постепенно вытесняться фабриками и заводами. Коренное отличие фабрик и заводов от мануфактур заключалось в том, что на фабриках и заводах подавляющая доля технологических функций рабочих была передана машинам. Труд из ручного стал машинным.
В связи с машинным трудом изменилась и дифференциация рабочих. В мануфактуре рабочие отличались один от другого или по изготовляемым каждым из них различным деталям, или по выполняемым каждым из них различным операциям. Машинное производство заложило новые основы дифференциации рабочих, которые теперь стали отличаться один от другого по станкам, на которых они работали. В рабочей профессии металлиста возникли более узкие специальности: токарь, строгальщик; позднее— револьверщик, фрезеровщик. Металлист, работающий вручную, приобрел специальность слесаря. Специальности возникали и в других областях промышленного производства, применительно к рабочим машинам: ватерщик, прокатчик, прядильщик, шлифовальщик и т. д.
§ I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА 183
трансмиссионного вала механи-
Новое техническое качество фабрики и завода заключается в том, что с переходом к машинному труду завод или фабрика становятся потребителями все больших и больших количеств энергии. Ранние металлургические заводы потребляли теплоту для доменного и ряда плавильных процессов, но для привода технологических машин потребление энергии водяных колес было крайне незначительным. Так, например, один из крупнейших заводов России XVIII в. — Екатеринбургский железоделательный завод потреблял механическую энергию 50 водяных колес, имевших общую мощность в пределах от 100 до 300 л. с.
Основные черты предприятия машинного производства можно усвоить по фигуре 4—18. Энергетическим центром завода является заводская теплосиловая установка, состоящая из котельного отделения 2 и машинного зала 3. Работа паровой машины идет на привод ческого цеха 4 и на привод вентилятора, подающего воздух в «горячие» (кузнечный. литейный и т. п.) цехи 5 и 6. Энергоснабжение завода осуществляется путем подвоза топлива, которое частично идет для отопления котлов теплосиловой станции и частично на плавильные или нагревательные процессы в горячем цехе. Завод или фабрика могут выпускать крайне разнообразную продукцию: машины, текстиль, пищевые продукты, обувь и т. д., но почти во всех из них в том или ином соотношении имеется как «тепловое», так и «силовое» потребление энергии.
Капиталистическая концентрация производства в руках отдельных предпринимателей, а позднее в руках фирм, концернов, объединений, создавала почву и для технической концентрации,
возможность которой заключалась в укрупнении промышленных предприятий (заводов, фабрик). Это укрупнение шло за счет увеличения числа машин-орудий и соответственного увеличения мощности фабрично-заводской теплосиловой установки, за счет удлинения и усложнения систем трансмиссионных передач.
Постройка значительного числа промышленных предприятий в разных местах, богатых природными ресурсами и рабочей силой, коренным образом меняла экономическую географию страны. Возникали и развивались индустриальные центры, в которых концентрировалось большое число жителей. Развивалось строительство крупных зданий — контор, гостиниц, складских зданий, фабрично-заводских корпусов и т. д. Возникла проблема осуществления резко возросших перевозок сырья, топлива, готовой продукции и полуфабрикатов.
За техническим переворотом неизбежно последовали и коренные социально-политические изменения. В. И. Ленин писал: «Переход от мануфактуры к фабрике знаменует полный технический переворот, ниспровергающий веками нажитое ручное искусство мастера, а за этим техническим переворотом неизбежно идет самая крутая ломка общественных отношений производства,
 » .. Топлива
------Работа
------Пар
----- Воздух
Фиг. 4—18. Схема завода XIX в.:
1 — топливный склад; 2 — котельная;
3 — машинный зал; 4 — механический цех;
5 — кузнечный цех с паровыми молотами;
6 — литейный цех с чугуноплавильными печами—вагранками.
184	ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
окончательный раскол между различными группами участвующих в производстве лиц... обострение и расширение всех мрачных сторон капитализма...» х.
Касаясь машинной индустрии как высшей стадии капиталистического производства, Ленин подчеркивал, что она знаменует собой гигантский прогресс в капиталистическом обществе. И действительно, капиталистическое общество на основе машинного производства создало громадные ценности.
Маркс и Энгельс писали: «... Буржуазия менее чем за сто лет своего классового господства создала более многочисленные и более грандиозные производительные силы, чем все предшествовавшие поколения, вместе взятые. Покорение сил природы, машинное производство, применение химии в промышленности и земледелии, пароходство, железные дороги, электрический телеграф, освоение для земледелия целых частей света, приспособление рек для судоходства, целые, словно вызванные из-под земли, массы населения, — какое из прежних столетий могло подозревать, что такие производительные силы дремлют в недрах общественного труда!» 2.
Но в капиталистическом обществе машина является средством усиления эксплуатации трудящихся, рабочий превращается в придаток машины.
Машинная индустрия, разоряя ремесленников и разрушая мануфактурное производство, повышает производительность труда. Вместе с тем усиливается обобществление труда, ведущее к образованию широких слоев пролетариата, к обострению классовой борьбы между эксплуататорами и эксплуатируемыми, к усилению противоречий капиталистического способа производства.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПАРОВОГО ТРАНСПОРТА
Попытки применить паровой двигатель для движения судов и повозок были предприняты ранее, чем последствия промышленного переворота сделали потребность в транспорте исключительно острой. И, как это характерно для классового общества, первые применения новых технических возможностей были направлены на военные цели.
Выше было указано, что первая попытка применить метод механического аккумулирования для получения непрерывной работы двигателя Ньюкомена — Коули была сделана Хэллом еще в 1736 г. с целью установки такого двигателя на буксирное судно для обслуживания военных кораблей в портах.
Первая попытка применить паровой двигатель для движения повозки также была произведена в военных целях. В 1769 г. французский военный инженер Кюньо соорудил паровую повозку (фиг. 4—19) для перевозки артиллерийских орудий. В своей повозке Кюньо правильно намеревался решить задачу непрерывной передачи механической работы ведущему колесу путем двух поочередно работающих цилиндров, повторив метод суммирования работ, предложенный Ползуновым в 1763 г. Но Кюньо не имел возможности построить легкий, небольшой по размерам и высокопроизводительный паровой котел. Испытания повозки Кюньо показали ее непригодность, и дальнейшие опыты были прекращены.
1 В. И. Л е н и н, Сочинения, т. 3, Госполитиздат, 1941, стр. 397.
? К. Маркс и Ф. Эн гель с. Сочинения, т. 4, Госполитиздат, 1955, стр. 429.
« 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
185
Фиг. 4—19. Паровая повозка Кюньо (176Т г.).
Итоги промышленного переворота, успешная работа все большего количества паровых машин на стационарных установках, возросший объем грузоперевозок возбудили новый интерес к паровому транспорту, основанный теперь на потребностях общества. Однако решение проблемы парового транспорта не могло быть осуществлено простой установкой стационарной паровой машины на колеса или в корпус судна. Условия работы па транспорте предъявили к паровой машине ряд серьезных требований. Прежде всего транспортная паровая машина должна была иметь небольшой вес на единицу развиваемой мощности. Далее, транспортная машина должна была быть реверсивной, то есть легко и быстро переключаться с «переднего» хода на «задний». Затем транспортная машина должна была запускаться в ход с любого положения частей ее механизма. Кроме того, для наземного транспорта паровая машина не могла быть устроена, как паро-атмосферная, работающая при конденсации пара, так как для конденсации требуется такое большое количество охлаждающей воды, какое не в состоянии везти с собою локомотив. Следовательно, транспортная локомотивная паровая машина должна была работать паром избыточного давления с выпуском отработавшего пара в атмосферу, а не в конденсатор.
С начала XIX в. проблема парового транспорта настолько назрела, что привлекла к себе внимание и труды значительного количества изобретателей, охарактеризованных Марксом как «кооперация современников».
Одним из первых членов этой кооперации был англичанин Ричард Тревитик, получивший в 1802 г. патент на паровой двигатель с избыточным давлением пара. Оговорив в своем патенте возможность применения своего двигателя для движения повозок, Тревитик сконструировал первый паровой автомобиль (фиг. 4—20). Этот автомобиль имел один горизонтальный паровой цилиндр, углубленный в корпус парового котла, расположенного в задней части экипажа. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм и зубчатые шестерни передавалось громадным ведущим колесам, размер которых определялся необходимостью получить достаточную скорость при тихоходных машинах того времени. Экипаж Тревитика не имел успеха, но имел известное значение в развитии транспортной техники, показав на
186
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
печальном опыте своих бесчисленных поломок, что новому транспорту нужны
и новые дороги.
Новые дороги постепенно возникали в специфических условиях, где их необходимость была непосредственно связана с производительностью труда, как, например, в рудниках и на заводах, где требовалось транспортировать большие количества руды и других материалов. Для этой цели вагонетки ста-
вились на организованный путь из досок или деревянных брусьев. Быстрый износ деревянных брусьев — рельсов — привел к необходимости укреплять на них железные полосы, а позднее (1776 г.) — железные угольники,
полка которых препятствовала сходу колес вагонеток с рельсов. В конце
Фиг. 4—20. Паровой экипаж Р. Тревитика (1802 г.).
XVIII в. были впервые применены рельсы, отлитые из чугуна. В нашей стране в 1806—1809 гг. П. К. Фролов построил первую «чугунную дорогу» с конной тягой для перевозки руды из Змеиногорского рудника на металлургический завод, расположенный на р. Корбалихе (Алтай).
Заводские и рудничные «чугунные дороги» подсказали Тревитику мысль поставить свой паровой экипаж на рельсы. Более того,
применение при откатке
руды «поездов» из вагонеток подсказало конструирование локомотива, не
несущего на себе груз, а тянувшего поезд с грузом.
В своем паровозе (фиг. 4—21) Тревитик, как и в первом экипаже, применил один цилиндр, а поэтому для получения равномерной непрерывной отдачи работы он применил метод аккумулирования посредством тяжелого маховика. Так как масса движущегося локомотива сама является аккумулятором механической энергии, то в локомотиве Тревитика было два «маховика», соединенных между собой системой зубчатых колес. При изменении скорости движения локомотива «маховики» противодействовали один другому, вызывая поломку зубьев шестерен, расположенных между ними.
Все последующие участники «кооперации современников» применяли два цилиндра, которые без маховика уравнивали работу двигателя и,
кроме того, при механизмах цилиндров, расположенных под углом друг к другу, позволяли запускать локомотив при любом положении частей его машины.
В результате работы «кооперации современников» было создано несколько образцов локомотивов, начавших свою работу на отдельных заводских железнодорожных линиях. В 1825 г. была открыта в Англии первая железная дорога общественного пользования между городами Стоктоном и Дарлингтоном. В 1829 г. был проведен конкурс на лучший локомотив, на котором выступили четыре претендента. Лучшим локомотивом оказался локомотив «Ракета» (фиг. 4—22), уже не первый из построенных английским инженером Г. Стефенсоном. «Ракета» могла развивать скорость до 21 км/час при весе поезда в 17 тонн; позднее на этом локомотиве была
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТД
187
достигнута неслыханная в то время скорость 45 км/час. Успех «Ракеты» определился увеличением производительности небольшого по размерам парового котла путем введения пучка трубок, по которым двигались горячие топочные газы.
Вслед за Англией началось строительство локомотивов и в других странах. Одной из первых в их числе была Россия, в которой в 1834 г. отец и сын Е. А. и М. Е. Черепановы, крепостные крупнейшего горнозаводчика Урала Демидова, построили первый отечественный паровоз (фиг. 4— 23). Этот паровоз перевозил руду на территорию завода по специальной «чугунной дороге» со скоростью 15 км/час при грузе в 3,5 т. Затем был
Фиг. 4—21. Паровоз Р. Тревитика (1803 г.).
построен второй паровоз, способный перевозить уже 17 т. В паровозе Черепановых количество трубок в котле достигало 80.
Одновременно с возникновением железнодорожного транспорта (фиг. 4— 24) возникал и развивался паровой водный транспорт. Как и в первом случае, здесь принимало участие большое количество изобретателей. Американец Генри в 1763 г., англичанин Брама в 1785 г., француз Жоффруа с 1776 по 1783 г. и ряд других изобретателей делали попытки или предложения по сооружению паровых судов. Проект речного судна разрабатывался и известным русским механиком-изобретателем И. П. Кулибиным.
К наиболее ранним опытам движения по воде при помощи парового двигателя относятся опыты Саймингтона, Тейлора и Миллера, применивших двигатель с двумя цилиндрами простого действия (1788 г.), Фитча, сначала пытавшегося построить судно с веслами, приводимыми в движение паровой машиной, а потом применившего гребные колеса (1785—1798 ). В начале XIX в. американец Эванс впервые применил на своем судне пар высокого
188
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—22. Паровоз Г. Стефенсона «Ракета»:
1, 2 — наклонные цилиндры машины, передающие движение на передние ведущие колеса; 3 — предохранительный клапан с пружинной нагрузкой; 4— питающий насос с обратным клапаном; 5 — предохранительный клапан с грузом; 6 — отбор пара из сухопарника; 7 — выхлопные «конусы», обеспечивающие тягу трубы; 8—выхлопная труба правого цилиндра; 9— концы дымогарных труб; 10 — эксцентрики, приводящие в движение парораспределительные золотники.
по тем временам давления в 6—10 ати. В 1806 г. небольшое судно «Фенникс» конструкции Стевенса показало скорость 9,6 км/час.
Все эти и многие другие опыты и проекты подготовили почву для практического внедрения паровых судов на транспорт, перехода от опытов к коммерческому предприятию, в осуществлении которого значительная роль принадлежала Роберту Фультону. Американец Фультон сначала
§ I РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
189
Фиг. 4—23 Модель паровоза Е. А. и М. Е. Чере- , пановых (1834 г.).
Фиг. 4—24. Открытие железнодорожной станции в Кембридже (Англия) (1845 г.).
190 ГЛАВА TV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
пытался построить во Франции свое первое паровое судно. В 1803 г. на восемнадцатиметровой лодке, оборудованной паровой машиной и гребными колесами, Фультон провел первое испытание, окончившееся гибелью судна. Двигатель с затонувшей лодки был поставлен на другую, но и эта попытка не увенчалась успехом. Безуспешными оказались и попытки Фультона построить подводную лодку, проекты которой он предлагал правительствам Англии и Франции, находившимся в то время в крайне враждебных отношениях.
Фиг. 4—25. Паровой двигатель парохода Фультона «Клермонт»:
/ — шток цилиндра; 2 — крейцкопф; 3 — рама; 4 — шатун; 5— балансир; 6 — цилиндр; 7 — насос охлаждающей воды; 8— шатуны от балансира к главному валу машины.
Уехав в США, Фультон нашел там крупную финансовую поддержку со стороны Ливингстона и в 1807 г. построил пароход «Клермонт», явившийся первым паровым судном, использованным для коммерческой эксплуатации. Следует заметить, что техническое решение Фультона было далеко не лучшим для уровня техники того времени. До него предлагались и двухцилиндровые машины, и машины прямого действия. Однако Фультон заказал на заводе компании «Болтон и Уатт» в Англии машину одноцилиндровую, балансирную, с промежуточным валом и маховиками, противовесом и зубчатыми передачами (фиг. 4—25).
Коммерческий успех предприятия Фультона-был подхвачен, и со второго десятилетия XIX в. развитие парового судостроения шло возраставшими темпами так, что к концу XIX в. мощность судовых паросиловых установок резко преобладала над мощностью паровозов и заводских машин.
В США большое распространение к середине XIX в. получили речные пароходы с задним колесом (фиг. 4—26).
В Европе пароходы начали эксплуатироваться с 1811 г. К этому же времени относится выдача англичанину Ч. Бэрду привилегии и монополии
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
191
Фиг. 4—26. Пароход с задним колесом.

Фиг. 4—27. Первый русский пароход «Елизавета» (1815 г.;.
192
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
на постройку паровых судов в России. В 1815 г. первый русский пароход «Елизавета» (фиг. 4—27) начал курсировать между Петербургом и Кронштадтом, а к 1820 г. на этой линии эксплуатировалось уже несколько паровых судов более совершенной конструкции, с металлическими трубами, колесными кожухами, известным комфортом для пассажиров. Раннее наименование этих судов — пироскаф — впоследствии было заменено современным: пароход. Одновременно с Бэрдом, нарушая его монополию, начал строить пароходы на р. Каме горнопромышленник Всеволожский, а позднее и ряд других предпринимателей.
Эксплуатация паровых судов в морских условиях показала неудобство гребных колес и поставила задачу изыскания нового вида судового движителя. Решение этой задачи не замедлило последовать в трудах многих изобретателей, к числу которых относится чех Рессель, швед Эриксон, англичанин Смит. С 30-х годов XIX в. гребной винт начинает вытеснять на морских судах гребные колеса.
ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО РАЗВИТИЯ РОССИИ
Если в Англии промышленный переворот произошел в период 1765— 1830 гг., то в России решающие сдвиги в промышленности, носящие характер промышленного переворота, произошли только между 1830—1860 гг., что объясняется длительным господством крепостного уклада.
Задерживая развитие мануфактурного производства, крепостной строй в еще большей степени задерживал возникновение капиталистического фабрично-заводского машинного производства. Тем не менее начиная со второй трети XIX в. число фабрик в некоторых отраслях промышленности крепостнической России начало быстро возрастать. Продукция этих фабрик стала количественно и качественно преобладать над продукцией кустарного и ремесленного производства. Повышение производительности машинного производства вызвало снижение цен выпускавшейся им продукции, расширило рынок сбыта этой продукции и начало вытеснять продукцию мануфактурного и мелкотоварного ручного производства.
Одним из показателей темпов развития машинного производства в России служат статистические данные о промышленных предприятиях Е Е 1830 г. в России имелось только семь «механических предприятий», т. е. машиностроительных заводов, выпускавших ежегодно около 700 разных машин: паровых двигателей, насосов, молотилок, прядильных и ткацких машин и др. К 1850 г., только через двадцать лет, число заводов увеличилось почти вчетверо, достигнув 25, а выпуск машин вырос почти в 130 раз, причем из 92 786 машин, построенных в 1850 г., 6500 являлись такими сложными, как паровые двигатели. За последующие десять лет (период с 1851 г. по 1861 г.), число механических заводов выросло в 5,6 раза, число занятых в них рабочих — в 9,2 раза, количество выпускаемой продукции — более чем в 15 раз. Среднегодовой прирост промышленной продукции машинного производства достиг 30%, что показывает наличие в дореформенной России промышленного переворота — неуклонного и решительного перехода промышленности на путь машинного производства.
1 С. Г. Ст р у м и л и н, О промышленном перевороте в России, «Вопросы экономики», 1952, № 2.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПРОМЫШЛЕННОГО ПЕРЕВОРОТА
193
Таким образом, с 30-х годов прошлого столетия, по определению В. И. Ленина, «Россия сохи и цепа, водяной мельницы и ручного ткацкого станка стала быстро превращаться в Россию плуга и молотилки, паровой мельницы и парового ткацкого станка» т.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Промышленный переворот есть период перехода от ремесленного и мануфактурного ручного производства к крупному капиталистическому машинному производству. Промышленный переворот начался в Англии в последней трети XVIII в. в конкретной форме внедрения технологических машин в прядение и ткачество, как сферу производства товаров широкого потребления.
2.	Первый этап промышленного переворота — передача технологических функций рабочего машине, замена рук рабочего работой машины, внедрение подобных машин в производство.
3.	Второй этап промышленного переворота — внедрение универсального двигателя для привода растущего парка технологических машин, возникших на первом этапе промышленного переворота.
4.	Важнейшие последствия промышленного переворота в развитии производительных сил общества заключаются в коренном перевооружении основных отраслей добывающей промышленности, в первую очередь рудной и угольной; в возникновении и быстром развитии новой отрасли промышленности — машиностроения, производства средств производства.
5.	В условиях возникшего машинного производства основной производственной единицей становится завод или фабрика. Фабрично-заводское машинное производство основано на применении системы машин, главными звеньями которой являются: машина-двигатель, передаточный механизм и машина-орудие. Фабрики и заводы становятся центрами концентрированного энергопотребления, осуществляемого в форме завоза топлива, идущего как на технологические тепловые процессы, так и на выработку механической энергии на заводских теплосиловых установках.
6.	В процессе промышленного переворота возникает и получает свое начальное развитие паровой водный и железнодорожный транспорт — необходимое условие осуществления перевозок, объем которых многократно возрастает с переходом к машинному производству.
7.	В России промышленный переворот тормозился наличием феодальных условий с крепостным трудом. Развитие машинного производства в 1830—1860 гг. XIX в. способствует разложению крепостнических условий и приводит к неизбежности крестьянской реформы, как необходимого условия для беспрепятственного развития капиталистических форм производства.
8.	Промышленный переворот выходит далеко за рамки технических и организационных мероприятий в сфере производства. В результате промышленного переворота произошли громадные экономические и социальные сдвиги: возник и утвердился капиталистический способ производства, вместе с которым произошло изменение в классовой структуре общества — возник класс капиталистов, возник класс пролетариев. Последующее развитие машинной индустрии всемерно усиливало противоречия капиталистического общества и подготавливало возможности перехода к социализму.
В. И. Лени н. Сочинения, т. 3, Госполитиздат, 1941, стр. 624.
194
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИСТИЧЕСКОГО СТРОЯ
(1830—1871)
[
В подъеме и развитии машинного производства главная роль принадлежит энергетике и машиностроению.
Рассматриваемый период характеризуется исключительно быстрым привлечением к промышленному производству громадного количества энергии. Эта энергия в подавляющем большинстве производилась при помощи паровой машины, являвшейся, по определению Маркса, «универсальным двигателем крупной промышленности и транспорта» в течение всего почти XIX в.
После того как в процессе промышленного переворота была решена задача об универсальном двигателе и были разработаны методы распределения вырабатываемой им механической энергии на ряд машин-орудий, основными линиями дальнейшего развития паровой энергетики явились две взаимосвязанные линии: увеличение единичной мощности паросиловых установок и повышение их экономичности.
За сорок лет развития парового двигателя его мощность возросла от 20—30 до тысячи лошадиных сил; за это же время удвоился коэффициент полезного действия, особенно после сороковых годов, когда все чаще начали применять повышенное давление и подсушку, а позднее и перегрев пара. Повышение к.п.д. с 5 до 10% имело громадное значение при все возраставшем потреблении горючего. Особое значение имело повышение к.п.д. для судов и локомотивов, поскольку оно снижало вес погружаемого на них горючего. Нужно напомнить, что в силу громадного потребления горючего паровыми машинами первых судов они не могли обеспечить себя топливом для перехода через океан и значительную часть пути проходили под парусами (фиг. 4—28).
Фиг. 4—28. Колесное морское судно первой половины XIX в.
Кроме паровой установки, судно имело парусное вооружение, так как не могло запастись топливом в количестве, достаточном для перехода через океан.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 195
Снижение веса паросиловых установок на единицу мощности, столь существенное для транспортных установок, могло быть осуществлено путем увеличения числа оборотов вала двигателя и путем увеличения давления пара. Этими же путями могло быть выполнено другое требование растущей машинной техники — увеличение единичной мощности паровых установок.
Указанные пути и требования по разному отражались на развитии основных элементов паросиловой установки: паровых котлов и паровых
машин.
В ранний период развития паровых установок, когда в паро-атмосферных машинах использовался пар с котельным давлением в одну атмосферу, вопрос о прочности конструкции не являлся решающим в котлостроении. Что касается ответа на запрос об увеличении мощности машин, а следовательно, и об увеличении паропроизводительно-сти паровых котлов, то он сводился к организации газоходов котла таким образом, чтобы топочные горячие газы омывали при своем движении не только дно, но и боковые стенки котлов. Это показано на фигуре 4—29, изображающей паровой котел установки Уатта так называемого «вагонного» типа (по его внешнему сходству с вагоном). Но в установках Уатта давление пара не превосходило 0,25 ати. В то же время опыт эксплуатации паровых
Фиг. 4—29. Паровой котел вагонного типа:
1 — топка: 2 — Газоходы; 3 — дымовая труба;
4 — предохранительный клапан.
Стрелки указывают движение горячих газов.
Машин показал преимущества повышения
давления с точки зрения экономии топлива.
Изобретатель парового молота Нэсмит писал, что отдельные конструкторы «... стали применять высокое давление, ... которое заставило бы инженеров старой школы упасть в обморок со страха. Но так как экономический результат этого повышенного давления пара очень быстро обнаружился в совершенно недвусмысленной форме фунтов, шиллингов и пенсов, паровые котлы высокого давления при конденсационных машинах получили почти всеобщее распространение». Упомянутое Нэсмитом «высокое» давление составляло не более одной избыточной атмосферы над давлением воздуха, но переход к этому давлению в 1 ати от давлений 0,1—0,25 ати уже приносил значительный экономический эффект. Поэтому с 1830 по 1870 г. давление в паросиловых установках возросло не менее чем в три раза, от 1 до 3 ати.
Экономический эффект повышения давления направлял многих изобретателей на освоение пара высокого давления. В США в начале XIX в.
196
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Эванс построил паровой котел с громадным по тому времени давлением порядка 8—10 ати. В 1824 г. на Алтае С. В. Литвинов запроектировал оригинальный паровой котел с давлением 10 ати. Работали и другие изобретатели.
Однако это были только единичные попытки разрешения основного противоречия, возникающего при решении задачи об одновременном увеличении производительности котла и давления пара в нем. Это противоречие
заключалось в том, что обеспечение прочности котла при повышенном дав-
Фиг 4—30. Процесс дробления водяного пространства и газового тракта парового котла:
а — цилиндрический котел; б — корнваллийский котел: в— ланкаширский котел; г — пароходный котел; д — судовой шотландский котел; е — локомотивный котел; ж — котел «двойка»; з — котел «шестерка»; и — однокамерный котел; к — двухкамерный котел.
лении требовало шаровой или цилиндрической формы, а эта форма при заданном объеме дает минимум поверхности, тогда как ее нужно было всемерно увеличивать для поднятия производительности котла.
Разрешение этого противоречия состояло в сохранении цилиндра, как прочного элемента котла, а поскольку прочность цилиндра при заданном давлении тем больше, чем меньше его диаметр, цилиндр по мере увеличения давления превращался в трубу. Для обеспечения потребной производительности возрастала суммарная длина трубы или комплекса труб, явившихся и остающихся поныне основным элементом любого парового котла. Исторический процесс превращения котла-сосуда в котел-комплекс труб длился довольно долго, причем основные конструктивные формы паровых котлов сложились в рассматрива
емый период (1830—1870).
Этот процесс удобно представить схемой, приведенной на фигуре 4—30. На схеме показано, как единый котел-сосуд в виде цилиндра с полусферическими днищами (фиг. 4—30, а) подвергался постепенному дроблению
на группы труб, вызванному необходимостью увеличения поверхности
нагрева котла одновременно с увеличением внутреннего давления.
Дробление котла на систему труб шло по двум различным направлениям: если внутри труб пропускались топочные газы, то дробился водяной объем котла и возникала конструкция жаротрубного или огнетрубного котла; если внутри труб циркулировала испаряемая вода, то дробился газовый тракт котла и возникала конструкция водотрубного котла.
Первое направление представлено на фигуре 4—30 серией схематических рисунков: б, в, г, д и е. Из цилиндрического котла а возник котел с жаровой трубой, или корнваллийский б, с двумя жаровыми трубами, или ланкашир-
$ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
197
ский в, судовой «пролетный» г, судовой «шотландский» д и, наконец, локомотивный е.
Второе направление представлено на фигуре 4—30 серией рисунков ж, з, и и к, из которых ж и з — «батарейные котлы, комбинировавшиеся
из 2, 3, 6 или 9 элементов, аник — водотрубные котлы. Последний из них — двухкамерный, впервые разработанный немецким инженером Альбаном в 40-х годах XIX в., существовал до конца XIX в. и был впоследствии вытеснен котлами, в которых камеры были разбиты на отдельные секции, секционными котлами конструкции фирмы «Бабкок и Вилькокс» и конструкции В. Г. Шухова.
Что касается паровых машин, то начиная с 1800 г., когда окончился срок патентов фирмы «Уатт и Болтон», они стали развиваться более быстрыми темпами. Уже в 1804 г. Вольф предложил паровой двигатель, в котором он целесообразно совместил достоинства машины Уатта с ее отделенным конденсатором и предложения Горнблауэра (в свое время отвергнутое из-за патента
Фиг. 4—31. Схема расположения парового цилиндра и вала:
а — та идем-машины; б— компаунд-машнны.
Уатта) использовать расширение
пара высокого давления последовательно в двух цилиндрах так называемой машины двукратного расширения. Отказавшись от балансира, не-
Фиг. 4—32. Схема «коловратной» машины:
1 — вход пара; 2 — выход пара;
3 — поршень-крыльчатка; 4 —заслонка.
приемлемого при все возраставшем числе оборотов двигателя, изобретатели пришли к двум основным типам паровых машин: машинам тандем (фиг. 4—31, а), у которых два цилиндра были расположены на одной оси, и машинам компаунд (фиг. 4—31, б), у которых цилиндры располагались рядом, а поршни были связаны с механизмами, расположенными под углом в 90° один к другому. Были введены и машины тройного расширения с расположением механизмов под углом в 120°.
Кроме повышения давления, постепенно увеличивалось число оборотов вала машин, дававшее возможность повышать единичную мощность двигателя и увеличивавшее коэффициент полезного действия.
Потребность во вращательном движении со
стороны быстро растущего станочного парка вызывала многочисленные попытки построения парового двигателя без возвратно движущихся масс — роторного двигателя. Эти попытки выливались в форму конструирования так называе-
мого «коловратного» двигателя, представляющего собой видоизменение обычного поршневого двигателя, заключающееся в том, что поршень превращался в крыльчатку, движущуюся вокруг неподвижной оси (фиг. 4—32).
198
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Если по трубе 1 направлять пар в полость коловратного двигателя, а по трубе 2 отводить его в конденсатор, то в полости двигателя, разделенной на две части подвижным поршнем — крыльчаткой 3, возникает разность давлений, под действием которой крыльчатка будет вращаться в сторону меньшего давления, вращая вместе с собой и вал двигателя. Трудность сооружения подобного двигателя состоит в том, что для создания разности давлений заслонка 4 должна быть опущенной, а для свободного прохождения крыльчатки — поднятой. Поэтому коловратные двигатели не получили заметного распространения и сохранились в современной технике для различного рода паровых или масляных двигателей вспомогательного действия, использующих только качательное движение крыльчатки при постоянно опущенной заслонке 4.
С развитием паросиловых установок начала отчетливо проявляться их специализация. В середине XIX в. можно было различать несколько групп специальных паросиловых установок.
Водоподъемные установки, положившие начало паровым двигателям, получили значительное развитие. Лучшие из установок данного назначения имели к.п.д. до 6,5% и характеризовались следующими величинами: ход поршня 3,45л/, диаметр цилиндра 3,66 м, наибольший вес цилиндра 22 тонны, наибольшая глубина водоподъема 650 м. Отдельные установки такого типа имели к.п.д. до 8%.
Шахтные подъемные паросиловые установки получили реверсивное устройство и устраивались чаще всего одноцилиндровыми с балансирным приводом к барабану, на который наматывался канат шахтного или рудничного подъемника.
Воздуходувные паросиловые установки сначала строились балансирными по типу, разработанному еще Ползуновым. Затем с заменой клинчатых воздуходувных мехов цилиндрическими от балансиров отказались и соединяли поршень парового двигателя непосредственно с поршнем воздуходувного цилиндра одним общим штоком. К середине XIX в. подобные установки достигали значительных размеров: диаметр и ход поршня воздушного цилиндра 3,66 м, диаметр парового цилиндра 1,347 м, а ход поршня 3,96 м. Подобная воздуходувка при 20 ходах в минуту развивала мощность 650 л. с. и подавала 124 куб. м воздуха в минуту.
Прокатные паросиловые установки получили значительное распространение начиная с 30-х годов XIX в. в связи с прокаткой рельсов для все-возраставшей сети железных дорог. Эти установки характеризовались высокой мощностью, реверсивным устройством И массивным фундаментом.
Паровые молоты как специфическая разновидность паровых машин в качестве легко управляемого и гибкого технологического орудия большой мощности получили значительное распространение. Развиваясь по величине и эффективности, паровые молоты достигли громадных размеров с бойками весом в десятки тонн, позволившими отковывать детали крупных машин.
Локомобили — передвижные паросиловые установки, заключавшие в себе весь необходимый комплекс устройств: котел, машину, насосы, конденсатор,— начали распространяться с середины XIX в. сначала в Англии, а потом и на европейском континенте. Локомобили строились небольшой мощности порядка 4—8 л. с. с давлением пара в 3—4 ат и скоростью вращения вала 125—150 об!мин.
Развитие паровой машины создало предпосылки к возникновению второго вида теплового двигателя — двигателя внутреннего сгорания. Прежде
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 199
всего паровая машина вызвала необходимость в двигателе нового типа у широких слоев производительной части населения — ремесленников, кустарей, мелких предпринимателей, разоряемых широким наступлением крупного капитала. У разоряемых мелких предпринимателей создалось ошибочное представление о том, что, поскольку массовый выпуск товара и низкая его цена обусловлены внедрением паровой машины, постольку мелкий предприниматель мог бы успешно конкурировать с крупным, если бы в его распоряжении был легкий, дешевый, экономичный, всегда готовый к запуску, не нуждающийся в котле и котельном здании двигатель — «спаситель ремесла», — как писали онем в товремя. Даже видные представители буржуазной научно-технической мысли возлагали на легкий и экономичный двигатель надежду,
Фиг. 4—33. Газовый двигатель Ленуара (1860 г.):
1 — цилиндр; 2 — охлаждающая цилиндр водяная рубашка; 3— впускные золотники; 4 — выпускные золотники; 5 — распределительная тяга впуска; 6— тяга выпуска; 7 — распределительный диск моментов зажигания; 8 — индукционная катушка; 9— подача газа; 10 — выхлоп отработавших газов.
как на средство вернуть мелкому производителю утрачиваемое им место в общественном процессе производства. В действительности возникновение п распространение двигателей внутреннего сгорания не могло предотвратить действие закона концентрации производства и разорения мелких производителей, а, наоборот, способствовало возникновению крупных областей капиталистического промышленного производства—автостроения и, позднее, авиастроения. Тем не менее начиная с 30-х годов XIX в. мысль о легком двигателе — «спасителе ремесла» — вызвала к жизни многочисленные изобретения.
Почва для многочисленных изобретений была уже подготовлена. Исходя из успехов парового универсального двигателя, многочисленные изобретатели не отказывались от конструктивных форм этого двигателя, а, наоборот, целиком заимствовали их. Задача состояла в том, чтобы отказаться от котла, от котельного помещения, от высоких фабричных труб. И решение этой задачи мыслилось в сжигании горючего непосредственно в самом двигателе, откуда он получил свое название: двигатель внутреннего сгорания.
200
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—34. Газоатмосферный двигатель Отто и Лаптева (1865—1866 гг.).
Ко времени возникновения потребности в таком двигателе была осуществлена и вторая возможность его реализации: была освоена технология производства светильного газа, являющегося топливом, которое легко сжигать в полости цилиндра. Даже для зажигания газа, введенного в полость цилиндра вместе с воздухом, заключающим в себе кислород-окислитель, было подготовлено решение в виде индукционной катушки, изобретенной Румкорфом и позволявшей индуктировать ток высокого напряжения, от которого можно было по желанию получать искры в полости цилиндра.
Таким образом, когда в середине XIX в. потребность в двигателе внутреннего сгорания стала исключительно острой, этот двигатель был осуществлен на основе перечисленных достижений техники: паровой машины, светильного газа и электрической искры.
Первым двигателем внутреннего сгорания, получившим некоторое промышленное применение, был двигатель, запатентованный в 1860 г. французом Ле-нуаром.
Двигатель Ленуара по конструктивным формам почти ничем не отличался от паровой машины (фиг. 4—33): цилиндр, поршень, шатунно-кривошипный механизм, передающий движение поршня на вал двигателя, коленчатый вал с маховиком и даже золотники, которые в данном случае в отличие от паровой машины распределяли по полостям цилиндра не пар, а смесь светильного газа с воздухом и выпускали в атмосферу продукты сгорания.
Сведения о двигателе Ленуара вызвали громадный отклик в печати. Ряд статей поспешно «хоронил» паровую машину и вместе с нею и крупный капитал, предсказывая наступление эры децентрализации в промышленности. Испытания машины Ленуара показали, что ее экономичность была исключительно низкой. К.п.д. двигателя достигал величины 3,3%, тогда как современные ему паровые машины уже работали с к. п. д., достигавшим величины 8%—10%. Тем не менее свыше 5000 двигателей Ленуара получили свое применение в мелких мастерских, хотя и не предотвратили неизбежного разорения их хозяев крупным капиталом.
На Парижской выставке в 1867 г. немецкий купец Отто и инженер Ланген представили новый двигатель внутреннего сгорания (фиг. 4—34). Это был шаг назад, к «атмосферическим» машинам, предлагавшимся
2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
201
Фиг. 4—35. Первый четырехтактный двигатель Отто (1877—1878 гг.).
еще Папеном в начале XVII в. Однако они сумели получить мак-ci мум того, что можно было получить от машин такого типа, и к.п.д. их двигателя достиг 14%, превзойдя к.п.д. лучших паровых машин. Однако это был предельный к.п.д. подобных двигателей, и, распространив около 9000 таких машин, Отто и Ланген не оставили работу над усовершенствованием двигателя внутреннего сгорания.
Единственным средством к повышению к.п.д. двигателя являлось предварительное сжатие поданного в полость цилиндра двигателя газообразного горючего, смешанного с воздухом, так называемой горючей смеси. Осуществив сжатие в своем двигателе, выпущенном в 1878 г., Отто и Ланген получили к.п.д. 22% (фиг. 4—35).
Историческая справедливость требует указать, что Отто и Ланген не были первооткрывателями пользы предварительного сжатия рабочей смеси. За шестнадцать лет до выпуска их двигателя со сжатием, в 1862 г., французский инженер Бо де Роша выпустил в свет небольшую брошюру «Новейшие исследования относительно практических условий применения теплоты», в которой отчетливо изложил впервые так называемый четырехтактный цикл работы двигателя со следующими последовательными тактами:
1.	Засасывание в полость горючей	смеси	— первый	ход	поршня,
2.	Сжатие горючей смеси	— второй	ход	поршня,
3.	Зажигание смеси, горение	— третий	ход	поршня,
4.	Выбрасывание продуктов сгорания	— четвертый ход поршня.
202
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—36. Схема «калорической» машины Эриксона:
1 — рабочий цилиндр; 2 — поршень; 3 — компрессор; 4 — всасывающий клапан; 5 — нагнетательный клапан; 6 — промежуточный резервуар; 7— теплообменник; 8 — перепускной золотник; ,9 — выхлопная труба.
Чертеж И. Я- Конфедератов а.
В настоящее время четырехтактные двигатели являются самыми распространенными двигателями в мире. С их возникновением началась специализация двигателей внутреннего сгорания. Был разработан двухтактный цикл. Началось применение жидкого горючего, вводимого в полость цилиндра в мелко распыленном состоянии в смеси с воздухом, осуществляемой в карбюраторах. Для нефтяных двигателей получил распространение калоризатор — раскаленный запальный шар для воспламенения вбрызнутого в полость цилиндра горючего. В целях использования газа доменных печей стали строить громадные газовые двигатели для привода воздуходувок.
Интересен ряд попыток использования в качестве рабочего тела тепловых двигателей воздуха в так называвшихся «калорических» машинах.
Эти попытки возйикали в связи со стремлением освободить теплосиловые установки от дорогих и взрывоопасных паровых котлов. Благодаря низкой технологии котло-строения взрывы были нередки, особенно там, где не было организовано действительного контроля за правилами эксплуатации паровых котлов.
Так, например, в своей книге по паровым машинам, изданной в 1853 г., М. Хо-тинский писал: «В Америке, где это условие (т. е. контроль за действием предохранительных клапанов. — И. К.) отнюдь не соблюдается, взрывы паровиков вещь самая обыкновенная и стоят ежегодно жизни многим сотням, если не тысячам людей».
В 1852 г. в английском журнале было опубликовано устройство «калорического» двигателя, изобретенного шведским инженером Эриксоном для привода в движение морского судна. В этом двигателе (фиг. 4—36)
воздух в рабочем цилиндре 1 получает теплоту от расположенной под цилиндром топки, расширяется и поднимает вверх тяжелый поршень 2, выполняющий функцию механического аккумулятора энергии. Энергия расширения нагретого воздуха расходовалась в трех направлениях: на внешнего потребителя (через балансир, не показанный на схеме, движение передавалось гребному винту судна), на подъем тяжелого поршня 2 и на сжатие воздуха в полости компрессора 3. Сжатый в компрессоре воздух нагнетался через клапан 5 в камеру 6 и далее через теплообменник 7 поступал в рабочий цилиндр. Теплообменник 7 заполнялся медной сеткой, через ячейки которой проходил воздух, нагреваясь от металла сетки, нагретого в свою очередь горячим воздухом во время предыдущего хода двигателя (опускание поршня 2). Поршень 2, опускаясь под действием своего веса, отдавал аккумулированную в нем энергию на вытеснение горячего воздуха из полости цилиндра через теплообменник 7 (где горячий воздух нагревал сетку) и направлял его под золотник 8 (как показано на схеме пунктиром) в выхлопную трубу 9. Одновременно
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
203
через всасывающую трубу 10 и клапан 4 движущийся вниз поршень компрессора засасывал атмосферный воздух в полость компрессора 3. В описании двигателя указывалось на возможность соединения труб 9 и 10 (как
показано на схеме пунктиром) для превращения схемы в замкнутую, с цир-
куляцией одного и того же количества воздуха.
Двигатель Эриксона являлся предшественником одного из типов современных газотурбинных установок (ГТУ): турбины с замкнутым циклом, схема которой представлена на фигуре 4—37. Воздушный котел 1 и газовая турбина 2 современной схемы соответствуют цилиндру 1 двигателя Эриксона с находящейся под ним топкой. Теплообменник 3 полностью соответствует
теплообменнику 7, а осевой роторный компрессор 4 — поршневому компрессору Эриксона 3. Схема современного двигателя также может быть либо
замкнутой, либо разомкнутой (см. пунктир на фиг. 4—37).
Тем не менее двигатель Эриксона и ему подобные не получили распространения. Двигатели такого типа были неэкономичны и исключительно громоздки. Так, судовой двигатель Эриксона при мощности в 170 л. с. имел четыре цилиндра диаметром 4,2 м и ходом 1,8 м. Понадобилось почти столетие для упорной работы над тепловыми двигателями, пока цикл «калорического» двигателя не был покорен в современных газотурбинных установках с к.п.д. выше 40%.
В рассматриваемый период (1830— 1870) значительное развитие получили гидравлические двигатели. В конце XVIII в. паровой универсальный двигатель вытеснил водяное колесо с позиций монопольного энергетического агрегата и дал возможность многократно увеличить потребление мощности на технологические процессы и транспорт. Однако
Фиг. 4—37. Схема газотурбинной установки:
1 — котел-нагреватель; 2 — газовая турбина; 3 — теплообменник; 4 — осевой компрессор.
эта победа парового двигателя не исключала целесообразности использо-
вания водяного двигателя там, где для этого представлялись удобные природные условия, тем более, что водяной двигатель не вызывает расхода
на топливо.
Но в своей старой форме водяного колеса гидравлический двигатель постепенно отставал от запросов потребителей механической энергии — разнообразных технологических машин, которые, следуя объективной исторической тенденции к интенсификации техники и технологических процессов, все время наращивали число оборотов. Водяное же колесо по своей природе — двигатель тихоходный, вращающийся со скоростью 2—4 об/мин.
Возникало совершенно конкретное требование, сводящееся к всемерному увеличению числа оборотов водяного двигателя, так как по другим показателям, таким, как к.п.д. и дешевизна эксплуатации, водяной двигатель был выгоднее парового во много раз.
Методом увеличения числа оборотов водяного двигателя является переход ci использования энергии положения или давления воды (потенциальная
204
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
составляющая общего количества энергии) к использованию энергии скорости водяного потока (кинетическая составляющая). Этот метод интуитивно использовался задолго до того, как Д. Бернулли открыл и математически описал упомянутые составляющие энергии водного потока в так называемых «мутовчатых» мельницах, постройка которых вызывалась стремлением посадить на один вертикальный вал и двигатель, и мукомольный жернов. Мутовчатые мельницы являлись прототипом активных водяных турбин, использующих скоростную энергию струи воды. В 1745 г Баркере в Англии, а в 1750 г. Сегнер в Венгрии предложили прототип реактивной турбины в качестве гидравлических двигателей с повышенным числом оборотов.
В 1751—1755 гг. Леонард Эйлер дал анализ работы колеса Сегнера и предложил видоизмененную конструкцию реактивной турбины, имеющей направляющий аппарат. Введение направляющего аппарата, устраняющего удар воды о лопатки турбины, позволило резко повысить к.п.д. гидравлического двигателя.
В первой четверти XIX в. разрыв в числах оборотов между водяным колесом и технологическими машинами-орудиями достиг такой величины, что применение водяных колес становилось нецелесообразным. С целью ликвидации разрыва и возможности наилучшей эксплуатации водных ресурсов в 1832 г. по инициативе проф. Бюрдена во Франции был объявлен конкурс на лучший водяной двигатель. Бюрден, которому техника обязана введением в техническую терминологию слова «турбина» (от латинского turbis, turbinis — волчок), представил на конкурс свой двигатель, однако он не получил распространения, как неудачный. В 1834 г. ученик Бюрдена французский инженер Фурнейрон сконструировал турбину, повторявшую основные конструктивные черты турбины своего учителя, и достиг к.п.д. около 70% при значительной быстроходности
турбины (фиг. 4—38). По принципу работы турбина Фурнейрона—реактивная, поскольку на рабочих лопатках происходит изменение давления воды. По конструкции его турбина—радиальная, с внутренним подводом воды, движущейся радиально от центра турбины к периферии. Турбина Фурнейрона получила значительное распространение.
В России турбину, аналогичную турбине Фурнейрона, впервые соорудил плотинный мастер Алапаевского чугуноплавильного и железоделательного завода на Урале И. Е. Сафонов (фиг. 4—39).
Успех первых турбин, разработка теоретических основ их работы, опубликованная Понселе в 1838 г., и все возраставшая скорость вращения машин-орудий вызвали к жизни много новых типов гидравлических турбин.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
205
Фиг 4—39 Турбина И. Е. Сафонова (1837 г.):
J — подвод воды; 2 — отвод воды; 3— лопатки направляющего аппарата; 4 — рабочие лопатки; 5 — подпятник вала; 6 — кольцевая заслонка, регулирующая количество поступающей в турбину воды; 7 — коническая шестерня для передачи энергии машинам-орудиям.
Фиг. 4—40. Схема турбины Геншеля и Жонваля.
Направляющий аппарат расположен над рабочим колесом. Движение воды параллельно оси турбины — турбина осевая.
Фиг. 4—41. Турбина Швамкруга.
Турбина — радиальная. Вода движется от центра к периферии. -Турбина— активная; весь ыаигор чреобразоваи в скорость струи на выходе из сопла.
206
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
В 1837 г. Геншель в Германии, а в 1843 г. Жонваль во Франции предложили первые реактивные осевые турбины (фиг. 4—40), в которых вода движется параллельно оси двигателя. В 1850 г. Швамкруг в Германии предложил активную радиальную, а Жирар во Франции — активную осевую турбину (фиг. 4—41 и 4—42).
В 1838 г. в США Ховд построил чисто радиальную турбину, отличавшуюся от радиальной реактивной турбины Фурнейрона и Сафонова тем, что подвод воды в данном случае был не внутренний, а наружный (фиг. 4—43). Такой ток воды предоставлял возможность устройства ухурбтывсасывающейтрубы, одного из существенных элементов турбины, позволявшей располагать рабочее колесо над нижним уровнем воды без потери напора и повышавшей к. п. д. Прототип такой трубы уже имелся в турбинах Геншеля и Жонваля, но Ховд
Фиг. 4—42. Турбина Жирара
Турбина — осевая. Вода движется параллельно оси турбины.Турбина — активная: весь напор преобразован в скорость струи в направляющем аппарате.
не применил этого значительного усовершенствования. В 1847—1848 гг. Френсис радикально усовершенствовал турбину Ховда, дав струе воды изменение направления движения с радиального на осевое на специально изогнутых лопатках рабочего колеса и направив воду по выходе из него во всасывающую трубу (фиг. 4—44). Так возникла первая конструкция радиальноосевых реактивных турбин, получивших в дальнейшем широкое применение и развитие. Современные радиально-осевые турбины достигают единичной мощности свыше 100 тысяч киловатт. Радиально-осевые турбины работают на многих гидроэлектростанциях СССР, в частности на Днепрогэсе имени В. И. Ленина.
Таким образом, в период победы и утверждения капитализма сложилась крупная и эффективная энергетика сил неорганической природы, позволявшая достаточно рационально и в значительных масштабах использовать топливные и гидравлические ресурсы. Однако основным двигателем крупной промышленности и транспорта в течение всего рассматриваемого периода оставалась паровая машина — универсальный двигатель утверждавшегося капитализма.
§2 РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 207
Одновременно в недрах производительных сил утверждавшегося капитализма уже возникала новая высокоэффективная область энергетики— электроэнергетика.
Фиг. 4—43. Радиальная реактивная турбина Ховда с наружным подводом воды.
Фиг. 4—44 Радиально-осевая турбина Френсиса:
1 — вал турбины; 2 — рабочее колесо турбины с лопатками 3; 4— крышка; 5 — уплотнение; 6 — лопатки направляющего аппарата; 7—выход воды во всасывающую трубу.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Открытие законов электродинамики Ампером (1822 г.) и законов электромагнитной индукции Фарадеем (1831 г.) не только опровергли старые представления об отсутствии связи между механическими и электрическими явлениями природы, но и создали теоретические предпосылки возможностей получения как механической работы за счет электрической энергии (электро-двигатело), так и получения электрической энергии за счет механической работы (электрогенератор).
Для удобства обозрения периода начального развития электрических машин, совпадающего по времени с периодом победы и укрепления капитализма, целесообразно использовать схематическую диаграмму (фиг. 4—45), охватывающую период с 1831 г. —года опубликования работ Фарадея по электромагнитной индукции—до 1871 г. — начала внедрения электрических машин Грамма.
На представленной диаграмме верхняя ветвь посвящена деятельности изобретателей электрического двигателя, а нижняя — деятельности изобретателей электромеханического генератора. Каждая ветвь имеет свои характерные, качественно отличные периоды развития, указанные на диаграмме, и своих деятелей. Даты характерных изобретений помечены на диаграмме. Кроме того, на диаграмме имеется связующая верхнюю и нижнюю ветвь линия, относящался к открытию в 1838 г.
208
глава iv. техника в период утверждения капитализма
академиком Э. X. Ленцем обратимости генераторного и двигательного режимов электрических машин.
Рассмотрим каждую из ветвей диаграммы отдельно.
Изобретатели электрического генератора стимулировались в своей работе низким эффектом и большими неудобствами единственных в то время
Кольцевой якорь
ГЕНЕРАТОРЫ
Фиг. 4—45. Схема развития ранних электрических двигателей и генераторов постоянного тока.
генераторов электрического тока — химических генераторов: вольтова столба или гальванических батарей. Основой их изысканий явился труд Фарадея, результат которого диктовал им принципиальное решение задачи — движение проводника в магнитном поле.
В опытах Фарадея магнитное поле создавалось применением естественных магнитов (фиг. 4—46), что определило качественное содержание первого этапа развития элек
тромагнитных генераторов, охватывающего период с 1831 по 1851 г. (фиг. 4—45, нижняя ветвь). Этот этап характеризуется прежде всего применением постоянных магнитов
для получения магнитного поля. При вращении проводника в виде катушки с намотанной на нее изолированной проволокой этот провод-
ник двигался то параллельно, то
перпендикулярно к магнитным
силовым линиям, вследствие чего генерируемый ток носил синусоидальный характер, изменяясь и
по величине и по направлению. Этот, как сейчас его называют, однофазный переменный ток не находил себе применения, и поэтому второй существенной характеристикой первого этапа развития генераторов явились устройства для выпрямления переменного тока —
выпрямляющ ие коммутаторы.
В качестве одного из примеров раннего генератора первого этапа на фигуре 4—47 изображен генератор из лаборатории Э. X. Ленца. Около полюсов постоянного подковообразного магнита вращаются пять катушек, для ускорения вращения которых преду-
Фиг. 4—46- Магнитоэлектрический генератор Фарадея, известный как «диск Фарадея», завершающий этап его исследований по электромагнетизму:
1 — медный диск; 2 — подковообразный постоянный магнит; 3— осевой токосниматель; 4 — периферийный токосниматель; 5 — провода; 6 — гальванометр.
смотрена зубчатая передача от большой шестерни к малой. Катушки вращались вручную. Обмотки каждой катушки соединялись с пластинками
барабанного коммутатора, по которому скользили контакты. Коммутатор был устроен так, чтобы подавать в цепь ток постоянного направления.
Потребность в большем эффекте механических генераторов тока при-
вела к концу первого этапа к своеобразной конструкции компании
СО
Д о
Кудрявцев
Фиг. 4—47. Магнитоэлектрический генератор из лаборатории Э. X. Ленца. (Государственный Политехнический музей. Москва.)
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
210
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—48. Общий вид генератора «Альянс»:
1 — один из 24 подковообразных магнитов; 2— одна из 36 вращающихся катушек.
«Альянс», разработанной Нолле (Бельгия), ван Мальдереном (Франция) и Холмсом (Англия). В этом генераторе (фиг. 4—48) установлено 24 постоянных магнита по восьми радиусам по три в ряду. У полюсов этих магнитов проходили, вращаясь, 32 катушки с проводником. Ток, генерируемый в катушках, поступал к 32 пластинам коллектора, с которых снимался посредством роликов.
Дальнейшее развитие генераторов по линии увеличения числа магнитов и катушек становилось затруднительным, и генератор «Альянс» явился заключающей машиной первого этапа. Генераторы «Альянс» использовались для питания током дуговых фонарей маяков; в 1857—1865 гг. в эксплуатации находилось около 100 таких машин Одна из них приводилась в движение паровой машиной мощностью около 10 л. с.
Второй период развития генераторов, длившийся с 1851 по 1867 г., характеризуется отказом от постоянных магнитов и заменой их электромагнитами, причем для питания током электромагнитов использовался отдельный источник тока в виде магнитоэлектрической машины первого этапа или в виде гальванической батареи. Примером такого генератора с независимым возбуждением электромагнитов может служить генератор англичанина Уайльда (фиг. 4—49).
Генератор состоит из двух самостоятельных генераторов, расположенных один над другим и отличающихся тем, что верхний небольшой генератор имеет постоянные подковообразные магниты 1, а нижний —электро-
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
211
Фиг. 4—49. Генератор Уайльда:
1 — постоянные магниты; 2 — электромагниты.
магниты с обмоткой 2, питаемой током от верхнего генератора. Оба приводятся в движение ремнями от двигателя.
Машины с независимым возбуждением неизбежно подготовили начало третьего этапа развития генераторов. Действительно, при эксплуатации таких машин легко было установить, что машина не только генерирует ток, будучи питаемой током возбуждения от собственной катушки, но вследствие явления остаточного магнетизма позволяет генерировать ток от состояния покоя. Так возникли электромеханические генераторы тока с самовозбуждением, получившие широкое распространение с 1867 г.
Первый патент на машину с самовозбуждением был получен датчанином Хиортом еще в 1854 г., но опасаясь, что самовозбуждение будет недостаточным, Хиорт поставил в своем генераторе и постоянные магниты. Поэтому машина Хиорта, как переходный тип, не привлекла к себе должного внимания.
Однако в 1866 г. английские инженеры Кромвель и Самуэль Варли, а в начале 1867 г. в один и тот же день немец Вернер Сименс и англичанин Уитстон получили патенты на генераторы с независимым возбуждением.
Теперь вопрос заключался только в изыскании наиболее целесообразных конструктивных форм для того, чтобы наилучшим, наиболее эффективным способом использовать на практике принцип самовозбуждения.
Решающий шаг в этом вопросе был сделан французским изобретателем, бельгийцем по происхождению, Граммом в 1870—1871 гг. Грамм построил генератор с самовозбуждением, придав якорю генератора форму кольца (фиг. 4—50), состоящего из пучка проволоки. Па это кольцо наматывались катушки — секции, каждая из которых соединялась с пластинкой коллектора. Обмотки электромагнитов питались током якоря последовательно: внешняя цепь—коллек
тор— якорь — коллектор—электромагниты —внешняя цепь. Кольцевой якорь совершенно устранял пульсации тока, значительно увеличивал к.п.д. и уменьшал размеры и вес генератора на единицу развиваемой мощности.
В генераторе Грамма совершенно отчетливо проявилась на практике обратимость генераторного и двигательного режимов, установленная еще Э. X. Ленцем (1838 г.) Поэтому на диаграмме (фиг. 4—45) линия двигателя и генератора сливаются в точке, соответствующей 1871 г.
Электрические двигатели также имели свои характерные для них качественно отличные этапы развития (фиг. 4—45, верхняя ветвь).
Первый этап развития электрического двигателя постоянного тока (1831 —1834) берет свое начало от опыта Фарадея, открывшего явления взаимного вращения магнитов и электрических токов. Если через систему
8*
212
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—50. Одна из конструкций генератора Грамма с кольцевым якорем:
1 — обмотки электромагнитов; 2 — полюсные наконечники, охвагы-вающие кольцевой якорь 3; 4 — коллектор; 5 — токосниматель.
Фиг. 4—51. Схема установки Фарадея для демонстрации электромагнитного движения:
2 — сосуды со ртутью; 3 — подвижный стержень; 4 — неподвижный стержень; 5 — подвод чока, 6 — отвод тока; 7 — прсводник-подвеска; 8 — неподвижный проводник; 9 — подвижный проводник.
Фиг. 4—52. Двигатель Риччи:
1, 2 —- катушки; 3 — ртутный тоКопод-водящий коммутатор.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
213
Фиг. 4—53. Действующая модель электродвигателя Б. С. Якоби. (Государственный Политехнический музей. Москва.)
(фиг. 4—51), состоящую из чашки со ртутью 1, проводника 8—7—9, второй чашки со ртутью 2 с выходом проводника в точке 6, пропускать электрический ток от гальванической батареи, то магнит <3 и проводник 9 получат под действием тока вращательное движение.
Этот опыт начал первый этап, характеризующийся конструированием физических приборов, показывающий процесс преобразования электрической энергии в механическую работу.
Подобные приборы сооружали Барлоу, Генри, Риччи, прибор которого показан на фигуре 4—52. Между полюсами вертикально стоящего постоянного магнита могут вращаться две катушки 1 и 2. Если к ним подводить ток через коммутатор 3, изменяющий полярность электромагнита, на который намотаны катушки, то взаимодействие электромагнита с постоянными магнитами вызовет постоянное вращение электромагнита.
На втором этапе электрический двигатель выходит за стены научной лаборатории. Этот этап характеризуется практическим направлением конструкторов-изобретателей (1831—1860), предусматривающих замену паровой машины — универсального двигателя XIX в. — электрическим двигателем.
Для второго этапа показательны работы Б. С. Якоби, сконструировавшего в 1834 г. первый образец своего электрического двигателя (фиг. 4— 53). П-образные электромагниты этого двигателя располагались двумя группами: одна группа неподвижно закреплена, другая может вращаться. Электромагниты обеих групп питались током от гальванической батареи таким образом, что полярность электромагнитов изменялась, создавая силы притяжения или отталкивания, приводившие к вращению группы подвижных электромагнитов.
214	ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Во втором варианте своего двигателя (1838 г.) Якоби изменил положение магнитов (фиг. 4—54) и разместил по 20 двигателей на двух вертикальных валах, получив суммарную мощность, достаточную для привода в движение лодки с 12 пассажирами на борту. Каждый из двух вертикальных валов, укрепленных в деревянной раме, имеет токоподводящие коммутаторы и по 20 рядов подвижных электромагнитов, расположенных подобно колесным спицам, вращающимся внутри 20 железных колец — неподвижных электромагнитов. Конические шестерни передают работу на горизонтальный гребной вал судна. Особая «Комиссия для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу профессора Якоби», в состав которой входили представители
Морского ведомства и ученые (академик Э. X. Ленц, член-корреспондент Академии наук П. Л. Шиллинг и др.), испытала «электрический бот» Якоби нар. Неве. Комиссия была удовлетворена работой двигателя и
Фиг.4—о4 Судовой электродвигатель Б. С. Якоби:
Реконструкция С. А. Гусева.
Фиг. 4—55. Общий вид двигателя Фромана.
вывела совершенно справедливое мнение о том, что вопрос об использовании электрических двигателей может быть успешно разрешен только после решения задачи о генераторе дешевого электрического тока. Гальванические батареи, использованные на «электрическом боте», увеличивали стоимость движения, более чем в 10 раз превосходившей стоимость паровой тяги.
В 1837 г. американец Девенпорт построил двигатель, сходный с элементом второго двигателя Якоби, но с постоянными магнитами.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
215
Из электрических двигателей, получивших практическое применение в 50-х и 60-х годах XIX в., следует отметить двигатель французского инженера Фромана (фиг. 4—55), применявшийся для привода типографских машин. Электромагниты этого двигателя расположены по окружности (шесть пар; на фиг. 90 верхние две пары сняты для того, чтобы лучше показать якорь двигателя с железными пластинами, притягиваемыми и отталкиваемыми электромагнитами)
Второй период завершился созданием двигателя итальянским профессором Пачинотти (фиг, 4—56), который за десять лет до Грамма,
Фиг. 4—56. Электродвигатель Пачинотти.
в 1860 г., сконструировал кольцевой якорь. Якорь вращался вокруг вертикальной оси между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь и электромагниты питались током последовательно, как в генераторе Грамма. Разница состояла только в том, что в машине Грамма кольцевой якорь вращался в плоскости электромагнитов, а в машине Пачинотти — в плоскости, перпендикулярной к плоскости электромагнитов. Характерен тот факт, что Пачинотти указал, что его двигатель может работать в генераторном режиме, т. е., будучи приведенным во вращение, станет вырабатывать электрический ток.
Таким образом, на диаграмме (фиг. 4—45) линия развития генераторов сошлась с линией развития двигателей на машине постоянного тока с самовозбуждением и кольцевым якорем, способной работать как двигатель и как генератор тока.
ИЗОБРЕТЕНИЕ И НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ТЕЛЕГРАФА
Развитие производства промышленной продукции в результате промышленного переворота, громадное увеличение перевозок товаров, полуфабрикатов и сырья, развитие механического парового железнодорожного
216	Г ЛА В A IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
и водного транспорта настолько усилили потребность в быстрой связи между промышленными и торговыми центрами, что старые методы: — конная почта, оптический семафорный телеграф, курьеры — перестали удовлетворять возросшим потребностям в быстрой, точной, безотказной связи.
Возможность использования для этой цели электрического тока, распространяющегося по проводам с колоссальной скоростью, была подмечена сразу же после изобретения Вольта в 1799 г. первого электрохимического генератора тока.
В 1801—1804 гг. испанец Сальва пытался соорудить первый электромагнитный телеграф с 34 линиями связи по числу передаваемых букв и знаков.
Фиг. 4—57. Телеграф Земмеринга:
1 — источник тока (вольтов столб); 2 — станция передачи; 3 — станция приема;
4 — вызывное устройство.
В 1809 г. немец Земмеринг предложил электрохимический телеграф (фиг. 4—57), в котором сигнал воспринимался по выделению пузырьков водорода и кислорода на электродах, к которым подан ток и которые помечены соответствующей буквой алфавита. Вызывное устройство представляло из себя ложечку, погруженную в подкисленную воду. По мере накопления под пей газа она приподнималась и роняла металлический шарик в воронку, а последний, падая на коромысло звонка, давал сигнал. Основным недостатком телеграфа Земмеринга являлось большое количество проводов, медленность передачи, возможность ошибок.
В 1829 г. П. Л. Шиллинг сконструировал телеграф, посредством которого можно было передавать все буквы русского алфавита и цифры при помощи шести проводов; два дополнительных провода служили: один в качестве обратной связи, второй для вызывного звонка. Телеграф Шиллинга был смонтирован в виде клавиатуры (фиг. 4—58) с белыми и черными клавишами, нажимая на которые можно было передавать всю гамму сигналов.
Аппарат имел 8 белых и 8 черных клавиш. От каждой пары клавиш шли провода к станции приема, где имелись изобретенные Швейггером мульти-
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
217
Фиг. 4—58. Телеграф П. Л. Шиллинга. (Государственный Политехнический музей. Москва.)
Фиг. 4—59. Схема телеграфа Шиллинга:
1 — источник тока (вольтов столб); 2 — клавиатура; 3 — магнитные стрелки; 4 — провод обратной связи; 5 — вызывное устройство.
пликаторы — магнитные стрелки, окруженные катушкой изолированной проволоки. При замыкании тока нажимом клавиши ток, обегающий витки мультипликатора, вызывал поворот стрелки на 90°. Вместе со стрелкой поворачивался плоский бумажный кружок, окрашенный с одной стороны черной краской. При нажиме на белую клавишу ток шел в одном, а при нажиме на черную — в другом направлении, в соответствии с чем кружок на станции приема поворачивался к наблюдателю то белой, то черной стороной. При отсутствии тока наблюдатель видел кружок «в торец». Таким образом каждая пара клавиш и шесть проводов (седьмая пара — вызов абонента, а восьмая — обратная связь) давали возможность передавать 3 X б = 18 знаков, а их комбинации типа: 0—1—0; 1—1—0; 0—0—1; 1—1—1; 1—0—1 и так
218
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
далее — составляли код телеграфа Шиллинга, позволявший при помощи 6 рабочих проводов_передавать все буквы алфавита и цифры. Белая клавиша вызывного провода действовала на вызывное устройство, где шарик падал на тарелку звонка, а черная — возвращала вызывное устройство в состояние готовности к новому вызову. Белые и черные клавиши обратного провода нажимались с белыми и черными клавишами для замыкания цепи с разным
направлением тока.
Телеграф Шиллинга был построен по распоряжению Николая I для связи Зимнего Дворца с кабинетами некоторых министров. Этот телеграф
получил признание в России и за рубежом после доклада о нем, сделанного
Фиг. 4—60 Схема электромагнитного телеграфа Якоби:
1 — источник тока; 2— ключ; 3 — матовое стекло, движущееся равномерно под действием груза и часового механизма; 4 — самопишущее устройство;
5 — электромагнит.
Шиллингом на съезде Общества немецких естествоиспытателей в г. Бонне в 1835 г. Здесь Шиллинг демонстрировал свой усовершенствованный телеграф: стрелочный аппарат.
После Шиллинга электромагнитный метод передачи сигналов, как наиболее перспективный, был использован рядом других изобретателей: Б. С. Якоби в России, Бреге во Франции, Морзе в США. Кук и Уитстон в Англии; в Германии Гаусс и Вебер разработали магнитометр как метод передачи сигналов на расстояние.
Б. С. Якоби в 1839 г. предложил телеграфный аппарат сзаписью сигналов на белом матированном
стекле, равномерно движущемся по телеграфному столу (фиг. 4—60). Самописец, укрепленный на стержне.
соединенном с сердечником электромагнита, перемещался вверх или вниз
в зависимости от переданного сигнала.
Первый телеграф Якоби соединил Зимний Дворец со зданием Главного штаба, второй — Петербург с Царским Селом (ныне г. Пушкин) на расстоянии 25 км.
В 1842 — 1843 гг. Якоби разработал систему стрелочного телеграфа (фиг. 4—61) с вращающимися стрелками на циферблатах передающей и приемной станций; во время передачи стрелки действовали одновременно, показывая один и тот же сигнал на циферблатах передающей и приемной станций. Эта система, не охраняемая патентами, была без изменения использована в Германии под наименованием «стрелочного телеграфа Сименса».
В I835j. американский изобретатель Морзе построил телеграф, основанный на передаче сигналов разной длительности, принимаемых в виде системы тире и точек на станции приема. При замыкании ключа 2 (фиг. 4—62) на передающей станции ток от батареи 1 поступал в катушку электромагнита «3 приемной станции, приводившего в движение якорь 4 и укрепленное на нем пишущее колесико 5, оставлявшее на движущейся ленте 6 короткий (точка) или длинный (тире) след в зависимости от длительности нажатия ключа. В 1844 г. несколько усовершенствованный телеграф Морзе соединил
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
219
Фиг. 4—61. Стрелочный телеграф Б. С. Якоби. (Государственный Политехнический музей. Москва.)
Вашингтон с Балтиморой, и вскоре получил широкое распространение. Современный телеграф Морзе представлен на фигуре 4—63.
Преимущества телеграфа как метода быстрой связи были быстро оценены по достоинству и привели к мысли соединить телеграфной связью отдельные континенты. В 40-х годах XIX в. были найдены способы надежной изоляции телеграфного кабеля и началась прокладка линий подводной связи.
Приемник	'	1 Передатчик
Фиг. 4—62. Схема телеграфа Морзе:
] — батарея; 2 — ключ; 3 — электромагнит; 4 — якорь; 5— пишущее колесико; 6 — леита.
В 1847 г. началась работа по прокладке кабеля через Ла-Манш. Однако изоляция кабеля оказалась недостаточно прочной. Кабель пришлось заменить другим, и только в 1852 г. была открыта прямая телеграфная связь между Парижем и Лондоном. Вскоре телеграфные линии соединили Англию с Ирландией, Германией и Голландией; Италию — с Сардинией и Корсикой. В 1854—1855 гг. были проложены подводные кабели через Средиземное и Черное моря.
220
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Фиг. 4—63. Современный телеграфный аппарат Морзе. (Государственный Политехнический музей. Москва.)
В 1856 г. началась прокладка кабеля через Атлантический океан. Работа затруднялась разрывами кабеля, и только в 1866 г. Европа была соединена с Америкой линией прямой телеграфной связи.
В 1869 г. был сооружен Индоевропейский телеграф, связавший Лондон с Калькуттой на расстоянии 10 000 морских миль, а в 1872 г. Европа была связана с Южной Америкой.
Таким образом, утверждение капитализма ознаменовалось возникновением телеграфной связи как на всех континентах, так и между большинством из них. Позднее Австралия была соединена с Индией и Канадой.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Принципиальная возможность электрического освещения была продемонстрирована еще в 1802 г. В. В. Петровым, открывшим явление электрической дуги. Он же наблюдал вторую принципиальную возможность электрического освещения: тлеющие разряды при прохождении тока через разреженную атмосферу Третья возможность — накал проводника, несущего ток, — также стала известна из опытов многих исследователей.
Реализация этих возможностей была начата опытами англичанина Деларю, предложившего накаливать до свечения пропускаемым током платиновую проволочку, помещенную в трубку с разреженным воздухом.
С конца 30-х годов вопросам электрического освещения начинает уделяться все больше и больше внимания. В 1838 г. бельгиец Жобар предложил впервые в качестве тела накаливания угольные стержни, однако его лампа была весьма недолговечной. В 1840 г. англичанин Гров снова обра
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
22!
тился к платиновой проволоке, как телу накала, раскаливая ее в атмосфере инертных газов. В 1854 г. немец Гебель разработал первый прототип современных ламп накаливания (фиг. 4—64), где в эвакуированном сосуде накаливалась обугленная бамбуковая нить. В 1860 г. в Англии Сван построил аналогичную лампу с накаливанием в вакууме обугленных полосок плотной бумаги.
Здесь перечислены далеко не все изобретатели. Количество их показывает еще раз, что изобретения возникают не случайно, а под действием общественного заказа и чаще всего привлекают многих изобретателей.
Использование второй принципиальной возможности — получение электрической дуги — усложнялось необходимостью регулиро
Фиг. 4—64. Лампы накаливания Гебеля
вать расстояние между углями. Первое регулирование было ручным и использовалось французским фи-
зиком Фуко, построившим дуговую лампу для освещения предметного стола микроскопа. Однако для длительного пользования источником света ручное регулирование было неприемлемым, и все внимание изобретателей дуговых ламп было направлено на разработку автоматической системы
Фиг. 4—65. Дуговая лампа Аршро:
1 — электромагнит; 2 — якорь электромагнита; 3—3 — угли; 4— грузик, поддерживающий якорь.
регулирования расстояния между углями.
В 1846 г. француз Аршро предложил электромагнитный регулятор (фиг. 4—65). В его лампе один из углей 3 был укреплен на сердечнике 2 электромагнита 1 и удерживался грузиком 4. При изменении расстояния между углями сопротивление цепи возрастало, действие электромагнита ослабевало и грузик поднимал уголь. Лампа Аршро демонстрировалась в Петербурге, но отзыв комиссии был отрицательным и распространения она не получила.
В России А. И. Шпаковский в 1856 г. демонстрировал в Москве дуговую лампу своей конструкции, в которой, кроме электромагнита, был применен часовой механизм. Однако и эта, достаточно сложная и дорогая, лампа оказывалась ненадежной, а главное, не разрешала задачу питания нескольких ламп от одного источника тока.
В 1896 г. В. Н. Чиколев предложил дифференциальную дуговую лампу (фиг. 4—66),
222
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
в которой угли могли перемещаться навстречу друг другу при движении держателей с гайками, надетыми на винт с правой и левой резьбой. Винт
Фиг. 4—66. Дуговая дифференциальная лампа В. Н. Чиколева:
1 — металлическая стойка; 2 — ходовой винт; 3 — держатели для углей; 4 — угли; 5 — якорь электродвигателя;
6 •— коллектор со щетками; 7 — электромагнит с обмоткой, включенной последовательно; 8 — электромагнит с обмоткой, подключенной параллельно дуге;
9 — полюсные наконечники; 10 — рукоятка для ручного передвижения углей.
приводился в движение от электродвигателя, якорь которого вращался между полюсами электромагнитов, а питание якоря током осуществлялось через кол-лектор. Применив комбинацию параллельного и последовательного соединений и различие в толщине и числе витков обмотки электромагнитов, Чиколев получил устойчивую работу дифференциальной лампы, получившей применение в прожекторной технике. Позднее идея дифференциального регулирования была применена в лампах массового производства немецких заводов Сименса.
К 70-м годам XIX в. работы многих изобретателей по лампам накаливания и дуговым лампам подготовили почву для осуществления в последующий период действующих систем электрического освещения, сыгравших существенную роль в становлении электроэнергетики. Ранние практические применения электричества, относящиеся к периоду с 1830 по 1870 г., послужили основой для создания и формирования первых электротехнических предприятий, выросших впоследствии в крупнейшие капиталистические монополии. В Англии в 40-х годах Кук и Уитстон организовали предприятие по производству электрических аппаратов и приборов. В 1847 г. немецкий инженер Сименс основал предприятие по производству аппаратуры телеграфных линий, впоследствии выросшее в крупную международную фирму «Сименс и Гальске». В середине 50-х годов в Париже была основана электромашиностроительная компания «Альянс»,
являвшаяся для своего времени одним из крупнейших предприятий. Так новая, электрическая техника возникала в условиях капиталистического производства, с тем чтобы впоследствии
сыграть существенную роль в процессе старения и упадка капитализма.
РАЗВИТИЕ ГОРНОГО ДЕЛА И МЕТАЛЛУРГИИ
Резкое увеличение потребления чугуна и стали привело к крупным изменениям как в масштабах, так и в технологии металлургического производства. Первое звено ряда сложнейших процессов черной металлургии — выплавка чугуна из железосодержащих руде XVII—XVIII в. и по настоящее время — имеет в качестве своего основного технического объекта доменную
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
223
печь. Тем не менее в доменном производстве произошли существенные сдвиги. В сильной степени возросли высота и объем доменных печей, увеличился съем чугуна с площади пода печи, интенсифицировался процесс, осуществляемый в печи. Интенсификации доменного процесса способствовал перевод домен на горячее дутье воздухом, нагреваемым до высокой температуры в специальных нагревательных устройствах — кауперах. Улучшилась эксплуатация доменных печей: введены загрузочные воронки, механизирован подъем руды и флюсов к загрузочной площадке, осуществлен отвод ранее выбрасывавшихся в атмосферу доменных газов, используемых
Фиг. 4—67. Конвертер Бессемера.
В нижней части разреза видны каналы, по которым подается сжатый воздух.
теперь как газовое топливо для газовых двигателей воздуходувных установок. Все эти мероприятия привели к значительному увеличению производительности и экономичности доменного производства.
Много нового было внесено и в процесс передела чугуна в железо и сталь. Старые пудлинговые печи стали заменяться отражательными, в которых ванна с расплавленным металлом нагревается отраженным от свода теплом; при этом металл не входит в контакт с горючим и не получает вредных примесей. Однако пудлингование, основанное на применении ручного перемешивания ванны, отставало от потребностей в металле и создавало стимул для изыскания более производительных методов получения стали из жидкого чугуна. Новый способ, получивший название бессемерования по имени его изобретателя, состоит в том, что в специальный металлический сосуд-конвертер (фиг. 4—67), покоящийся на цапфах и обращенный вверх отверстием, заливается жидкий чугун, а через каналы в нижней части обмуровки конвертера подается под давлением воздух. Кислород воздуха, проходя через раскаленный чугун, окисляет углерод и примеси (марганец, кремний и др.), находящиеся в чугуне, и превращает его в сталь с желаемым содержанием углерода. После окончания продувки конвертер поворачи
224
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
вается на цапфах и жидкая сталь выливается в подведенный ковш. Бессемерование позволяло в 8—10 минут превращать 10—15 т чугуна в сталь.
Годом позднее, в 1856 г., Ф. Сименс изобрел так называемую регенеративную печь, снабженную емкими камерами, заполненными насадкой из огнеупорного кирпича. Выходящие из печи горячие газы, проходя через одну из камер, нагревали насадку, а через вторую камеру, нагретую ранее, воздух подавался в печь, разогреваясь до высокой температуры. Поочередное использование камер для охлаждения газов и нагрева воздуха создало высокий эффект, позволяя получать нужные температурные режимы печи при резко сниженном расходе горючего.
В 1864 г. Мартен получил в регенеративной печи литую высококачественную сталь на генераторном газе путем сплавления чугуна с желез-
Фиг. 4—68. Разрез мартеновской печи:
1 — ванна, где варится сталь; 2— заслонки; 3 — дымовая труба; 4 — регенеративные насадки. Толстые черные стрелки показывают путь газообразного топлива, белые— воздуха, тонкие черные — продуктов горения.
ным ломом в ванне печи, нагреваемой от отражающего свода. Этот процесс получил большое распространение, получив название «мартеновского» процесса, а для названия печей вошел в техническую практику термин «мартен» (фиг. 4—68).
Большое значение для улучшения производства металла в рассматриваемый период имели исследования, превращавшие сталеварение из искусства в точную науку.
В этой области многое было сделано П. П. Аносовым, в течение многих лет работавшим на Урале в г. Златоусте на металлургическом заводе (фиг. 4—69). Исследования Аносова «Описание нового способа закалки стали в сгущенном воздухе» и «О приготовлении литой стали», опубликованные в 1827 и 1837 г., раскрыли много нового в природе стали и ее сплавах, установили связь между содержанием, методом термической обработки и структурой металла, наблюдавшейся Аносовым впервые при помощи микроскопа. В работе «О булатах», опубликованной в 1841 г., Аносов исследовал влияние различных присадок на качество сталей.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
225
Фиг. 4—69. Златоустовский металлургический завод.
Наступал период, когда повышенные требования к качеству металла уже не могли удовлетворяться свойствами углеродистой стали; вопрос о легированных сталях решительно вставал на повестку дня в теории и практике сталеварения.
Исходя из выдвинутых Аносовым положений о влиянии присадок на качество стали, П. М. Обухов изготовил первые в мировой практике титанистые и алюминиевые стали, показавшие по тому времени прекрасные качества для крупных стальных отливок. Прочность стали Обухова была продемонстрирована на Лондонской выставке 1862 г., где из пушки Обухова было произведено 4000 выстрелов, не повлиявших на возможность дальнейшего ее употребления.
Большой вехой в развитии методов получения новых технических материалов явилась разработка методов получения алюминия, открытого Велером в 1827 г. Первые методы получения чистого алюминия делали этот металл буквально драгоценным. Усовершенствование и удешевление методов получения алюминия, сделанное французским ученым Сент-Клер-Девилем в 1854 г., еще не давали возможности сделать алюминий широко доступным металлом. В 1865 г. Н. Н. Бекетов разработал метод массового получения чистого алюминия, на основе которого начала быстро расти и развиваться новая область цветной металлургии.
РАЗВИТИЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕТАЛЛООБРАБОТКИ
Развитие машиностроения в период с 1830 по 1870 г. характеризовалось началом нового направления развития — специализации. Эта специализация, охватывавшая постепенно широкое поле промышленного производства от специализации целых фирм и заводов до специализации станков и их частей, — являлась одной из форм повышения производительности труда Специализация продолжала старые тенденции, возникшие еще при ручном производстве, когда она охватывала также широкую область ремесленного и мануфактурного производства от цехов, работавших над одним видом промыш
226
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
ленной продукции, до отдельных исполнителей деталей и узких операций при мануфактурном производстве. Специализация, таким образом, является разделением труда в условиях машинного производства.
Заводы и фабрики, выпускающие продукты потребления (текстиль, обувь, посуду, спички и т. п.), продукты питания (сахарные, маслобойные, кондитерские и др.), специализировались естественным путем по роду выпускаемой продукции, определявшей и машинную технику и технологические приемы производства.
Машиностроительные заводы возникали с широкой по ассортименту и небольшой по объему программой производства. Но с течением времени специализация распространилась и на машиностроительные заводы. Одни заводы начинают специализироваться по производству паровых котлов, оснащаясь специальным оборудованием для гибки, резки, клепки толстых стальных листов. Другие начинают выпускать паровые машины, оснащаясь оборудованием чугунолитейных цехов, металлорежущими станками и оборудованием стендовых испытаний. Третьи специализируются в судостроении; четвертые — в локомотивостроении; пятые — в производстве сельскохозяйственных машин, и т. д.
Специализация по выпускаемой продукции, характерная для завода или фабрики в целом, внутри предприятия продолжается специализацией, вытекающей из технологии производственных процессов. В зависимости от разнообразия этих процессов при производстве того или иного продукта, заводы и фабрики делились на специальные цехи. Специализация цехов вытекала из технологических процессов: литье — в литейном цехе; поковки — в кузнечном цехе; обработка резанием — в механическом цехе; сборка — в монтажно-слесарном цехе и т. п. На таких предприятиях, как, например, судостроительные, количество цехов достигало 10—15.
В пределах одного цеха во все большей степени начинала проявляться специализация по более узким формам технологических процессов, находившая свое отражение в специализации оборудования Так, например, процесс резания металла может отличаться по формам обрабатываемых резанием поверхностей, что вызывает разделение на токарные и строгальные станки. Эта первая специализация возникала вместе с возникновением станков как технологическая необходимость, иногда вопреки стремлению к созданию универсальных станков, удобных для многих мелких и мельчайших предприятий, возникавших в процессе промышленного переворота. Но последующая концентрация и связанное с нею укрупнение промышленных предприятий создавала предпосылки дальнейшей специализации даже в пределах близких технологических процессов.
Так, из универсального токарного станка выделяется лобовой станок, более удобный для тел большого диаметра и малой длины; выделяется револьверный станок, удобный для производства больших серий однородных деталей; карусельный станок, более точная и производительная модификация лобового станка; болторезный, в котором подача прутка производится полуавтоматически, и т. д.
Подобным же образом разрабатываются модификации сверлильных, строгальных, расточных, шлифовальных и других станков. Каждый из них может давать более узкий круг продукции, но в пределах этого узкого круга он удобнее, производительнее универсального станка. А универсальность достигается в пределах цеха как результат совместной работы множества специальных станков. Здесь заметна далеко идущая ана-
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
227
лития с процессом разделения и специализации ручного труда в мануфактурах.
Совершенно очевидно, что длительная работа, в результате которой машиностроение обогатилось множеством разнообразных специальных станков, осуществлена большим коллективом людей, каждый из которых вносил иногда очень скромный вклад в общий прогресс машиностроения. Суммарный труд этих многих, зачастую остававшихся неизвестными новаторов производства, направленный на всемерное повышение производительности труда, является прекрасным примером трудового творчества масс, создающих, в конечном итоге, больше ценностей, чем отдельные, иногда весьма эффектные, изобретения.
Развитие техники металлообрабатывающих заводов, расширение и специализация станочного парка потребовали большой работы по совершенствованию режущего инструмента, его материала, формы, устройства. Возникают новые виды инструмента с несколькими режущими кромками: фрезы, развертки. Однако основным материалом в рассматриваемый период являлась углеродистая сталь, методы закалки и специализации которой были доведены практикой до высокого совершенства, хотя теория еще ничего не могла сказать в данной области.
Тем не менее процессы резания металла, как одни из основных в развитом машиностроении, не могли не привлечь внимания ряда ученых. В порядке изыскания методов повышения производительности станочного парка разрабатывается теория резания металла. Кроненберг в Германии, Тэйлор в США, профессора И. А. Тиме и К. А. Зворыкин в России разрабатывают первые основы теории резания, сочетая научные гипотезы с данными производственного опыта.
Значительный рост машиностроения, увеличение потребления полуфабрикатов и однородных деталей (болтов, гаек, заклепок) вызвали необходимость нормализации изделий, в результате которой устанавливаются сортаменты изделий проката (листового, полосового, пруткового и фасонного профилей); стандарты так называемой «нормальной» нарезки крепежных и ходовых винтов; первые сортаменты и нормали для труб, фланцев и др.
В меньшей степени прогресс машиностроения отразился в методах литейных и кузнечных цехов. Усовершенствование вагранок для расплавления чугуна, усовершенствование паровых молотов и нагревательных печен не вносили радикальных изменений в методы отливки и поковки деталей машиностроения. Наиболее крупные заводы начали применять ковочные прессы с гидравлическим приводом; некоторое распространение получила штамповка. Однако коренные изменения в области горячей обработки металлов были еще впереди.
РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
В результате промышленного переворота возникла потребность в большом количестве различных химических продуктов, из громадного числа которых следует выделить три продукта, применяющиеся в подавляющем большинстве химических производств: серную кислоту, соду и хлор. Эти вещества широко применяются и раздельно, и совместно при производстве соляной и азотной кислот, едкого натра, стекла, суперфосфата, взрывчатых
228 ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
веществ, минеральных красок, фармацевтических препаратов и многих других веществ. Стояла задача сделать эти вещества дешевыми, найти методы массового их производства.
Основой для решения задач, встававших перед многочисленными изобретателями в области химической технологии и до открытия в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодического закона, могла служить и служила главным образом производственная практика, опыт многих лет, многих людей.
Фиг. 4—70. «Фотогенный завод» братьев Дубининых. (Макет. Государственный Политехнический музей. Москва.)
Так, например, начало современной высокоразвитой отрасли нефтеперерабатывающей промышленности было положено трудами братьев Дубининых, организовавших в Моздоке в 1823 г. первый «фотогенный завод» (фиг. 4—70), т. е. завод по перегонке нефти с целью получения «фотогена» (так тогда назывался керосин), использовавшегося исключительно для осветительных целей. В 1846 г. «фотоген» Дубининых уже составлял заметное место среди продуктов химической технологии и вывозился на Нижегородскую ярмарку, в Москву и многие другие города России.
Таким же образом по инициативе отдельных людей, использовавших народный опыт и открытия, создавались заводы и для производства серной, азотной, соляной, уксусной кислот, соды, едкого натра и других щелочей, купороса, селитры, серы, квасцов, таннина, красителей, удобрений и многих других веществ.
В России химические заводы начали возникать с 1810 г., когда был основан Невский завод. В 1850 г. был основан Кокшанский завод в районе Елабуги; в 1868 г.—Бондюжский завод и завод Понизовкина в Ярославской губернии; в 1871 г. —Волжский завод, предназначавшийся для снабжения Иваново-Вознесенского района, и ряд других заводов.
Большое значение для развития химической технологии имело открытие метода получения анилина из нитробензола русским химиком Н. Н. Зининым (1842 г.), заложившего теоретическую основу химическому производству красителей, взрывчатых веществ и фармацевтических препаратов.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
229
РАЗВИТИЕ СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Утверждение капиталистических производственных отношений нашло свое отражение и в развитии строительной техники. Строение любого назначения становится капиталовложением и в процессе его эксплуатации должно покрыть вложения, эксплуатационные расходы и принести капиталисту определенный процент прибыли.
Фиг. 4—71. Общий вид машиностроительного завода конца XIX в.
Деревянные бараки, служившие основным сооружением для размещения работников централизованных мануфактур, с развитием машинного производства сделались неприменимы. Для машинного производства потребовался иной тип промышленных зданий (фиг. 4—71), способных разместить разнообразное машинное оборудование, часть которого (молоты, штампы и др.) вызывала сильные динамические нагрузки на стены сооружения, требовала прочных фундаментов. Котельные установки должны были располагаться в помещениях, удовлетворяющих ряду требований безопасности. Машинные производственные цехи нуждались в широких пролетах, в опорах под крановое оборудование, в устойчивых стенах, способных выдерживать нагрузку от многочисленных механических передаточных систем. В связи с увеличением объема и интенсификацией технологических процессов в фабрично-заводских корпусах выделялось много пыли, дыма, испарений, газов, что требовало вентиляции.
Концентрация населения в быстро растущих промышленных городах приводила к резкому возрастанию цен на земельные участки, а это вело к увеличению этажности зданий. Концентрация жилых и производственных площадей в городах крайне усложнила вопросы снабжения городов водой, топливом, поставила вопрос об организации рациональной канализации.
Таким образом, и в промышленном, и в жилищном строительстве возник ряд новых проблем, которые не могли разрешаться старыми методами. На строительную технику была возложена задача найти новые методы возведения сооружений новых типов.
Задача сооружения плоских перекрытий большого пролета была решена введением в строительную практику сначала деревянных, а позднее и металлических балок и ферм. Получили значительное распространение
230
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
чугунные конструкции, преимущественно колонны (фиг. 4—72), несущие большую статическую нагрузку перекрытий. Позднее, в связи с развитием проката сортового железа различных профилей, чугун стал вытесняться из строительных сооружений клепаными конструкциями, получившими исключительно широкое распространение.
Вопрос скрепления кирпичной кладки заставил обратить внимание на технологию вяжущих растворов, особенно для фундаментов и стен, подвергающихся постоянному влиянию влаги. Большое значение имело изобретение цемента, технология массового способа производства которого была разработана в середине XIX в.
Развитие строительной техники потребовало от ученых разработки методов расчета пространственных конструкций. Трудами Журавского (1848 г.), Кульмана (1864 г.), Кремоны (1872 г.) и Риттера (1874 г.) были решены теоретические основы графостатики — графического метода определения величины усилий в стержнях решетчатых конструкций.
Одновременно с начавшейся разработкой методов расчета на прочность для самых разнообразных видов нагрузок, были начаты лабораторные исследования прочности строительных материалов.
Середина XIX в. является временем возникновения целого ряда технических наук. Используя открытые наукой закономерности природы, многие ученые, инженеры и техники принимают участие в формировании ряда технических дисциплин: теории машин и механизмов, теоретических основ теплотехники, первых начал и положений электротехники, статики сооружений, корабельной техники, железнодорожной техники и ряда Других.
Фиг. 4—72. Цех ткацких станков середины XIX в.
Чугунные колонны поддерживают балки потолочного перекрытия и несут на себе трансмиссионные валы.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
231
Период укрепления капитализма характеризуется интенсивным развитием железнодорожного транспорта, ставшего существенно необходимым в связи с развитием машинного производства и расширением мировой торговли. Железные дороги, увеличивая скорость перемещения грузовых потоков в 8—10 раз по сравнению с гужевым транспортом с одновременным многократным увеличением количества транспортируемого груза, буквально преобразовывали экономическую географию ряда стран. После строительства первых железнодорожных линий в Англии (1825 г.), Франции (1828 г.), США (1829 г.), Германии (1830 г.), России (1837 г.), показавших техническую зрелость и высокую экономичность нового вида транспорта, строительство железных дорог развивалось все нарастающими темпами. К 1840 г. в Америке и Европе было уже построено 8 600 км железнодорожных линий, а через десять лет их общая длина удвоилась; к 1870 г. мировая железнодорожная сеть выросла до 270 000 км.
Громадная территория России предопределила ее будущее «великой железнодорожной державы», однако строительство железных дорог было сопряжено с рядом препятствий, характерных для страны, в экономическом укладе которой господствовал феодальный порядок. Но тенденции нарождавшегося капитализма нашли в России своих последователей, горячо выступавших за строительство железных дорог. Крупный инженер, один из строителей Петербургско-Московской железной дороги, П. П. Мельников писал: «...железные дороги необходимы для России, они, можно сказать, выдуманы для нее... более, нежели для какой-либо страны Европы... естественные богатства нашей страны остаются непроизводительными и бесценными от неимения для них надлежащего сбыта... Хотя и неполная, но разумно составленная и также исполненная сеть железных дорог произведет такое изменение, что через несколько лет вы не узнаете нашего отечества».
Через пятнадцать лет после открытия первой Царскосельской железной дороги, не имевшей экономического значения, в 1852 г. была открыта железнодорожная линия Петербург—Москва, а в 1859 г. Петербург—Варшава. Эти линии строились прежде всего по стратегическим соображениям, но вместе с тем они не могли не отразиться на экономике страны не только как транспортные артерии, но и как потребители большого количества продуктов промышленного производства: рельсов, локомотивов, мостовых конструкций и т. д. Под влиянием железных дорог начался прокат рельсов сначала на Людиновском заводе около Тулы в 1839 г., ас 1843 г. — на Старом Петербургском заводе.
До реформы 1861 г. в России было построено около 1500 км железных дорог, а затем темпы строительства значительно возросли: к 1865 г. было построено 3555, а к 1881 г.—более 21 000 км железнодорожных линий. Большая часть основного железнодорожного оборудования поставлялась из-за границы.
краткое заключение
1.	По сравнению с предшествовавшими периодами, период победы и утверждения капитализма характеризуется значительным ростом энергетики. Универсальным двигателем промышленности и транспорта является паровая машина, получившая значительное развитие по мощности, экономичности, специальным формам.
232
ГЛАВА IV. ТЕХНИКА В ПЕРИОД УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
2.	С середины XIX в. под влиянием требования мелких производителей, разоряемых крупным капиталом, начинают появляться различные конструкции двигателя внутреннего сгорания, первые эффективные образцы которого складываются к концу 70-х годов.
3.	Водяное колесо заменяется гидравлическими турбинами, получившими быстрое развитие начиная с 30-х годов XIX в.
4.	Рассматриваемый период является становлением электрических машин постоянного тока. К 70-м годам XIX в. машина постоянного тока становится генератором дешевой электрической энергии и эффективным электрическим двигателем.
5.	Развитие промышленности, торговли, транспорта вызвало к жизни возникновение электрического телеграфа.
6.	К 70-м годам XIX в. проведены многие работы по изысканию электрических источников света и подготовлена база к быстрому внедрению электрического освещения в последующий период.
7.	Значительное развитие получили горное дело и металлургия. Интенсифицирована работа доменных печей, введены отражательные печи, бессемерование металла, мартеновские печи. Началось производство легированных сталей. Заложено начало превращения сталеварения из искусства в науку.
8.	Развитие машиностроения и металлообработки характеризуется возрастающей специализацией заводов, цехов, оборудования, инструмента. Заложено начало нормализации и стандартизации.
9.	Под влиянием смежных производств быстрее развивается химическая технология и химические производства широкой гаммы химических продуктов и полуфабрикатов преимущественно на основе производственного опыта.
10.	Сильное развитие получает строительная техника сооружения промышленных зданий нового типа, многоэтажных городских домов.
11.	Возникает и быстро развивается железнодорожный транспорт, изменяющий экономическую географию стран, вызывающий рост промышленности.
ГЛАВА ПЯТАЯ
РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
(1800—1848)
Французская буржуазная революция 1789 г. и последовавшие за ней наполеоновские войны упрочили победу капиталистического строя во Франции. Королевская власть, реставрированная реакционными силами «Священного Союза», образовавшегося после разгрома Наполеона, не могла уже вернуть прежних своих привилегий, и рост буржуазных отношений во Франции продолжался, пока в ходе июльской революции 1830 г. Бурбоны не были окончательно изгнаны из Франции. Но июльская революция поставила у власти только одну часть буржуазии — финансовую—и не расчистила путей для роста промышленной буржуазии. В революциях 1848 г. буржуазия уже не была единственной ведущей политической силой, на сцену выступил как самостоятельный класс со своими политическими требованиями пролетариат. Промышленный переворот в Англии, приведший к началу XIX в. к массовому возникновению фабрик и появлению железных дорог, сопровождался неслыханным разорением ремесленников, невероятным обнищанием рабочего класса. Озлобленные рабочие выступили против машин, ломали и уничтожали их. Парламент принял беспощадные законы, требовавшие смертной казни для разрушителей машин.
В крови и мучениях сформировался новый класс английского общества, детище промышленного переворота — английский пролетариат.
В Германии свирепствовала феодальная реакция. Реакционные законы австрийского министра Меттерниха относительно просвещения (Карл-сбадские решения 1819 г., отдававшие университеты под полицейский надзор), пагубно отразились на развитии науки. На кафедрах процветала идеалистическая философия Фихте, Шеллинга, Гегеля. Эта философия была враждебна точному естествознанию. Конечно, и Шеллинг и Гегель в своих философских обобщениях считались с данными естественных наук, но они смотрели на них по сравнению с «высшей деятельностью духа» как на что-то второразрядное. Так возникло расхождение между философией и естествознанием, породившее узкий эмпиризм в естественных науках, и безудержную спекуляцию в философии.
Однако в идеалистической системе Гегеля было и глубокое рациональное зерно: диалектика, диалектический метод. Это рациональное зерно явилось одним из источников передового мировоззрения, передовой научной теории и метода — марксизма и марксистского диалектического метода. В 1848 г. Марксом и Энгельсом был опубликован «Манифест Коммунистической партии»— программный документ марксизма.
234 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
В России реакция свирепствовала с неменьшей силой, чем в Германии. Изуверские действия Магницкого, Голицына, Рунича «на ниве народного просвещения» привели к духовному разгрому Петербургского и Казанского университетов. В Харьковском и Московском университетах пропагандировалась немецкая идеалистическая философия, но и та реакционерам казалась подозрительной. После подавления восстания декабристов наступила эпоха николаевской реакции. Лучшие люди были либо казнены, либо замучены, либо сосланы, либо эмигрировали за границу. Но чем сильнее свирепствовала реакция, тем больше мужало и крепло передовое общественное сознание России. Пушкин, Гоголь, Белинский, Лермонтов в литературе, Герцен в общественно-философской мысли, Лобачевский в науке демонстрировали несокрушимую силу русского национального гения.
Тем не менее влияние социально-экономических условий, «общественного бытия» сказывалось в общей отсталости науки и просвещения крепостнической России. Несмотря на то, что русская физика этого периода дала таких деятелей, как В. В. Петров, Э. X. Ленц, Б. С. Якоби, физическая наука в России серьезно отставала от западной, в особенности французской.
Франция той эпохи дала блестящую плеяду математиков, физиков и химиков, главным образом питомцев Политехнической школы: Ампер, Араго, Био, Гей-Люссак, Дюлонг, С. Карно, Малюс, Навье, Пуассон, Пельтье, Пти, Савар, Фурье, Френель — вот далеко не полный список деятелей науки, обеспечивших Франции ведущее положение в европейской науке первой половины XIX в. Италия дала Вольта, Авогадро и ранее Гальвани. Английская физика этого периода блистала именами Брюстера, Волластона, Грина, Дальтона, Дэви, Даниэля, Фарадея, Юнга. Гениальный Фарадей обеспечил физике Англии ведущее положение. Из немецких ученых следует назвать Гаусса, Ф. Неймана, Ома, Риттера, Фраунгофера, сделавших, несомненно, значительный вклад в развитие физико-математических наук. Но про них можно сказать то же, что в свое время П. И. Лебедев говорил о русских ученых, что они сделали свои открытия не благодаря тем условиям, какие были в их отечестве, а вопреки им. Выход Германии на одно из ведущих мест в развитии физики начинается после революции 1848 г.
Соединенные Штаты Америки в этот период быстро двигались по пути практического преуспеяния и в области теоретических наук, в частности физики, ничем особенным себя не проявили. Мы можем, однако, назвать имя Генри. (1797—1878), сделавшего важный вклад в развитие электромагнетизма. К. нему следует присоединить имя Самюэля Морзе (1791 — 1872)—одного из изобретателей электромагнитного телеграфа.
Из сказанного следует, что наиболее благоприятные условия для развития точных наук сложились в передовых капиталистических странах Европы: во Франции и Англии. В этот период капитализм был еще прогрессивным, способствовал развитию науки и техники.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Поворотным пунктом в развитии физики, несомненно, было открытие длительного, более или менее постоянного электрического тока, сделанное случайно еще в конце XVIII в. и относящееся к физиологическому действию электричества.
ГЛ A В AV. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 235
Случайные открытия в науке имеют место и притом нередко очень важные по своим последствиям. Но эти «случайности» вместе с тем вполне закономерны и подготовляются всем ходом предыдущего развития науки. Случайно то, в какой день и кем именно будет сделано открытие, но то, что на данном этапе развития науки оно рано или поздно будет сделано, является вполне закономерным. Изобретение электростатического генератора и лейденской банки привело к открытию физиологических действий электричества, и то, что у итальянского врача Луиджи Гальвани (1737—1798), занимавшего к тому же кафедру анатомии и медицины в Болонском университете, оказалась электрическая машина, было вполне естественным. Случайное наблюдение препарированной лапки лягушки (1786 г.) не могло не привлечь пристального внимания физиолога Гальвани, который начал систематические исследования этого эффекта и нашел, что лапка лягушки, подвешенная на медном крючке, сокращается всякий раз, когда крючок прикасается к железной пластинке. Особенно эффектными сокращения были, когда железная пластинка заменялась серебряной. Гальвани сделал из своих опытов вывод о существовании особого животного электричества, считая мышечные волокна своеобразной батареей лейденских банок, заряжаемых и разряжаемых через нервные волокна импульсами, исходящими из мозга.
Гениальная идея Гальвани о существовании биотоков в живом организме, об электрических импульсах мозга, получила полное и всестороннее подтверждение в современной науке. Но для развития этой идеи в эпоху Гальвани не было достаточных средств. Надо было, чтобы сама наука об электричестве вышла из того младенческого состояния, в котором она находилась в то время, чтобы можно было вновь вернуться к электрофизиологии, открытой Гальвани. В этом отношении его открытие сыграло очень важную, хотя и совершенно неожиданную для его автора, роль. В дело вмешались физики.
Итальянский физик Алессандро Вольта (1745—1827), известный своими изобретениями в области электричества (он в 1775 г. изобрел электрофор, в 1781 г.—чувствительный электроскоп с соломинками, а в 1782 г. снабдил этот электроскоп конденсатором, сделав его тем самым пригодным для измерения малых напряжений), заинтересовался животным электричеством Гальвани в 1792 г. Вначале он разделял точку зрения Гальвани, но вскоре физик в нем взял верх и он обратился к глубокому анализу физических моментов явления. Он обратил внимание на то, что для успеха опыта Гальвани очень важно соприкосновение разнородных металлов. Его богатый опыт в электростатике подсказал ему, что именно этот контакт является причиной возбуждения разницы электрических состояний, заряжения контактирующих металлов противоположными зарядами, возникновения электрического напряжения. Лапка лягушки, по мнению Вольта, является чувствительным электрометром и может быть с успехом заменена другим электрометром. Применив свой электроскоп с конденсатором, Вольта доказал наличие контактной разности потенциалов (пользуясь современной терминологией) у различных пар металлов, образовал ряд электрических напряжений, в который можно расположить металлы так, что чем дальше в этом ряду отстоят друг от друга металлы, тем больше напряжения между ними, причем напряжение между любой парой металлов не зависит от того, сколько и каких промежуточных металлов может быть помещено между ними (закон Вольта), так что алгебраическая сумма напря-
236 г Л А В A V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
жений в замкнутой цепи, составленной из одних металлов, равна нулю и электрический флюид (терминология Вольта) в такой цепи будет находит!,ся в равновесии. Но если составить замкнутую цепь с жидкими или влажными проводниками (их Вольта называет проводниками второго рода), то равновесия не будет, и в такой цепи возникает постоянный электрический ток того или иного направления, в зависимости от знака контактной разности потенциалов электродов.
20 марта 1800 г. Вольта изобретает первый в мире генератор электрического тока—вольтов столб, т. е. батарею электрических элементов. В развитии науки об электричестве наступила новая эра.
Алессандро Вольта	Уже в том же 1800 г., вскоре после
получения в Лондоне письма Вольта, английские химики Никольсон и Карлейль, построив вольтов столб из 17 элементов, осуществили электролиз воды. Опыт с разложением воды был повторен Дэви в Англии, В. В. Петровым в России, Риттером в Германии. Дэви удалось с помощью сконструированного им вольтаметра доказать, что объем выделенного водорода вдвое больше объема воды. Вольта, Риттер и другие заметили химические изменения в самом источнике — поляризацию элементов, а Риттер открыл вторичную электродвижущую силу на электродах, опущенных в воду, разлагаемуютоком. В связи с этим на очередь встал важный вопрос о связи химических и электрических действий, и в частности вопрос о самом источнике электродвижущей силы гальванических элементов. Сам Вольта в этом вопросе занимал неправильную позицию, считая, что электродвижущая сила возникает в результате простого контакта, без всякой затраты энергии. Эта ошибочная точка зрения долгое время господствовала в науке. Например, в тридцатых годах Б. С. Якоби, совершенно правильно понимая необходимость энергетических ресурсов для паровых машин, думал, что электричество является в этом отношении исключением. Сторонники химической точки зрения считали, что электричество получается за счет химических реакций, в частности реакции окисления («горения») цинкового электрода, который растворяется в гальванической жидкости. Э. X. Ленц в 1834 г. полагал, что этот израсходованный цинк может быть без особых затрат выделен из раствора и пущен в дело и поэтому «гальванизм» может считаться неисчерпаемым источником «механической силы», т. е. энергии. Практика, однако, разбила эти иллюзии. Во всяком случае открытие гальванических источников тока выдвигало проблему превращения энергии, укрепляло мысль о превращении различных форм движения друг в друга, об их взаимосвязи, и, в конечном счете, подводило к открытию закона сохранения энергии.
Вскоре после открытия химических действий тока были открыты и его тепловые действия. Особенно эффектные действия были описаны Василием Владимировичем Петровым (1761 —1834) в его книге «Известие о гальвани-
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 237
вольтовскиХ опытах, которые проводил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской медикохирургической Академии». Книга эта вышла в 1803 г. и содержала описание большой гальванической батареи, ее изготовления и ухода за нею, а также различные опыты с нею, из которых особенно замечательны опыты по электрической плавке металлов и опыты по получению электрической дуги. Кроме открытия электрической дуги, В. В. Петрову принадлежат важные идеи о связи химических и гальванических процессов, о роли кислорода при горении веществ в вакууме, о люминесценции и т д. Он впервые осуществил электризацию металлов трением и тем самым опроверг укрепившееся со времен Гильберта мнение, что тела бывают электрическими и неэлектрическими.
В одно время с В. В. Петровым вопросами гальванизма в Москве занимался профессор Московского университета Петр Иванович Страхов (1757—1813). Он производил эксперименты по прохождению электрического тока через речную воду и влажную землю. Трудность опытов заключалась в том, что в то время не знали иных указателей тока, кроме физиологических действий. Следует отметить, что в своем учебнике физики Страхов со всей определенностью проводил мысль о тождестве гальванических и электрических явлений, мысль, разделявшуюся тогда далеко не всеми.
Таким образом, в два-три года после открытия вольтова столба были открыты физико-химические, химические, тепловые и световые действия электрического тока. Нетрудно представить сложность задачи правильного описания и объяснения всех этих явлений. Прежде чем естествоиспытатели успели сделать какие-либо конкретные выводы о связи различных эффектов тока и выработать правильное представление о самом токе, спекулятивная немецкая философия Шеллинга и Гегеля подойдя к этим явлениям с идеалистических позиций, высказала тем не менее правильную идею о всеобщей связи явлений, о борьбе противоречий, обусловливающей развитие природы. Борьбу противоположных начал — положительного и отрицательного электричества, северного и южного магнетизма, понимаемых не как пассивные флюиды, а как борющиеся силы, — Шеллинг считал подлинной сущностью явлений природы. Мир у Шеллинга и Гегеля был поставлен на голову, природа, по Гегелю, проставляет собой порождение абсолютного духа, но в этом идеалистически извращенном взгляде на мир было рациональное зерно: понимание всеобщей связи явлений, внесение в представления о природе идеи развития. Эти идеи Шеллинга захватили многих естествоиспытателей: Эрстеда в Дании, Риттера в Германии, М. Г. Павлова и Д. Велланского в России. Именно под влиянием идеи всеобщей связи между явлениями Эрстед начал искать связь между электрическими и магнитными явлениями и в конце концов добился успеха.
Однако из того факта, что Эрстед под влиянием шеллингианской философии пришел к своему открытию, и того обстоятельства, что сама система Шеллинга сложилась под влиянием успехов естественных наук и прежде всего гальванизма, не следует делать вывод о благотворном взаимовлиянии философии и естествознания в этот период. Наоборот, философия и естествознание находились в открытой вражде. А. И. Герцен в «Письмах об изучении природы» очень ярко изобразил взаимоотношение между идеализмом и эмпирическим естествознанием в эту эпоху.
238 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
«Одна прорицала тайны с какой-то недосягаемой высоты, другое покорялось опыту и не шло далее; друг к другу они питали ненависть; они выросли в взаимном недоверии, много предрассудков укоренилось с той и другой стороны» *.
Успеху Эрстеда (1777 —1851) способствовало то обстоятельство, что он был экспериментатором. Его фило-совские воззрения толкали на пбиски связи между явлениями, и, как физик с хорошей экспериментальной выучкой, он искал эту связь не в отвлеченных рассуждениях, как Шеллинг, приходивший к абсурдным выводам, а в действительных фактах.
Таким путем он пришел в 1820 г, к своему выдающемуся открытию, о котором он сообщил в брошюре на латинском языке «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку», датированной 21 июля 1820 г.
В заглавии этой брошюры обращает на себя внимание термин «электрический конфликт». Так, в духе Шеллинга, Эрстед называл процесс «столкновения» положительного и отрицательного электричества в проволоке, соединяющей полюса гальванической батареи, т. е. то, что мы называем электрическим током. Сам Эрстед пишет об этом следующее:
«Противоположные концы гальванического аппарата соединяются при помощи металлической проволоки, которую мы будем называть для краткости проволокой-проводником, или соединительной проволокой. Действия, которые происходят в этом проводнике и в окружающем его пространстве (подчеркнуто нами — П. К.), мы будем называть электрическим конфликтом» 1 2. Замечательно, что Эрстед видит процесс и в окружающем пространстве, т. е. владеет образами поля. Об этом он со всей определенностью говорит в конце своего сообщения:
«Согласно изложенным фактам, электрический конфликт, по-видимому, не ограничен проводящей проволокой, но имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки. Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки».
Таким образом, сам автор открытия действия электрического тока на магнитную стрелку фактически выразил его языком первого уравнения Максвелла: «Электрический ток окружен магнитным полем». Магнитные силовые линии этого поля имеют форму окружностей, центры которых лежат на оси проволоки. Хотя Эрстед и не делал опытов с железными опилками, приведенные выше слова свидетельствуют, что он вполне представлял себе картину сил, действующих на магнитную стрелку около провод
1 А. И. Герце н, Сочинения в девяти томах, т. 2, Гослитиздат, 1955, стр. 95.
а А. М. Ампер, Электродинамика, изд, АН СССР, 1954, стр. 434.
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 239
ника с током, употребив образное и четкое выражение: «вихрь», л равнение Максвелла математически отражает эту картину.
Но это адэкватное представлениям Эрстеда математическое описание открытия было сделано через сорок с лишним лет после опытов Эрстеда и вдобавок не сразу было принято физиками. Фактически открытие Эрстеда стало разрабатываться по преимуществу французскими физиками, умами которых владело ньютоновское представление об элементарных частицах, взаимодействующих с центральными силами. Несмотря на то что открытие Эрстеда не укладывалось в схему центральных притягательных или отталкивательных сил, его стали искусственно подгонять под эту схему. Знаменитый французский физик Ампер (1775—1836) писал по поводу открытия Эрстеда и метода описания электромагнитных явлений:
«Начать с наблюдения фактов, изменять по возможности сопутствующие им условия, сопровождая эту первоначальную работу точными измерениями, чтобы вывести общие законы, основанные всецело на опыте, и в свою очередь вывести из этих законов независимо от каких-либо предположений о природе сил, вызывающих эти явления, математическое выражение этих сил, т. е. вывести представляющую их формулу, — вот путь, которому следовал Ньютон. Тем же путем обычно шли во Франции ученые, которым физика обязана своими громадными успехами в последнее время. Этим же путем руководился и я в моих исследованиях электродинамических явлений» \
Именно поэтому Максвелл позднее назвал Ампера «Ньютоном электричества». Далее Ампер продолжал:
«Хотя этот путь — единственный, который может привести к результатам, не зависящим от всяких гипотез, тем не менее физики остальной Европы, по-видимому, не оказывают ему того предпочтения, каким он пользуется со стороны французов. Даже знаменитый ученый (здесь Ампер имеет в виду Эрстеда — П. К.), увидевший впервые, как полюса магнита под влиянием проволоки,служащей проводником, стали перемещаться в направлениях, перпендикулярных направлениям проволоки, вывел из этого заключение, что электрическая материя вращается вокруг проводника и толкает эти полюса в направлении своего движения, в точности подобно тому, как Декарт заставил материю своих вихрей вращаться в направлении вращения планет. Руководствуясь принципами ньютоновской философии, я свел явление, замеченное г. Эрстедом, как это уже делалось в отношении всех явлений подобного рода, изучаемых нами в природе, к силам, действующим всегда по прямой, соединяющей две частицы, между которыми они проявляются» 1 2.
Таким образом, Ампер не принимает гипотезу Эрстеда о вихре, которую Эрстед действительно конкретизировал неудачно, считая, что можно объяснить наблюдаемый эффект спиральным движением электрической материи, отрицательной в одном направлении, положительной в другом. Фарадею эта конкретная модель Эрстеда также казалась непонятной, но идею о вращении вокруг тока он принял и подтвердил прямым экспериментом, о котором скажем ниже. В дальнейшем именно Фарадей пошел в направлении развития идеи поля, тогда как французские физики, а вследзаними немецкие, разрабатывали картину дальне действующих элементарных сил.
1 А. М. Ампер, Электродинамика, изд. АН СССР, 1954, стр. 10.
2 Т а м же, стр. 11.
240 Г Л А В А V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Андрэ Мари Ампер
Заслуга французских физиков и прежде всего Ампера заключалась в том, что они для описания процесса, происходящего в гальванической цепи, ввели термины «электрический ток», «электрическое напряжение», «сила тока» без которых сейчас невозможно представить себе учение об электрическом токе. В своем сообщении Парижской Академии наук от 2 октября 1820 г., где резюмируются доклады 18 и 25 сентября того же года, Ампер так описывает электрическое напряжение и электрический ток:
«Напряжение наблюдается, когда два тела, между которыми возникло электродвижущее действие, отделены одно от другого непроводниками по всей своей поверхности, за исключением тех точек, где эта сила возникает. Ток возникает тогда, когда в проводящем контуре создано сообщение
между телами, притом в точках, отличных от точек возникновения электродвижущей силы»
Мы сейчас с трудом улавливаем в этом описании те представления, которые у нас ассоциируются с терминами «ток» и «напряжение». Но вспомним, что Ампер не хочет связывать себя с какими-либо гипотезами о сущности процессов, а пытается дать определенные и точные описания наблюдаемых фактов В первой половине приведенной выдержки речь идет об описании состояния гальванического разомкнутого элемента, во втором—об описании состояния замкнутого элемента (или батареи). Напряжение проявляется в силах электростатического притяжения и отталкивания, ток проявляется в химических действиях, отклонении магнитной стрелки и в открытых Ампером притяжениях и отталкиваниях. «В отличие от обычных, —пишет Ампер об открытых им силах, — я назвал их притяжением и отталкиванием электрических токов» 1 2.
Ампер считает, что внутри вольтова столба действует «электродвижущая сила», перемещающая электрические жидкости, так что один полюс батареи заряжается положительно, а другой отрицательно, пока возникшая разность электрических напряжений, проявляющаяся во взаимном притяжении разъединенных электричеств, не уравновесит электродвижущее действие. «Такое состояние системы электродвижущих и проводящих тел я называю электрическим напряжением» 3, — пишет Ампер. В случае же соединения полюсов проводником разность напряжений падает и электродвижущая сила продолжает переносить оба электричества в тех же направлениях. «Так возникает двойной ток, один положительного, а другой отрицательного электричества, вытекающих в противоположных направлениях из точек,
1 А. М. Ампер, Электродинамика, изд. АНСССР, 1954, стр. 225.
2 Там же, стр. 220.
8 Там же, стр. 227.
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 241
где существует электродвижущее действие, и воссоединяющихся в противоположной этим точкам части контура. Токи, о которых я говорю, продолжают ускоряться до тех пор, пока инерция электрических жидкостей и сопротивление, испытываемое ими вследствие несовершенства даже наилучших проводников, не уравновесят электродвижущую силу. После этого токи продолжаются неопределенно долго с постоянной скоростью, покуда электродвижущая сила сохраняет прежнюю интенсивность, но она всегда прекращается в тот момент, когда контур разрывается. Такое состояние электричества в цепи проводящих и непроводящих тел я буду называть кратко электрическим током» 1.
В дальнейшем Ампер уславливается говорить только об одном направлении движения электричества — направлении движения положительного электричества, которое он и принимает за направление электрического тока.
Следует, однако, отметить, что представление Ампера об электрическом токе еще не отошло далеко от Эрстедова «электрического конфликта». По его представлениям, молекулы электрической жидкости, двигаясь в соединенных проводниках, непрерывно воссоединяются в нейтральную жидкость и вновь разъединяются, и из взаимодействия этих соединяющихся и разъединяющихся молекул электричества и рождаются открытые им электродинамические силы.
Однако современники Ампера, и прежде всего Фарадей, усмотрели в представлениях Ампера совершенно другое. Комментируя в своем «Опыте истории электромагнетизма» приведенное выше место, содержащее описание электрического тока как двойного потока электричества, воссоединяющегося в соединяемом проводнике, Фарадей пишет: «Это соединение должно, естественно, происходить в проводе, и позволительно будет задать вопрос, не является ли это соединение, как это полагает Эрстед, называющий его электрическим конфликтом, причиной возникновения магнитных действий, а также, что именно получается из электричеств, собирающихся в проводе. Однако из рассмотрения других мест в сообщении Ампера получается совершенно отличное представление об электрических токах, а именно, что одно электричество непрерывно циркулирует в одном направлении, а другое—в обратном ему, так что оба электричества в одном и том же проводе и аппарате проходят одно мимо другого» 1 2. Что же касается различия электростатических и электродинамических сил, о котором говорит Ампер, то Фарадей понимает мысли Ампера совершенно ясно и точно: «Электричество, накопляясь в каком-нибудь месте, проявляется в форме известных притяжений и отталкиваний, которые мы называем электрическими. Электричество же, находящееся в движении, проявляется в виде тех притяжений и отталкиваний, о которых сейчас идет речь» 3 (т. е. в виде амперовых сил). Собственные взгляды Ампера на ток Фарадей считает неясными и неразработанными. Эта неясность усугублялась термином «сила тока». Существительное «сила» в этот период применялось в таких разнообразных сочетаниях, что оно не могло не приводить и действительно приводило к путанице. «Положительные науки, — писал Герцен, — имеют свои маленькие привиденыща: это силы, отвлеченные от действия, свойства, принятые за самый предмет, и вообще разные кумиры, сотворенные из всякого понятия, которое еще не
1 А. М. А м пер, Электродинамика, изд. АН СССР, 1954, стр. 228—229.
2 М. Фарадей, Избранные работы по электричеству, ГОНГИ, 1939, стр.47,
3 Та и же, стр. 48—49.
9 II. С. Кудрявцев
242 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
понятно: exempli gratia (например) — жизненная сила, эфир, теплотвор, электрическая материя и пр. Все было сделано, чтобы не понять друг друга, и они вполне достигли этого» \
Энгельс критиковал злоупотребление понятием «сила», которое превращается «в пустую фразу» всюду, «где, вместо того чтобы исследовать неисследованные формы движения, сочиняют для их объяснения некоторую так называемую силу (например, плавательную силу для объяснения плавания дерева на воде, преломляющую силу в учении о свете и т. д.), причем таким образом получают столько сил, сколько имеется необъясненных явлений, и по существу только переводят внешнее явление на язык некоей внутренней фразы» 1 2.
Вместе с тем Энгельс указывал, что «...чем более доступно измерению движение, тем более пригодны при исследовании категории силы и ее проявления»3, и на этом основании признавал ценность категории силы в механике. Ампер вводил понятие силы тока именно из измерения механических сил. «Чтобы численно выразить силу какого-либо тока, — пишет Ампер, - - нужно представить себе, что мы взяли два равных элемента в каждом из этих токов, что мы нашли соотношение действий, оказываемых ими на одном и том же расстоянии на один и тот же элемент любого другого тока в том же случае, когда он им параллелен и когда его направление перпендикулярно прямым, соединяющим его середину с серединами двух упомянутых элементов. Это отношение и будет мерой одной из интенсивностей, если принять другую за единицу» 4.
Таким образом, Ампер вводит силу тока и ее единицу совершенно аналогично тому, как вводится понятие электрического заряда и его единицы на основании кулоновского закона электрических взаимодействий. Закон взаимодействия двух элементов тока, найденный Ампером 4 декабря 1820 г., выражается формулой:
it cl S ~ cis /	3	,
f— р--------(cos е---2 cos 0 COS 0),
где i и Г— силы двух взаимодействующих токов, ds и cis' — соответствующие длины рассматриваемых элементов тока, г — расстояние между этими элементами, е — угол между элементами токов, 6 и О' — углы, образованные линией г с направлениями обоих элементов. Отсюда для случая, взятого Ампером для определения единицы силы тока, имеем, положив е = 0, ds = cfs', 0 = 0' = ^, величину силы г__________________________________isds2
J— Г2 
Очевидно, что сила тока будет равна единице при ds = 1, г = 1, сила /= 1. Эта единица называется электродинамической единицей силы тока.
В определении Ампера и в его законе фигурируют элементы токов. Но на опыте экспериментируют с замкнутыми токами, а не их элементами. Закон Ампера представляет собой математическую экстраполяцию действительных и воображаемых экспериментов. Мы не будем здесь описывать этих опытов и умозаключений Ампера, а ограничимся изложением
1 А. И. Герцен, Сочинения, т. II, стр. 95.
2 Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 226.
3 Там же, стр. 225.
4 А. М. Ампер, Электродинамика, изд. АН СССР, 1954, стр. 33.
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 243
опыта и выводов, сделанных Био и Саваром для взаимодействия токов и магнитов. Закон Био и Савара и доныне фигурирует во всех учебниках физики, тогда как формула Ампера в том виде, как она была получена автором, ныне не применяется. Сообщения об опытах Био и Савара были сделаны в Парижской Академии 30 октября и 18 декабря 1820 г.
Опыты, о которых докладывалось 30 октября, заключались в следующем. Магнитная стрелка весьма малой длины подвешивалась горизонтально вблизи длинного вертикального провода. С помощью астазирующего магнита уничтожалось действие земного магнитного поля на эту стрелку. При пропускании тока по проводу стрелка устанавливалась так, что ее длина была перпендикулярна к перпендикуляру, опущенному из центра стрелки на провод. Если выводить стрелку из положения равновесия, то она начнет колебаться вокруг этого положения. Ввиду незначительной длины стрелки I, силы F и F, действующие на ее северный и южный полюсы, можно считать равными по величине и противоположными по направлению, так что при отклонении стрелки из положения равновесия на нее действует пара сил, возвращающая ее в исходное положение, момент которой
М — F • I • sin <р.
Под действием этой пары стрелка и совершает колебания, период которых при малых размахах определяется формулой
7=2^1
| г • Z
где К — момент инерции стрелки.
Помещая стрелку на разных расстояниях от провода. Био и Савар нашли, что периоды колебаний возрастают пропорционально корням квадратным из расстояний, так что
Ti~ai 
Из этого следует, что сила, действующая на полюс стрелки со стороны тока, убывает обратно пропорционально расстоянию от провода
F2 ci г const. а2'	а
В дальнейшем Био и Савар попытались разложить это действие всего провода на сумму действий, исходящих из отдельных элементов проводника. Так как все действие перпендикулярно к плоскости, проходящей через полюс стрелки и провод, то делается вероятное предположение, что и элементарное действие перпендикулярно плоскости, проходящей через элемент тока и полюс, и определяется по направлению правилом, установленным Ампером (правилом пловца). Био и Савар предположили далее, что величина этой элементарной силы зависит от расстояния и от угла, образованного этим расстоянием с элементом тока, так что
dF— С • /, (б) /2 (г) ds, где С определяется силой тока и количеством магнетизма.
Лаплас показал, что
/2W = ^-
9*
244 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
В самом деле, если представить себе два параллельных прямолинейных провода бесконечной длины, обтекаемых токами одинаковой величины, то, проводя из полюса два бесконечно близких радиуса, пересекающих оба провода под одним и тем же углом 6, мы найдем, что эти радиусы вырезают из проводов элементы dst и ds2. .Согласно сделанному предложению, силы, действующие со стороны этих элементов на полюс, относятся, как
(IF1 _ С л (0) •	(Г1) dsj _ dstfs (rt)
dF2 Cfi (0) - /2 (r2) ds2 ds2f2 (r2) ‘
Ho ds2 : ds2 = z-j : z-2 и, следовательно,
dFt _ r,f2 (r,)
r«f2 (r2) '
Так как по закону Био—Савара для прямолинейного провода
Ft  а2 г2
F2	at	Ci ’
то и
dFi rs __ г if2 (rt)
dF2 ri
откуда
fs<rt) _r% г , .______ const.
A(rs)—rf’ J^rJ— •
Воспользовавшись этим выводом Лапласа, Био и Савар, экспериментируя с проволоками, изогнутыми под углом, пришли к заключению, что
fi (6)= sin С
Окончательный результат опытов Био—Савара и расчетов Лапласа представляется формулой:
,	sin 0 ds
Далее оказалось, что С = kim, где z — сила тока в проводнике, т — масса магнитного полюса и в окончательной форме закон Био—Савара—Лапласа имеет вид:
, kim sin 6г/s dF— - s - . rs
К этому аналитическому выражению необходимо прибавлять длинное словесное определение направления силы. Аналитический метод Лагранжа, господствовавший в математической физике первой половины XIX в., делал неизбежным такие описания. Максвелл ввел в теорию электричества удобный и компактный язык векторного исчисления.
Итак, французские физики нашли количественные выражения электромагнитных элементарных сил как для случая взаимодействия токов (формула Ампера), так и для случая взаимодействия тока с магнитным полем (формула Био—Савара—Лапласа). Эти результаты были получены ими еще до истечения 1820 года, богатого в истории электричества событиями.
Наряду с этими результатами теоретического характера были получены и важные экспериментальные результаты. Сюда относятся прежде все
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ К АПИТАЛИЗМА 245
го замечательные открытия Ф. Араго (1786—1853). Повторяя (.первым из парижских академиков) опыты Эрстеда, он заметил, что проволока, обтекаемая током, притягивает железные опилки и, будучи погруженной в них, притягивает их со всех сторон. При размыкании тока опилки отпадают. Араго удалось намагнитить током стальную иглу.
Ампер указал Араго, что действия будут усилены, если проводу придать форму спирали. Действительно, помещая внутрь такого соленоида стальную проволоку, Араго намагнитил ее, причем северный полюс получился там, где ток обходил спираль против часовой стрелки.
Ампер докладывал об этих опытах 25 сентября 1820 г. Здесь он высказал важную и глубокую идею об эквивалентности кругового тока тонкому плоскому магниту (магнитному листку). Эта идея легла в основу амперовой теории магнетизма, которая после открытия электронов в атоме легла, в свою очередь, в основу электронной теории магнитных явлений. Способ возбуждения магнитного поля и намагничивания током, открытый Араго, был применен английским артиллеристом Вильямом Стердженом к изготовлению электромагнитов (1825 г.). В электромагнитах Стерджена еще не было изоляции, сердечник из мягкого железа покрывался изолирующим лаком, на который наматывалась голая проволока. Американский физик Генри применил для обмотки электромагнитов проволоку, изолированную шелком. Ему удалось изготовить сильные электромагниты с подъемной силой до 1 тонны. Он же изготовил первый электрический звонок, в котором роль ударника выполняла магнитная стрелка. Сам Ампер предложил схему электромагнитного телеграфа. Схема Ампера оказалась мало практичной из-за своей сложности.
Открытие электромагнетизма оказало мощное стимулирующее влияние на изучение электрического тока и его действий. Оно дало прежде всего основу для устройства удобных указателей и измерителей тока. Уже в сентябре 1820 г. Швейггер (1779—1857) изобретает мультипликатор, а в 1821 г. Поггендорф (1796—1877) усовершенствовал его, придав ему сохранившуюся и поныне в школьной практике форму.
Так появились первые гальванометры. С помощью мультипликатора Т. 3 ее бе к (1770—1831) открыл в 1821г. термоэлектрический эффект, который сам он считал термомагнитным эффектом, ошибочно полагая, что разность температур контактов разнородных металлов возбуждает магнетизм.
В 1826 г. немецкий школьный учитель Георг Симон О м (1787—1854) применил магнитное действие тока для исследования соотношений в цепи тока. С этой целью он сконструировал ряд крутильных весов, в которых роль коромысла играла магнитная стрелка. Расположив провод в направлении земного меридиана, он помещал свои весы над разными участками цепи и установил, что угол кручения, необходимый для удержания стрелки в неотклоненном положении, один и тот же во всех участках цепи. Таким образом, сила тока оказалась одинаковой во всех частях цепи. Ом исследовал зависимость ее от длины, поперечного сечения и материала проводника и нашел известный закон сопротивления. Термин «сопротивление» принадлежит также Ому.
Далее Ом исследовал зависимость тока от электродвижущей силы. Он использовал не только гальванические источники, но и термоэлектродвижущие силы. В результате этих исследований у него сложилось отчетливое представление о токе как процессе, аналогичном движению воды по
246 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Георг Симон Ом
трубам или передаче теплоты посредством теплопроводности. Эти взгляды и количественный закон электрической цепи, носящий его имя, были изложены им в работе «Гальваническая цепь, разработанная математически д-ром Г. С. Омом», вышедшей в 1827 г.
В области собственно электромагнетизма, кроме открытий Ампера, необходимо отметить еще следующие важные результаты. В 1821 г. Фарадей, который вслед за Эрстедом ясно увидел картину вихревого движения вокруг тока, осуществил электромагнитное вращение, подвергнув действию тока только один полюс магнита. Это был первый . лек-тродвигатель.
Важный вращательный эффект был открыт Араго. В ноябре 1824 г. Араго доложил Академии о сделанном им наблюдении, что колебания магнитной стрелки затухают быстрее, когда под
нее подводится металлическая пластинка, в особенности медная. В марте 1825 г. он наблюдал другое интересное явление: при вращении медной пластинки помещенная над ней магнитная стрелка также начинает вращаться. «Магнетизм вращения», как назвал его Араго, не является каким-то притяжением, что было доказано опытом с весами, к одному из плеч которых была подвешена стрелка. Стрелка не притягивалась вращающейся пластинкой, а следовала за ней. Явление Араго было объяснено Фарадеем.
Сыну лондонского кузнеца — Майклу Фарадею (1791 —1867) наука об электричестве обязана не только фундаментальными открытиями, но и новыми плодотворными идеями, разработка которых привела к научным и практическим результатам огромной важности. В отличие от современных ему физиков Фарадей был глубоко убежден в существовании всеобщей связи сил природы, в их материальном единстве. Поэтому его глубоко взволновало открытие Эрстеда. Он переключился с химических занятий на проблемы электромагнетизма, опубликовав в 1821 —1822 гг. «Опыт истории электромагнетизма». Уже в это время он ставит перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество» и в течение десяти лет настойчиво добивается ее решения. Результатом этих поисков и явилось открытие электромагнитной индукции 29 августа 1831 г. Со времени этого открытия Фарадей начал публикацию своих работ по электричеству под общим заглавием «Экспериментальные исследования по электричеству». Этот трехтомный труд представляет собой единственное в истории физики сочинение: своеобразный дневник экспериментов и размышлений ученого. Написанный без единой формулы, откровенно и просто, этот труд имел ярко выраженный демократический характер. «Фарадей,— писал Максвелл,—показывает нам свои как неудачные, так и удачные эксперименты, как свои несозревшие идеи, так и идеи разработанные, и читатель, сколько бы ни был ниже его по своей способности индуктивного мышления, чувствует скорей симпатию, чем восхищение, и приходит к искушению поверить в то,
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 247
что при случае он также сделал бы эти открытия»» \ Однако сделать открытия Фарадею было не так-то просто. Явление электромагнитной индукции носит преходящий характер, характер волны, как выражался сам Фарадей. Интересно, что задолго до Фарадея электромагнитную индукцию (что вполне естественно) наблюдал Ампер. Но он не понял явления, не обратил на него внимания, о чем впоследствии горько сожалел. Фарадей же не только открыл и тщательно описал явление, но и сразу же сделал из него глубокие выводы. 12 марта 1832 г. он запечатал конверт с надписью «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества». Этот конвеот был вскрыт в 1938 г.; оказалось, что Фарадей уже ясно представлял, что индукционные действия распространяются с конечной скоростью волновым способом. «По аналогии (со звуком и светом. — П. К.) я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции», — писал Фарадей. Сообщая о своем намерении проверить эти идеи экспериментально, Фарадей вместе с тем указывал, что служебная загрузка может задержать выполнение опытов, поэтому, передавая на хранение свои мысли, он хочет «закрепить открытие за собой определенной датой и, таким образом, иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату датой моего открытия. В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов».
Фарадей был прав, утверждая, что никто из современных ему ученых не имел подобных взглядов. Современные ему ученые находились в плену концепции мгновенного дальнодействия, и взгляды Фарадея казались совершенно непонятными для специалистов того времени. Они были усвоены учеными только после опытов Герца, т. е. спустя более полувека после Фарадея.
Перечислим теперь более подробно важнейшие открытия Фарадея.
Первая серия его «Экспериментальных исследований по электричеству», начатая 24 ноября 1831 г., посвящена открытию электромагнитной индукции и объяснению явления Араго. Это последнее объясняется, по Фарадею, наличием индукционных токов в проводящем диске, текущих приблизительно по радиусам диска. Вообще, по Фарадею, «способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается»1 2 .
Другими словами, вокруг переменного магнитного потока возникает вихревое электрическое поле, подобно тому как вокруг электрическсго тока возникает вихревое магнитное поле. Этот фундаментальный факт был впоследствии обобщен Максвеллом в виде его двух уравнений электромагнитного поля.
Из' чению явлений электромагнитной индукции, в особенности индукционного действия магнитного поля Земли, посвящена также вторая серия «Исследований», начатая 12 января 1832 г. Третью серию, начатую 10 января 1833 г., Фарадей посвящает доказательству тождества различных видов электричества: электростатического, гальванического, животного, магнитоэлектрического (т е. получаемого посредством электромагнитной индукции). Исследования эти приводят Фарадея к выводу, что электричество,
1 Джемс Клерк Максвелл, Избранные сочинения по теории электромагнитного поля, Гостехиздат, 1952, стр. 382.
2 М. Фарад eYi, Экспериментальные исследования по электричеству, изд. АН СССР, 1947, т. 1, стр. 57.
248 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Майкл Фарадей
получаемое различными способами, качественно одинаково, разница в действиях только количественная. Этим был нанесен последний удар концепции различных «флюидов» смоляного и стеклянного электричества, гальванизма, животного электричества. Электричество оказалось единой, но полярной сущностью.
Весьма важна пятая серия «Исследований» Фарадея, начатая 18 июня 1833 г. Здесь Фарадей начинает свои исследования электролиза, приведшие его к установлению знаменитых законов, носящих его имя. Исследования эти были продолжены в седьмой серии, начатой 9 января 1834 г. В этой последней серии Фарадей предлагает новую терминологию: полюса, подводящие ток в электролит, он предлагает называть электродами, положительный электрод называть анодом, а отрицательный — катодом, частицы отлагае
мого вещества, идущие к аноду, он называет анионами, а частицы, идущие к катоду,— катионами. Далее, ему принадлежат термины электролит, для разлагаемых веществ, ионы и электрохимические эквиваленты. Все эти термины прочно удержались в науке. Фарадей делает правильный вывод из найденных им законов, что можно говорить о каком-то абсолютном количестве электричества, связанном с атомами обычной материи. «Хотя мы ничего не знаем о том, что такое атом, — пишет Фарадей, — но мы невольно представляем себе какую-то малую частичку, которая является нашему уму, когда мы о ней думаем; правда, в таком же или в еще большем неведении мы находимся относительно электричества, мы даже не в состоянии сказать, представляет ли оно собою особую материю или материи, или же просто движение обыкновенного вещества, или еще вид какой-то силы или агента; тем не менее имеется огромное количество фактов, заставляющих нас думать. что атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, а в том числе своим химическим сродством друг к другу» X
Таким образом, Фарадей отчетливо высказал идею «электрификации» материи, атомного строения электричества, причем атом электричества, или, как выражается Фарадей, «абсолютное количество электричества», оказывается «столь же определенным по своему действию, как любое из тех количеств, которые, оставаясь связанными с частицами материи, сообщают им их химическое сродство». Элементарный электрический заряд, как показало дальнейшее развитие физики, действительно может быть определен из законов Фарадея.
1 М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, изд. АН СССР, 1947, стр. 335.
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 249
Весьма важное значение имела девятая серия «Исследований» Фарадея. В этой серии, начатой 18 декабря 1834 г., шла речь о явлениях самоиндукции, об экстратоках замыкания и размыкания. Фарадей указывает при описании этих явлений, что хотя им присущи черты инерции, однако от механической инерции явление самоиндукции отличает тот факт, что они зависят от формы проводника. Фарадей отмечает, что «экстраток тождествен с... индуцированным током» *. В результате у Фарадея сложилось представление о весьма широком значении процесса индукции. В одиннадцатой серии своих исследований, начатой 30 ноября 1837 г., он утверждает: «Индукция играет самую общую роль во всех электрических явлениях, участвуя, по-видимому, в каждом из них, и носит в действительности черты первейшего и существенного начала». 1 2 В частности, по мнению Фарадея, всякий процесс зарядки есть процесс индукции, смещения противоположных заря лов «вещества не могут быть заряжены абсолютно, а только относительно, по закону, тождественному с индукцией. Всякий заряд поддерживается индукцией. Все явления напряжения включают начало индукций»3. Смысл этих утверждений Фарадея тот, что всякое электрическое поле («явление напряжения» — по терминологии Фарадея) обязательно сопровождается индукционным процессом в среде («смещением» — по позднейшей терминологии Максвелла). Этот процесс определяется свойствами среды, ее «индуктивной способностью», по терминологии Фарадея, или «диэлектрической проницаемостью», по современной терминологии. Фарадей опытом со сферическим конденсатором определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ по отношению к воздуху. Эти эксперименты укрепили Фарадея в мысли о существенной роли среды в электромагнитных процессах.
Закон электромагнитной индукции был существенно развит русским физиком Петербургской Академии Эмилием Христиановичем Ленцем (1804—1865). 29 ноября 1833 г. Ленц доложил Академии наук свое исследование «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». Ленц показал, что магнитоэлектрическая индукция Фарадея теснейшим образом связана с электромагнитными силами Ампера. «Положение, посредством которого магнитоэлектрическое явление сводится к электромагнитному, заключается в следующем: если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что (если бы данный) проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении'!') 4.
Этот принцип Ленца раскрывает энергетику индукционных процессов и сыграл важную роль в работах Гельмгольца по установлению закона сохранения энергии. Сам Ленц из своего правила вывел хорошо известный в электротехнике принцип обратимости электромагнитных машин: если вращать катушку между полюсами магнита, оиа генерирует ток, наоборот, если в нее послать ток, она будет вращаться. Электродвигатель можно обратить
1 М. Фарадей. Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, изд АН СССР, 1947, стр. 445.
2 Там же, стр. 478.
3 Там же. стр. 487.
4 Э. X. Лен ц, Избранные труды, изд. АН СССР, 1950, стр. 148—149.
250 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Эмилий Христиаиович Ленц
в генератор, и наоборот. Изучая действие магнитоэлектрических машин, Ленц открывает в 1847 г. реакцию якоря.
В 1842—1843 гг. Ленц произвел классическое исследование «О законах выделения тепла гальваническим током» (доложено 2 декабря 1842 г., опубликовано в 1843 г.), начатое им задолго до аналогичных опытов Джоуля (сообщение Джоуля появилось в октябре 1841 г.) и продолженное им несмотря на публикацию Джоуля, «Так как опыты последнего могут встретить некоторые обоснованные возражения, как это было уже показано нашим коллегой г-ном акад. Гессом»1. Ленц измеряет величину тока с помощьютангенс-буссоли — прибора, проверенного гельсингфорским профессором Иоганном Нер вандером (1805—1848), и в первой части своего сообщения исследует этот прибор. Во второй части «Выделение тепла
в проволоках», доложенной 11 августа 1843 г., он приходит к своему
знаменитому закону:
«1. Нагревание проволоки гальваническим, током пропорционально сопротивлению проволоки.
2. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока» 1 2.
Этот закон Джоуля-—Ленца сыграл важную роль в установлении закона сохранения энергии. Все развитие науки об электрических и магнитных явлениях подводило к идее единства сил природы, к идее сохранения этих
«сил».
ОПТИКА
После относительного «затишья» в XVIII в. оптика вновь переживает период бурного развития и напряженной борьбы двух основных оптических теорий: корпускулярной и волновой. Борьба за волновую теорию света была начата в первые же годы нового столетия английским врачом и естествоиспытателем Томасом Юнгом (1773—1829). Юнг выступил в 1800 г. со статьей «Опыты и проблемы по звуку и свету», в которой подвергает критике корпускулярную теорию света и указывает на аналогию звука и света. Рассматривая суперпозицию (наложение) звуковых волн, Юнг указывает, что в результате этой суперпозиции могут происходить как усиления, так и ослабления звука, получаться комбинационные тона и биения. Следовательно, Юнг в отличие от Эйлера принимает во внимание фазовые и частотные соотношения, обусловливающие результат суперпозиции.
1 Э. X. Ленц, Избранные труды, изд. АН СССР, 1950, стр. 361.
2 Т а м же, стр. 441.
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА ?,г>|
В 1801 г. Юнг сформулировал принцип интерференции:
«Везде, где две части одного и того же света попадают в глаз различными путями, либо точно, либо весьма близко по направлению, свет становится более сильным там, где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в промежуточных состояниях интерферирующих частей; и эта длина различна для света различных цветов». Эта некоторая длина и есть длина волны, впервые введенная в оптику Юнгом и им же предварительно оцененная из интерференционных опытов. Для получения когерентных пучков («частей одного и того же света») Юнг воспользовался экраном с двумя малыми близкими отверстиями и получил систему интерференционных полос па приемном экране. С помощью принципа интерференции Юнг объяснил кольца Ньютона, а существование черного пятна в центре колен объяснил изменением фазы («потерей полуволны») при отражении от оптически более плотной среды. При отражении от менее плотной (в оптическом отношении) среды изменения фазы не происходит, и если показатели преломления линзы, промежуточной среды и подстилающей пластинки в опыте Ньютона расположены в убывающем порядке, то темного пятна в центре не будет. Это заключение Юнг проверил прямым опытом.
Юнг объяснил с помощью своего принципа и дифракционные полосы, наблюдающиеся при получении тени от волоса. Он считал, что дифракционные полосы вне тени образуются в результате интерференции прошедшего света со светом, отраженным от краев волоса, а внутренние полосы интерференцией лучей, дифрагирующих у краев тени. Для экспериментального подтверждения этой идеи он приставил к краю волоса полоску непрозрачной бумаги и показал, что в этом случае внутренние полосы исчезают. Юнг восстановил принцип Гюйгенса для объяснения распространения света в кристалле исландского шпата и обратился к известному английскому физику экспериментатору Волластону (1766—1828) с просьбой экспериментально проверить значения показателей преломления, даваемые построением Гюйгенса. Опыты Волластона (1802 г.) подтвердили теорию Гюйгенса. Однако именно в вопросе о распространении света в кристаллах волновая теория Юнга встретилась с серьезными трудностями.
В 1808 г. французский военный инженер Мал юс (1775—1812) наблюдал через кристалл исландского шпата отражение лучей заходящего солнца в стеклах Люксембургского дворца и заметил исчезновение одного из двух лучей, получающихся при преломлении в исландском шпате. Последующие измерения с отражением света от свечи в воде показали, что это исчезновение наблюдается при определенных углах отражения. Малюс пришел к выводу, что отраженный при этих условиях луч обладает особой асимметрией вокруг своего направления, и назвал это свойство луча поляризацией.
В последующие годы были открыты: хроматическая поляризация (Араго, Брюстер. 1813 г.), двухосные кристаллы (Био, Брюстер, 1812 г.), вращение плоскости поляризации (Араго, 1811 г., Био, 1815 г.), хроматическая поляризация в двухосных кристаллах (Брюстер, 1813—1818 гг.). Эти сложные явления никак не объяснились волновой теорией Юнга, принимавшей, что световые волны, подобно акустическим в воздухе, продольные. Эфир рассматривался как сверхтонкий газ, обладавший определенной упругостью и плотностью, и скорость световых волн определялась формулой;
252 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
где Е — модуль упругости, р— плотность эфира. Для продольных волн никакой асимметрии вокруг луча быть не должно: все плоскости, содержащие луч, равноправны. Лапласу же удалось построить математическую теорию распространения света в кристалле, исходя из корпускулярных представлений о свете. Био обобщил эту теорию на двухосные кристаллы. Теория Юнга была забыта, но, как оказалось, ненадолго. Знаменитый французский физик О. Френель (1788—1827) создал классическую волновую оптику.
15 октября 1815 г. Френель представил Парижской Академии наук первый мемуар о дифракции света. В этом и последующих мемуарах Френель описывает свои классические опыты по дифракции на конечных рас-
стояниях от источника и их тео-Огюстен Жан Френель	ретическое истолкование на язы-
ке волновой теории. В основу теории дифракции Френель кладет принцип Гюйгенса, дополняя его гипотезой об интерференции вторичных лучей, исходящих из точек волнового фронта. Для приближенного расчета дифракционной картины Френель предложил метод зон. Чтобы рассчитать действие волнового фронта на данную точку, из этой точки описывается сфера с последовательными радиусами гл = d, r2 = d + Л/г, r3 = d + X, = d + 37/2 и т. д., где d — наименьшее расстояние волновой поверхности от приемной точки, и затем рассматривается суммарное воздействие полученных зон на эту точку. Несмотря на то, что этот метод страдает существенными недостатками (неправильная фаза, трудность с объяснением отсутствия обратной волны), он дал в руках Френеля необычайно ценные результаты. Из способа подсчета Френеля вытекало (на это следствие указал противник волновой теории Пуассон), что в центре тени от малой круглой ширмы всегда должен быть свет. Араго подтвердил этот вывод прямым экспериментом, и возражение Пуассона превратилось в доказательство справедливости принципа Гюйгенса— Френеля В 1816 г. Френель осуществил классический интерференционный опыт с двумя зеркалами, о котором он сам пишет, «что лишь теория колебаний могла привести к идее постановки таких опытов. Этот опыт настолько труден, что почти невозможно, чтобы чистый случай на него натолкнул». Волновая теория позволила таким образом предугадать результаты опытов, которые без их тщательного обоснования, вероятно, никогда бы не были осуществлены. Но перед волновой теорией стояла труднейшая задача — истолковать поляризационные явления. И здесь Френель сделал необычайно смелый шаг. Основываясь на том опытном факте, что луч обыкно-
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 253
венный и необыкновенный, даже если их привести к одной плоскости поляризации, не интерферируют, он ввел гипотезу о поперечности световых колебаний. Это была очень смелая идея, так как в газах и жидкостях (а эфир считался чрезвычайно тонкой жидкостью или газом) поперечные волны невозможны, они возможны только в твердых телах. Таким образом, гипотеза Френеля наделяла эфир противоречивыми механическими свойствами. Тем не менее Френель ввел эту гипотезу и с ее помощью объяснил явления поляризации, дал теорию распространения света в кристаллах как одноосных, так и двухосных, объяснил вращение плоскости поляризации допущением разложения поляризованного света в оптически активных средах на две составляющие, поляризованные по кругу в противоположных направлениях, и распространения в этих средах с разными скоростями. Свою теорию вращения плоскости поляризации Френель подтвердил опытом с кварцевой призмой, изготовленной из правовращающего и левовращающего кварца. Френель нашел также законы отражения и преломления, исходя из гипотезы, что упругость эфира в веществе не меняется, а меняется только плотность. Предполагая, что плоскость световых колебаний перпендикулярна плоскости поляризации, и применяя закон непрерывности колебания при переходе через границу и закон сохранения «живых сил», Френель получил свои известные формулы для амплитуд преломленной и отраженной волны. Далее Френель рассмотрел явление полного отражения, смело введя для математического описания этого явления комплексные числа. Полученные им результаты дали ему возможность изготовить прибор, позволяющий преобразовать линейную поляризацию в круговую и обратно с помощью полного отражения (параллелепипед Френеля) Наконец, Френель рассмотрел вопрос о влиянии движения среды на распространение света и пришел к выводу, что движущиеся тела частично увлекают эфир. Если тело движется со скоростью V, то эфир движется со скоростью = kv, где k = 1---5 —
френелевский коэффициент увлечения Этот результат Френеля был позже подтвержден экспериментально Физо, Эри, Майкельсоном и сыграл важную роль в истории принципа относительности.
Большим успехом теории двойного преломления Френеля был теоретический вывод из нее ирландским астрономом и механиком Гамильтоном (1832 г.) конического преломления лучей, когда луч, падающий на пластинку двухосного кристалла, вырезанную соответствующим образом, расщепляется на конус лучей. Это тонкое явление было экспериментально найдено Ллойдом через год после расчета Гамильтона.
В те же годы, когда Френель начал разрабатывать волновую теорию света, немецкий оптический мастер Фраунгофер (1787—1826) начал тщательные исследования солнечного спектра. Он нашел и точно зафиксировал в призматическом спектре Солнца черные линии — фраунгоферовы линии. Эти линии наблюдались еще в начале века Волластоном, но последний не стал их подробно описывать, считая это бесполезным. После того как Фраунгофер в 1814—1815 гг. описал темные линии в спектре Солнца, он перешел к получению дифракционных спектров, сначала от щели, а потом с помощью изобретенного им нового спектрального аппарата—дифракционной решетки (1822 г.). С помощью дифракционных спектров Фраунгофер измерил длины волн, соответствующие темным линиям спектра. Эти исследования положили начало спектроскопии. Теория дифракционной решетки Фраунгофера была дана Ш в е р д о м в 1835 г.
-254 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Крупным успехом оптики, правда, относящимся уже к середине XIX в., было измерение скорости света земными методами Ф и з о (1849 г.) и Ф у к о (1850 г.). Последний доказал, что скорость света в воде меньше, чем скорость света в воздухе, что подтверждало выводы Гюйгенса и противоречило выводам Ньютона. Таким образом, к середине XJX в волновая оптика победила, как казалось, окончательно. Но ее победа принесла и немалые трудности, вызвав целый ряд неудачных попыток построить непротиворечивую механическую теорию эфира.
Вместе с тем волновая теория поляризации света, созданная Френелем, стимулировала развитие теории упругости, в особенности теорию распространения волн в упругой среде. Эту теорию разрабатывали Коши и Пуассон. Коши делал свое первое сообщение в сентябре 1822 г. Уравнения теории упругости были опубликованы им в 1828 г. В том же году появилась работа Пуассона. Исследования Коши и Пуассона основывались на представлении о молекулярных силах, действующих между частицами упругого тела. В дальнейшем ими, а также Ламе и Клапейроном аналогичный метод был применен к решению задач упругих колебаний и равновесий. Коши применил найденные им уравнения к распространению света как в кристаллических, так и изотропных телах (1830 г.). Теорию Коши Грин применил в 1839 г. к явлениям отражения и преломления на границе двух некристаллических сред. Существенно, что Грин применил здесь новый метод вывода уравнений упругости, основанный на идее сохранения энергии. Функция, введенная Грином, есть не что иное, как взятая с обратным знаком потенциальная энергия единицы объема деформированного тела, выраженная через компоненты деформации. Эти исследования сыграли большую роль в развитии математического аппарата волновой оптики и подготовили почву для электромагнитной теории свера Максвелла.
ХИМИЧЕСКАЯ АТОМИСТИКА И ФИЗИКА ГАЗОВ
После того как Лавуазье (1775 г.) создал химическую теорию горения, рассматривая этот процесс как окисление, и установил вслед за Ломоносовым закон сохранения масс, наступила новая эпоха в развитии химии. Из химии стали изгоняться алхимические «элементы», и на смену им выступило представление о простых, не разложимых химическими средствами веществах — химических элементах. Лавуазье химическими средствами, Никольсоп и Карлейль методом электролиза доказали, что вода является не элементом, а сложным веществом определенного химического состава. Французский химик Бертолле считал, что состав сложных веществ не является определенным, а может меняться непрерывно с изменением масс образующих его элементов. В противовес этому Пру высказал идею постоянства состава и, следовательно, скачкообразного изменения свойств сложных веществ. Эта идея получила подтверждение и развитие в работах английского химика и физика Дж. Д а л ьто н а (1766—1844). Дальтон укрепил понятие химического элемента и, следуя идее Ломоносова (но независимо от последнего), ввел атомную теорию в химию. Он считал атом мельчайшей частицей элемента, а мельчайшую частицу сложного вещества, образованную из атомов, молекулой. Дальтон установил закон постоянства состава и теоретически интерпретировал его с помощью представления о неизменных атомах. Далее Дальтон нашел закон кратных отношений, который привел его
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 255
к представлению об атомном весе. Шведский химик Берцелиус (1779— 1848) поддержал атомистику Дальтона, установил с наибольшей для того времени точностью атомные веса элементов, ввел рациональную химическую символику и считал силы «химического сродства» электрическими. Эта идея хорошо подтверждалась фактами электролиза. Но поскольку атомы однородных элементов должны по этой теории обладать одинаковыми электрическими свойствами, молекулы этих элементов не могут быть многоатомными.
Химическая атомистика развивалась в тесной связи с изучением свойств газов. Дальтон изучал упругие свойства смесей, не взаимодействующих химически газов, и нашел, что каждый газ производит такое же давление, как если бы он один занимал весь объем, а общее давление смеси газов равно сумме этих «парциальных» давлений ее компонент. Французский химик Гей-Люссак (1778—1850) открыл закон кратных объемов для химически взаимодействующих газов, который в соединении с законом кратных отношений наводил на мысль о том, что в равных объемах газов содержится равное количество молекул. Однако если придерживаться точек зрении Берцелиуса — Дальтона и считать молекулы элементов одноатомными, то становится непонятным, почему из двух равных объемов водорода и хлора получается не один, а два таких же объема хлористого водорода. Итальянский химик Амедео Авогадро (1776—1856) решительно высказался в пользу гипотезы, что в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится равное количество молекул, добавив при этом, что молекулы элементов могут состоять из нескольких атомов. Если, например, допустить, что молекулы водорода и хлора двухатомны, тогда при соединении молекулы водорода с молекулой хлора получаются две молекулы хлористого водорода и, следовательно, двойной объем этого газа, как и требует опыт. Однако химики не приняли теории Авогадро. Поэтому развитие атомистики затормозилось, вместо понятия «атомный вес» пользовались чисто эмпирическим понятием «весовой пай», с которым тот или иной элемент вступает в данное соединение. Тем не менее образы атомистики вошли в химию, и химики искали объяснения так называемых «сил химического сродства» либо в механических моделях («атомы с крючочками»), как у Дальтона, либо в электрических притяжениях, как у Берцелиуса.
Для целей новой химии и прежде всего для определения «паев» очень важно было знание свойств газов, поскольку объемные соотношения веществ, вступающих в химические реакции в газообразном состоянии, давали весовые соотношения реагирующих веществ, при условии одинаковости температур и давлений. Важно было найти точные законы зависимости объемов газов от этих параметров. Для неизменных температур такая зависимость была найдена Бойлем и Мариоттом уже в XVII в. Гей-Люссак (1802 г.) нашел закон изобарического расширения газов: все газы расширяются от теплоты в одинаковой степени, и определил коэффициент объемного расширения (он равен в среднем, по Гей-Люссаку, 0,375). Такой же коэффициент нашел и Дальтон, но он считал, что этот коэффициент зависит от температуры. Объединение законов Бойля — Мариотта и Гей-Люссака было сделано Клапейроном (1799—1864). Объединение законов Бойля—Мариотта, Гей-Люссака и Авогадро (уравнение состояния идеальных газов) было сделано Д. И. Менделеевым.
256 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
ТЕРМОДИНАМИКА
Развитие паровых машин, а затем пароходов и паровозов стимулировало интерес к термодинамическим свойствам паров и газов. Гей-Люссак, а позже Джоуль, производили опыт с расширением газа в пустоту, который приводил к заключению, что для идеального газа тепловое состояние при таком расширении не изменяется. Дальтон установил (1802 г.), что при быстрых сгущениях и разрежениях газов происходит нагревание и охлаждение. В 1803 г. лионский физик Молле сообщил о наблюдении одного рабочего французского оружейного завода, воспламенившего трут в стволе духового ружья при сжатии воздуха. Было также замечено, что теплоемкость газов при постоянном объеме и постоянном давлении различна. Деларош и Берар в 1813 г. произвели определения удельных теплоемкостей газов при постоянном давлении и постоянном объеме и показали, что первая теплоемкость значительно превосходит вторую. Отношение этих теплоемкостей определяли Гей-Люссак и Вельтер и нашли его равным 1,372; Дезорми Клеман в 1819 г. нашли значение 1,357 (для воздуха). Еще в 1800 г. Лаплас заметил, что адиабатические изменения температуры должны повышать упругость воздуха в более сильной степени, чем изменение плотности, и тем самым повышать скорость звука в воздухе. Этим объясняется расхождение опытного значения последней величины со значением, вычисленным по формуле Ньютона. Пуассон в 1808 г. нашел связь между упругостью и объемом газа при адиабатических сжатиях и расширениях, а Лаплас нашел, что скорость звука вычисляется по формуле Ньютона, умноженной на корень квадратный из коэффициента Пуассона, представляющего собой отношение теплоемкостей газов при постоянном давлении и объеме. Д ю л о н г в 1829 г. использовал этот закон для того, чтобы из опытных определений скорости звука вычислить отношение теплоемкостей, и нашел его значительно большим гей-люссаковского (1,421). Эксперименты с адиабатическим нагреванием и охлаждением и определением теплоемкостей газов имели важное значение, подготовляя открытие закона сохранения энергии.
Уже в конце XVIII в. начались исследования упругости газов при различных температурах (этим, между прочим, занимался и изобретатель паровой машины Уатт). Дальтон определял точку кипения жидкостей при пониженных давлениях. Таблицы упругости паров при различных температурах, составленные Дальтоном, вошли в современные ему учебники физики. Найденный им закон парциальных давлений он распространил и на смеси газов и паров и тем самым покончил с теорией испарения, согласно которой испарение жидкости обусловлено ее растворением в атмосферном воздухе. По Дальтону, пар распространяется в атмосферном воздухе так же, как в пустом пространстве, и, таким образом, испарение обусловлено отталкивательной силой теплоты.
Для развивающейся теплотехники важное значение имел вопрос о теплопередаче. Исследованиями теплопередачи занимался петербургский академик Рихман в 1750—1751 гг., явившийся основоположником этой отрасли знания. Выводы Рихмана оспаривались Ингенгузом, построившим в 1784 г. прибор для демонстрации теплопроводности и поныне употребляемый в школьных физических кабинетах. Причину расхождений Рихмана и Ин-генгуза вскрыл Фурье (1768—1830) в своем классическом исследовании «Аналитическая теория тепла» (1822 г.), указавший, что теплопередача обусловлена тремя факторами: теплоемкостью, внутренней теплопровод-
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 257
ностью и теплоотдачей во внешнюю среду Фурье написал дифференциальное уравнение теплопроводности и решил его для случаев бесконечно длинной призмы, шара, конуса и куба. Одним из важнейших результатов Фурье была его знаменитая теорема о разложении функций в тригонометрический ряд. Работа Фурье базировалась на идее теплового тока и, следовательно, концепции теплорода. На этой же идее основывалось и другое замечательное исследование этого периода «Размышление о движущей силе огня» (1824 г.) французского военного инженера Сади Карно (1796—1832), положившее начало термодинамике.
Это классическое сочинение замечательно прежде всего своей тесной связью с практикой. Карно с самого начала обращает внимание на то, «что теплота может быть причиной движений, что она даже обладает большой двигательной си-
Сади Карно
лой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются этому очевидным доказательством...» «Изучение этих машин, — продолжает Карно, — чрезвычайно интересно, так как их значение весьма велико и их распространение растет с каждым днем. По-видимому, им суждено сделать большой переворот в цивилизованном мире». Карно не ошибся, широкое распространение парового двигателя в промышленности и на транспорте преобразило лицо мира, создало капиталистическую цивилизацию.
Задача, которую поставил перед собой Карно, — изучить «получение движения из тепла... с достаточно общей точки зрения». Это первая в истории физики четко сформулированная термодинамическая проблема, и также впервые в истории физики Карно предлагает для решения этой проблемы новый метод, чрезвычайно широкой общности.
«Чтобы рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте, надо его изучить независимо от какого-либо механизма, какого-либо определенного агента; надо провести рассуждения, применимые не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам, каково бы ни было вещество, пушенное в дело, и каким бы образом на него ни производилось воздействие». Это ясная и четкая формулировка термодинамического метода, приложимого к любым системам, независимо от их конкретных физико-химических свойств и удовлетворяющим некоторым общим весьма широким требованиям.
Карно рассматривает идеализированный тепловой двигатель. Он считает, что работа любого теплового двигателя сопровождается не тратой теплорода, а восстановлением его равновесия. Движущаяся сила тепла возникает благодаря переходу тепла от горячего тела к холодному. Карно
258 ГЛАВА V- РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
формулирует следующий важный принцип: «...повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы. Обратно, повсюду, где можно затратить эту силу, возможно образовать разность температур...» Этот принцип Карно представляет собой первую формулировку второго начала термодинамики, которому подчинены все тепловые машины, как двигатели, так и холодильные машины, и действие которого распространяется на все мыслимые термодинамические системы.
Карно ставит задачу, можно ли получить при данной разности температур какое угодно количество движущей силы (т. е. работы), или существует максимальный предел этой силы. Приведенное им рассуждение показывает, что такой предел существует, иначе был бы возможен вечный двигатель. Невозможность вечного двигателя является существенным элементом анализа Карно, фактически он уже опирается на закон сохранения энергии, хотя и говорит о теплороде. Для определения максимальной работы Карно рассматривает некоторый идеальный циклический процесс — цикл Карно. Метод циклов, введенный в термодинамику Карно, оказался в дальнейшем очень полезным для получения определенных термодинамических результатов и получил в современной термодинамике широкое применение. Анализ Карно приводит его к фундаментальному выводу:
«Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете производится перенос теплорода».
На этой теореме Карно и основывается применение метода циклов в термодинамике, вместе с тем она является одной из возможных формулировок второго начала. Сам Карно пытался применить свой метод к вычислению соотношения между теплоемкостями газов, к установлению зависимости давления пара от температуры и т. д. В решении этих классических термодинамических задач ему очень мешала теория теплорода, недостатки которой он сам уже понимал, говоря, что современная теория теплоты «нужно сознаться, не представляется нам теорией непоколебимой твердости». Но результаты, полученные Карно, не зависят от этой теории. Он смог со всей определенностью указать на преимущество машин высокого давления перед машинами низкого давления и высказать идею более экономичного, чем паровые машины, двигателя внутреннего сгорания: «Сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнять работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу...» Эти ясные идеи показывают, что Карно хорошо понимал термодинамические основы теплотехники и рано или поздно он должен был порвать с теорией теплорода. Смерть помешала ему создать основы термодинамики, однако в оставшихся после его смерти бумагах мы находим свидетельство того, что он уже пришел к первому закону термодинамики. В его дневнике, опубликованном его братом, читаем: «Тепло не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила».
«Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря,
ГЛЛВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 259
никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает». Но это есть полная формулировка первого начала термодинамики, закона сохранения энергии (движущей силы — по терминологии Карно). Карно при этом вычислил из современных ему экспериментальных данных механический эквивалент теплоты. Его значение, равное 370 к—, совпа-г	ккал
дает с числом, данным позже Майером.
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Замечательная работа Карно, однако, не привлекла должного внимания физиков, и развитие термодинамики задержалось. Прежде чем физики вернулись к проблемам, поставленным Карно, они должны были открыть великий принцип естествознания: закон сохранения и превращения энергии. Предпосылки для открытия этого закона уже созрели в физике. Открытие тепловых, световых (дуга), химических и магнитных действий тока приводило к идее о всеобщей связи явлений, о единстве и превращаемости сил природы. Как уже говорилось, эта идея была высказана философами-идеалистами Шеллингом и Гегелем, открывшими в извращенной, идеалистической форме объективную диалектику реального мира Выше отмечалось, что идеалистическая форма немецкой натурфилософии и ее враждебное отношение к экспериментальному и математическому естествознанию вызвали враждебное отношение со стороны представителей последнего к философии вообще. Это обстоятельство затруднило, между прочим, публикацию первых работ Майера и Гельмгольца, в которых представители эмпирического естествознания усматривали опасную натурфилософию. Тем не менее идея о всеобщей связи и единстве и неуничтожимости «сил» все более и более укоренялась в умах физиков; одним из первых ее развивал и защищал Фарадей. Возражая против контактной теории возбуждения электрического тока, он писал в январе 1840 г.: «Контактная теория допускает, что сила, способная преодолеть мощное сопротивление, например сопротивление проводников, хороших или дурных, через которые проходит ток..., что эта сила может, будто бы, возникнуть из ничего, что без всякого изменения действующей материи или без расхода какой-либо производящей силы может производиться ток, который будет вечно идти против постоянного сопротивления... Это было бы поистине сотворением силы, и это не похоже ни на какую другую силу в природе. Мы имеем много процессов, при которых форма силы может претерпеть такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так, мы можем превратить химическую силу в электрический ток или ток в химическую силу. Прекрасные опыты Зее-бека и Пельтье показывают взаимную превращаемость теплоты и электричества; а опыты Эрстеда и мои собственные показывают взаимную превращаемость электричества и магнетизма. Но ни в одном случае, даже с электрическим угрем и скатом, нет чистого сотворения силы; нет производства силы без соответствующего израсходования чего-либо, что питает ее».
Это опять-таки почти законченная формулировка закона сохранения «силы», основанная на фактах превращаемости электрической энергии. Контактная теория, согласно которой электрический ток возбуждается одним контактом разнородных тел, противоречит принципу сохранения силы. Если допустить ее справедливость, то, как правильно утверждает Фара-
260 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
Юлиус Роберт Майер
дей, вечное движение также стало бы истиной; и было бы свеем нетрудно с помощью первого попавшегося электрического тока, полученного одним контактом, создать электромагнитный прибор, который по сути дела давал бы механические эффекты вечно».
Существенно,что Фарадей считал и так называемое «животное электричество», как видно из приведенной выше цитаты, подчиняющимся закону сохранения силы. Тем самым он косвенно принял участие в споре, который возник тогда в физиологии между сторонниками так называемой «жизненной силы», регулирующей физико-химические процессы в организме, и их противниками. В истории закона сохранения энергии этот спор имел важное значение. Основатели закона сохранения энергии Р. Майер и Г. Гельмгольц пришли к его открытию в борьбе с концепцией «жизненной силы». Гельмгольц так же, как и Фарадей в контактной теории, увидел, что теория «жизненной силы» в ее логическом развитии приводит к вечному двигателю. Антивиталистом, т. е. противником теории «жизненной силы», был и Майер, который из наблюдения над изменением цвета венозной крови в тропических странах пришел к идее сохранения энергии всюду в природе, в том числе и в живом организме.
Первую свою статью «О количественном и качественном определении сил» Роберт Майер (1814—1878) послал редактору физического журнала «Annalen der Physik und Chemie» Поггендорфу 16 июня 1841 г.
Поггендорф не опубликовал статьи и не ответил автору. Работа Майера оставалась неизвестной физикам вплоть до 1881 г., когда Цельнер опубликовал ее факсимиле. Между тем эта работа содержит весьма интересные идеи. По Майеру, все явления природы обусловлены существованием «разностей», а «силы» действуют в направлении уничтожения этих «разностей». Но так как силы неуиичтожимы, то они должны восстанавливать разности. «Таким образом, принцип, согласно которому раз данные силы количественно неизменны, обеспечивает нам продолжение существования разностей, а значит и материального мира». Закон сохранения энергии («силы», по терминологии Майера) обеспечивает, согласно представлениям Майера, вечный характер ее в природе, движение никогда не прекратится.
Майер еще не владеет точным понятием энергии. Мерой «силы» в случае механического движения он считает здесь ошибочно количество движения пт. Но он делает правильный вывод, что когда сталкиваются при неупругом ударе два тела с одинаковыми и противоположными импульсами, то «нейтрализованное» движение не будет покоем («нулем движения»), оно перейдет в теплоту. Все явления природы суть превращения «сил», т. е. энергии. «Движение, теплота и... электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые измеряются друг
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 261
другом и переходят друг в друга по определенным законам», — утверждает Майер.
В 1842 г. была опубликована в химическом журнале статья Майера «Замечания о силах неживой природы». Здесь Двайер дает следующее определение силам: «Силы суть... неразрушимые, способные к превращениям, невесомые объекты», то есть, силы Майера — это формы энергии. О «невесомости» их Майер говорит, чтобы подчеркнуть их отличие от весомого вещества. Энергию он рассматривает отдельно, независимо от материи. Мы теперь знаем, что и с философской и с чисто физической точки зрения, такое разграничение «сил» и материи неправильно, но тогда оно было необходимым, для того чтобы яснее представить картину энергетических превращений. Майер в конкретных примерах никогда не рассматривал энергетических превращений в чистом виде, самих по себе, а всегда реальные, материальные процессы. В этой статье Майер рассматривает «силу падения», т. е. потенциальную энергию тяжелых тел, «силу движения», т. е. кинетическую энергию (продолжая ее еще ошибочно измерять через то) и теплоту. Статью он заключает вопросом, «как велико соответствующее определенному количеству силы падения или движения количество тепла», т. е. как велик механический эквивалент тепла. Он утверждает, что если принять отноше-
/с У"* и ние теплоемкостей воздуха за 1,421, то этот эквивалент равен 365 — ккил.
В 1845 г. Майер издал отдельной брошюрой «Органическое движение в связи с обменом веществ», в которой вопрос о сохранении и превращении энергии рассматривается в полном объеме. Он рассматривает здесь различные энергетические превращения в неорганической природе, которые подчиняются общему закону: три всех химических и физических процессах данная сила остается постоянной величиной». Термин «данная сила» означает данный запас энергии рассматриваемой системы (очевидно, замкнутой). Майер дает подсчет разности между теплоемкостью газа при постоянном давлении и постоянном объеме (это соотношение теперь называется уравнением Майера) и вычисляет отсюда значение механического эквивалента тепла по измерениям Делароша и Берара в 367 кГм_. Он сводит в одну таблицу рас-смотренные им формы энергии. Вот эта таблица:
I. Сила падения II. Движение
А. Простое
I В. Волнообразное, вибрирующее
III.	g I Тепло
о Магнетизм
IV.	g I Электричество
Е I Гальванический ток I
V.	Химическая разобщенность некоторых веществ Химическая связанность некоторых других вен
Из таблицы видно, что Майер намечает переход механической энергии в тепловую посредством колебательного движения и переход электрической энергии в химическую посредством гальванического тока. Универсальная превратимость «сил» — основная идея Майера. Источником энергетических превращений на Земле является Солнце. Растения аккумулируют солнеч
Механические силы
Механический эффект
Химические силы
262 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
ную энергию. «В жизненном процессе происходит лишь превращение вещества и силы, а отнюдь не их создание». Большую часть своей работы Майер посвящает анализу энергетики физиологических процессов. Он полностью изгоняет флюиды, расчленяющие мир на несвязанные области. Все в мире взаимосвязано энергетическими превращениями. Преобразуется потенциальная энергия в статических машинах (рычаге), она же преобразуется в кинетическую энергию, например в процессе падения, кинетическая энергия при упругом ударе преобразуется в равную ей кинетическую энергию другой формы, преобразуется в потенциальную энергию и обратно, например в маятнике, преобразуется в теплоту при деформациях, ударе, трении. Теплота превращается в механическую энергию в тепловых машинах, передается посредством теплопроводности, превращается в химическую энергию, вызывая химические реакции, и, наоборот, получается из химической энергии (горение). Химическая энергия превращается в гальванический ток, ток создает химическую энергию («разность»). Электричество превращается в теплоту в проводах, в механическую энергию при электрических и магнитных притяжениях, теплота превращается в электричество, в процессе электромагнитной индукции механическая энергия превращается в электрическую, механическая энергия может перейти в химическую и обратно, и т. д. Короче говоря, Майер рассматривает превращения всех известных в его время форм энергии. Он ставит вопрос и об источнике энергии Солнца и пытается решить его с помощью метеоритной гипотезы.
Итак, Майер с большой философской глубиной и полнотой исследовал превращения всех известных в его время форм энергии, нарисовал картину круговорота энергии в природе, включающую в себя живые организмы. Недостатком этой картины является отсутствие точных количественных расчетов (за исключением вычисления механического эквивалента теплоты) и опытных доказательств: она носит качественный характер. Но основные черты этой картины намечены Майером правильно, и его схема превращений только уточнялась и дополнялась в последующем развитии науки, но не опровергалась. К числу недостатков концепции Майера относится также нечеткая терминология («сила» — вместо энергии), неправильная мера движения для механической энергии (сначала mv, потом mv2) и метафизическое противопоставление энергии («сил») материи. Несмотря на эти недостатки, заслуга Майера состоит в том, что он впервые в общей и вместе с тем естественнонаучной форме сформулировал закон сохранения и превращения энергии и показал его всеобщую значимость для естествознания.
Одновременно с Майером английский физик Джоуль (1818—1889) начал экспериментальное исследование превращения энергии. В октябре 1841 г. он опубликовал работу, посвященную вопросу о выделении теплоты гальваническим током, где дал формулу, определяющую зависимость этой теплоты от величины тока. В 1842—1843 гг. эти исследования с большой тщательностью были продолжены петербургским академиком Э. X. Ленцем, установившим точную зависимость между теплотой, выделяемой током, величиной тока и сопротивлением проводника, получившую название закона Джоуля — Ленца. Закон Джоуля — Ленца представляет собой частную форму закона сохранения энергии, относящуюся к необратимому превращению работы электрического тока в теплоту.
В дальнейшем Джоуль решил найти соотношение между механической работой и теплотой, используя сначала превращение механической энергии в электрическую в индукционном аппарате, с последующим превращением
ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 263
электрической энергии в теплоту, согласно закону Джоуля—Ленца. Работа «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла» была доложена им 21 августа 1843 г. Значение механического эквивалента ооо фцнтофцт.
теплоты здесь получилось 838 анг ^ал -(свыше 460 к^,). В последующих сериях опытов, производимых с расширяющимися газами (1845 г.), Джоуль получил значения 779 Финт°фу™- (около 427-'—-'-), 798 ф!'нтоф!'т-- (около 438 ккал ' ’ анг. кал. '	ккал'
Наконец, в работе 1847 г. и особенно в работе 1850 г. Джоуль, разрабатывая свой главный метод определения механического эквивалента теплоты, вошедший во все учебники физики, дает новую оценку механического эквивалента теплоты (773,64 Фунт°Фи,п- или 424,3	). Более поздние его опыты,
в которых механический эквивалент теп
Джемс Прескотт Джоуль
лоты определяется из трения чугуна о
чугун, дали число 774,88	(425 Измерения Джоуля под-
вели прочную экспериментальную базу под закон сохранения и превращения энергии.
В 1847 г., не зная ничего о работах Майера и Джоуля, выступил молодой немецкий врач Герман Гельмгольц (1821—1894) с работой «О сохранении силы». Эту свою работу он, подобно Майеру, послал Поггендорфу для ее опубликования в «Annalen der Physik und Chemie», и она также была отвергнута Поггендорфом. Гельмгольц издал ее отдельной брошюрой. Опираясь на опыт механиков XVIII в., отрицавших возможность «перпетуум мобиле» (вечного двигателя), Гельмгольц ставит своей задачей найти соотношения между
различными силами природы, исключающие возможность вечного двигателя, и приходит к выводу, что такие соотношения получатся, если представить себе природу в виде материальных точек, взаимодействующих с силами, зависящими от расстояния между точками. Тогда справедливо следующее положение: «Во всех случаях движения материальных точек под влиянием их притягательных и отталкивательных сил, интенсивность которых зависит только от расстояния, потеря в количестве силы напряжения всегда равна приращению «живой силы», а приращение первой — потере второй. Следовательно, сумма всех сил и сил напряжения является всегда величиной постоянной».
«Сила напряжения» Гельмгольца — это потенциальная энергия, «живая сила» — это кинетическая энергия, которую Гельмгольц теперь измеряет правильно через % mv2. Таким образом, гипотеза центральных сил приводит Гельмгольца к теореме о сохранении в любой замкнутой физической системе суммы потенциальной и кинетической энергии. Но гипотеза Гельмгольца означает, что основной формой энергии является механическая энергия,
264 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
к которой должны сводиться все другие виды энергии. Позже Гельмгольц понял, что принцип невозможности вечного двигателя обладает большей общностью, чем принцип консервативности центральных сил.
Гельмгольц рассматривает далее конкретные формы энергии. Из механических форм энергии он рассматривает потенциальную энергию гравитирующих (притягивающихся по закону всемирного тяготения) масс, передачу движения в идеальной жидкости и твердых телах, волновое движение в упругих твердых и жидких телах. Сюда он относит и световые волны в соответствии с гипотезой Френеля. «При интерференции двух родов волн не имеется никакого уничтожения «живой силы», а лишь только иное распределение ее», — замечает Гельмгольц. Энергия волн может уменьшаться только в процессах абсорбции, когда она превращается в другие формы, например в теплоту и химическую энергию. Далее Гельмгольц рассматривает явления перехода работы в теплоту и обратно, приводит данные Джоуля о механическом эквиваленте теплоты. При этом он приходит к выводу, что теплота является формой движения: «То, что до сих пор называлось количеством тепла, должно быть... явиться выражением, во-первых, для количества «живой силы» теплового движения, во-вторых, для количества той потенциальной энергии в атомах, которая при изменении их расположения может вызвать подобное движение; первая часть соответствовала бы тому, что до сих пор называется свободной теплотой, вторая тому, что называется скрытой теплотой». Говоря о выделении теплоты при химических процессах, Гельмгольц заключает: «Согласно нашему представлению, возникающее при химических процессах тепло является количеством «живой силы», которая получается из определенного количества работы химических сил притяжения». Поэтому справедлив закон, найденный петербургским академиком Гессом в 1840 г., «что при химическом соединении многих веществ, превращающихся в продукты, всегда выделяется одинаковое количество тепла, в каком бы порядке, через какие бы промежуточные ступени ни происходило бы соединение».
Переходя к электрическим процессам, Гельмгольц находит выражение потенциальной энергии заряженных частиц, конденсатора, показывает энергетическое значение закона Ленца относительно выделения теплоты в проводнике, подробно рассматривает гальваническую цепь и, в частности, возникающие при поляризации элементов противодействующие электродвижущие силы поляризации. При этом он ссылается на исследования этих сил, проведенные русскими учеными Э. X. Ленцем и А. С. Савельевым (1846 г.).
ГЛ A В AV. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА 235
В учебники физики вошел вывод Гельмгольца выражения электродвижущей силы индукции из закона сохранения энергии. Этот вывод основан на исследованиях Э. X. Ленца и Ф. Неймана, относящихся к определению направления и величины индукционной э. д. с. Уже правило Ленца означало, что для создания индукционного тока должна совершаться работа. Гельмгольц вывел величину этой работы из потенциальной энергии магнитного поля магнита, в котором перемещается индукционный контур. Упомянем еще об одном важном результате Гельмгольца. Он впервые указал, что разряд конденсатора должен происходить в форме затухающих электрических колебаний. Справедливость этого утверждения была доказана позже опытами Н. Н. Шиллера и Феддерсена и теоретическими расчетами В. Томсона.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Первая половина XIX в. ознаменовалась важными открытиями: был создан генератор электрического тока и изучены химические, тепловые и магнитные действия тока. Было открыто явление электромагнитной индукции, повлекшее за собой научные и технические последствия огромной важности.
2.	В оптике был открыт принцип интерференции и создана волновая теория интерференции, дифракции и поляризации света, а также кристаллооптических явлений.
3.	Были открыты основные законы газового состояния, разработаны основы- химической атомистики, проведены первые измерения теплоемкостей газов, открыт принцип Карно и законы теплопроводности.
4.	Обобщающим итогом развития физики первой половины XIX в. явилось открытие закона сохранения и превращения энергии. Все эти открытия вели к революционным изменениям в мышлении, приводя, как писал Энгельс в «Анти-Дюринге», «даже самого упрямого эмпирика к осознанию диалектического характера процессов природы» *.
Энгельс особенно отмечал тот факт, что «...теплота перешла прямо в разряд форм движения, которые непосредственно как таковые являются измеримыми» 1 2.
О значении закона сохранения энергии для материалистического миропонимания Энгельс писал там же:
«Если еще десять лет тому назад новооткрытый великий основной закон движения понимался лишь как простой закон сохранения энергии, как простое выражение того, что движение не может быть уничтожено или создано, т. е. понимался только с количественной стороны, то это узкое, отрицательное выражение все более вытесняется положительным выражением в виде закона превращения энергии, где впервые вступает в свои права качественное содержание процесса и стирается последнее воспоминание о внемировом творце. Теперь уже не нужно проповедывать как нечто новое, что количество движения (так называемой энергии) не изменяется, когда оно из кинетической энергии (так называемой механической силы) превращается в электричество, теплоту, потенциальную энергию положения и т. д., и обрапю;
1 Ф. Энгельс, Анти-Дюринг, Госполитиздат, 1957, стр. 12.
2 Там же, стр. 13.
266 ГЛАВА V. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В ПЕРИОД ПОБЕДЫ И УТВЕРЖДЕНИЯ КАПИТАЛИЗМА
мысль эта служит добытой раз навсегда основой гораздо более содержательного отныне исследования самого процесса превращения, того великого основного процесса, в понимании которого находит свое обобщение все познание природы» \
Современное развитие физики подтверждает правоту Энгельса: превращение движущейся материи в форме так называемых «элементарных частиц», является центральным пунктом исследования современной физики.
Таким образом, развитие физики в первой половинеХ1Х в. явилосьодной из предпосылок возникновения высшей формы научного мировоззрения: диалектического материализма.
1 Ф. Энгельс, Анти-Дюринг, Госполитиздат, 1957, стр. 13.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
(1871 — 1917)
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА
(1871 — 1900)
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРИОДА
Значительное развитие техники и вызванный ею громадный рост производительных сил общества привели к концу XIX в. к глубоким изменениям в характере развития капиталистического производства Об этом В. И. Ленин писал: «Капиталистическое производство развивается скачками и порывами. То «блестящий» расцвет промышленности, то крах, кризис, безработица» *.
Начало перерождения капитализма в империализм ознаменовалось жестоким мировым кризисом 1873 г , разорившим большинство мелких предпринимателей и открывшим путь к формированию крупных монополистических объединений.
Отмеченные Лениным характерные черты империализма — концентрация производства и капитала; слияние банковского капитала с промышленным; вывоз капитала вместо вывоза товаров; образование международных монополистических объединений; окончание территориального раздела — не могли не сказаться на развитии техники.
В условиях империализма, с одной стороны, создаются условия для более быстрого, более интенсивного развития техники, а, с другой стороны, все сильнее проявляются факторы, задерживающие развитие техники.
Рост техники стимулировался необходимостью изыскания технических методов, способных удовлетворить все возрастающее потребление металла, горючего, энергии. Увеличение выпуска продукции достигалось различными путями в угольной промышленности преимущественно за счет интенсификации труда рабочих; в нефтяной промышленности за счет захвата нефтеносных земель в колониальных и отсталых странах; в машиностроении путем специализации, перехода от единичного выпуска продукции к серийному, а позднее и к массовому, при которых капиталистическая «рационализация» выжимает из рабочего все силы.
Большое значение в повышении производительности труда оказало привлечение электрической энергии к промышленному производству.
Таким образом, техническое оснащение заводов и фабрик, новые машины и технологические процессы, основанные на познанных законах природы, — создавали предпосылки быстрого роста производительных сил.
1 В. И. Ленин, Сочинения, т. 19, Госполитиздат, 1948, стр. 253.
268 ГЛАВА VI. техника периода империализма и первой мировой войны
Но общественные законы развития капиталистического общества, углубляющееся противоречие между становящимся все более и более общественным способом производства и частной формой присвоения продукта, создавали условия, тормозящие развитие техники.
Возможности технического прогресса начинали перерастать условия капиталистического общества.
Это перерастание сказывалось на каждом шагу. Стремление к максимальной прибыли приводило к отбору для реализации тех только изобретений и усовершенствований, которые приносят наибольшую прибыль. Изобретения, направленные на улучшение условий жизни широких слоев общества, не реализовывались, если они не приносили желаемого процента прибыли.
Один из американских общественных деятелей писал: «Есть бесчисленное количество изобретений, которые, если бы их пустить в дело, могли бы значительно удешевить продукцию. Их умышленно задерживают, чтобы устранить конкуренцию. Концерны, пользующиеся старыми изобретениями, за которые они в свое время дорого заплатили и для которых они приспособили свои заводы, скупают новые, более дешевые методы для того, чтобы помешать конкурентам воспользоваться ими, и прячут их навсегда в свои сейфы».
В системе ряда монополий организовывались специальные отделы, на которые возлагалась обязанность скупать и омертвлять патенты, реализация которых была бы невыгодна для этих монополий.
В 1912 г. в статье, связанной с обсуждением в печати проекта туннеля под Ла-Маншем, Ленин писал о невозможности использования достижений науки и техники в капиталистических условиях. Ленин писал, что капитализм «...накопил груды богатства — и сделал людей рабами этого богатства. Он разрешил сложнейшие вопросы техники — и застопорил проведение в жизнь технических улучшений из-за нищеты и темноты миллионов населения, из-за тупой скаредности горстки миллионеров»1.
Характерной особенностью возникновения империализма является крупное железнодорожное строительство, особенно в колониальных и полуколониальных странах, откуда выкачивались колоссальные богатства.
Значительное количество техники, причем наиболее новой и производительной техники стало использоваться для производства сложного и дорогостоящего вооружения. Окончание территориального раздела между крупнейшими капиталистическими государствами рассматривалось как повод к переделу, к перераспределению, возможному только путем войны.
Лучшие научно-технические силы, первоклассные заводы, последние достижения пауки и техники направляются на производство средств разрушения и уничтожения, громадная доля общественного труда омертвляется, затрачиваясь на производство громадной массы продукции, которая не является ни продуктом потребления, ни средством производства, а только, в лучшем случае, непроизводительной потерей для общества и, в худшем случае, •— средством убийства и разрушения.
Так, вместе с возникновением империализма возникали противоречивые условия развития техники, приведшие в наше время империалистические государства в тупик, могущий разрешиться в конечном счете только победой социалистических общественных отношений.
1 В. И. Лени и, Сочинения т. 19, Госполитиздат, 1948, стр. 349
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 269
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Укрупнение заводов и фабрик, вызванное капиталистической концентрацией производства, все острее и острее ставило вопрос об энергоснабжении промышленных предприятий. Это снабжение сначала осуществлялось подвозом местного топлива, но по мере роста предприятий и истощения
местных топливных ресурсов приходилось транспортировать топливо из отдаленных районов, и в стоимости топлива значительную долю стала играть стоимость его перевозки.
Так возник разрыв между потребителями энергии — заводами и фабриками, выросшими в зоне потребления их продукта или в зоне производствен-
ного сырья — и энергетическими ресурсами в виде двух основных источников
энергии природы: топлива, сконцентрированного в угольных месторождениях, и водной энергии речных потоков. С возникновением этого разрыва возникла и проблема его ликвидации, проблема транспорта энергии, передачи ее на далекие расстояния.
Одновременно укрупнение заводов и фабрик ставило другую проблему — проблему распределения механической энергии от одного двигателя на многочисленные станки, насчитывающиеся в крупных промышленных предприятиях сотнями. Задача решалась удовлетворительно путем устройства трансмиссионных механических передач только до некоторого количественного предела, после которого значительная доля энергии тратилась на потерн от трения в широко развитой трансмиссионной системе. Возникла проблема про-
Фиг. 6—1.	Принципиальная
схема энергораспределения с применением промежуточного энергоносителя (вода, воздух, электричество):
1 — первичный двигатель; 2 — генератор вторичной энергии; 3 — аккумулятор вторичной энергии; 4 — линия передачи; 5 — распределительная сеть; 6— вторичные двигатели:
7 — орудия.
мышленного привода.
Эти проблемы не только возникли, но и решались параллельно, поскольку в основе каждой из них заключено одно и то же техническое содержание:
передача энергии, отличающееся в каждой отдельной проблеме дополнительными условиями -— дальность для первой и гибкость для второй проблемы.
До возникновения этих проблем и до их разрешения передача энергии
на дальние расстояния решалась транспортом топлива как емкого аккумулятора энергии, а задача промышленного привода — передачей механической энергии. Другие виды энергии для передач и привода не
привлекались.
Привлечение других видов энергии для решения задачи энергоснабжения и промышленного привода началось в рассматриваемый .период в форме использования в качестве передающей энергии — механической энергии жидкостей и газов.
Принципиальная схема подобной возможности представлена на фигуре 6—1. Двигатель 1, развивая механическую энергию за счет первичной энергии природы (топлива, движущейся воды), передает ее генератору вторичной энергии, где эта механическая энергия получает потенциальную форму в виде столба воды или сжатого воздуха. Практически это означает работу теплового или гидравлического двигателя на насос или компрессор 2.
270 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Далее носитель вторичной энергии — вода—под напором, постоянство которого поддерживается в резервуаре водонапорной башни 3, или сжатый воздух, постоянство давления которого поддерживается емкостным аккумулятором — резервуаром сжатого воздуха 3, распределяется по магистральным трубам 4 в водяную или воздушную сеть 5, из которой поступает в водяные или воздушные двигатели 6, индивидуально или по группам приводящие в движение технологические машины — станки 7.
Таким образом, между первичным двигателем 1 и станками 7, между которыми в схеме ЛАаркса, характерной для периода утверждения капитализма, была только механическая система твердых тел — трансмиссия, теперь возникла сложная система вторичной энергетики со своими генераторами 2, аккумуляторами 3, передаточными системами 4 и 5, двигателями 6.
Найденное принципиальное решение с введением вторичной энергетики в практике использования механической энергии воды под напором и сжатого воздуха оказалось неспособным полностью разрешить возникавшую и обострявшуюся проблему передачи и привода. Наивысшие достижения в этой области: Лондонская гидропередача (1884 г.) энергии на 2200 гидравлических двигателей по сети труб длиной около 112 км под напором на выходе из насосов в 50—80 ат\ Парижская пневматическая передача (1897 г.), с мощностью первичной установки в 2000 л. с., давлением 6ат и протяженностью сети до 1 км. II при этих данных значительная доля энергии терялась на сопротивление движению по трубам. Очевидно, что для решения передачи энергии на далекие расстояния и для распределения ее с минимумом потерь нужна была другая, более удобная и эффективная вторичная энергия.
Такой энергией оказалась электрическая энергия.
Обратимость электрических машин, отчетливо проявившаяся в машине Грамма, заключала в себе возможность, впервые продемонстрированную в 1873 г. на Венской международной выставке французом Фонтеном. Две одинаковые машины Грамма Фонтен соединил проводами длиной в 1 км. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Здесь впервые между первичным двигателем внутреннего сгорания и насосом как потребителем энергии была включена система электрической вторичной энергии с генератором, двигателем и передачей на расстояние в 1 км.
Годом позднее, в 1874 г., русский артиллерийский офицер Ф. А. Пироп-кий организовал опыты по передаче энергии на расстояние при помощи электрического тока, описанные в его статье «О передаче работы воды как движителя на всякое расстояние посредством гальванического тока», опубликованной в «Инженерном журнале».
Убедившись, что потери энергии в проводнике пропорциональны его длине и обратно пропорциональны площади его поперечного сечения, Пироцкий сделал вывод (как и другие исследователи), что передавать электрическую энергию на дальние расстояния можно только по проводникам большого поперечного сечения. В качестве таких уже готовых проводников Пироцкий безуспешно пробовал использовать железнодорожные рельсы.
Принципиальное решение о возможности передачи электрической энергии на большое расстояние было сделано одновременно, но неза-
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 271
Фиг. 6—2. Электрическая свеча П. Н. Яблочкова.
висимо друг от друга, французским академиком Марселем Депре и русским профессором физики Д. А. Лачиновым.
В 1880 г. в протоколах Парижской Академии наук был опубликован доклад Депре, в котором он доказывал, что к. п. д. электродвигателя вместе с линией не зависит от сопротивления самой линии, хотя причины этого явления были ему еще неясны.
В 1880 г. Д. А. Лачинов опубликовал в журнале «Электричество» статью «Электромеханическая работа», в которой показал, что независимость к. п. д. от расстояния передачи справедлива только при условии увеличения скорости вращения генератора, т. е. при повышении напряжения тока в линии, пропорционально корню квадратному из увеличения расстояния, и соответственно сопротивления линии.
В 1882 г. Депре осуществил исторический опыт передачи энергии электрическим током на расстояние 57 км от Мисбаха к Мюнхену (в Германии). Передаваемая мощность составляла всего 3 л. с.; напряжение на зажимах генератора достигало 1500—2000 в; к. п. д. не превосходил 25%. Низкий к. п. д. передачи привел многих ученых и инженеров к выводу, что передача энергии при помощи электрического тока принципиально не может иметь к. п. д. выше 50%.
Опыты Депре были повторены в Париже с тем же оборудованием и длиной провода в 15 км и дали к. п. д. 48%. Позднее, для учета реальных условий была сооружена опытная передача Визель — Гренобль, испытанная в 1883 г. Па расстояние в 14 км передавалась мощность в 11,5 л. с. и был достигнут к. п. д. 62%. В 1885 г. масштаб опытов был расширен. Мощность в 50 л. с. передавалась между Крей-
лем и Парижем на расстояние 56 км при напряжении до 6000 в, получаемом от специально построенных машин; достигнутый к. п. д. был 45%.
Несколько позднее Фонтен показал на опыте, что, соединяя последовательно с целью получения высокого напряжения несколько генераторов тока, можно при таких же условиях получить к. п. д. до 82%.
Высокую оценку опытам по передаче энергии электрическим током на далекие расстояния дали Маркс и Энгельс, усматривавшие в этих опытах не только возможность использования отдаленных энергетических ресурсов, но и связанные с этой возможностью социальные изменения (см. стр. 405).
Но до этого технике передачи электрической энергии па расстояние нужно было еще пройти не малый путь развития.
На этом пути значительную роль сыграло развитие электрического освещения.
В 1875 г. П. Н. Яблочков радикальным образом решил задачу регулирования дуговых ламп, показав, что регулирование становится совершенно ненужным, если расположить угли параллельно, разместив между ними изолирующий слой, выгорающий по мере сгорания «электрической свечи», как стала называться предложенная им электрическая лампа (фиг. 6—2).
272 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Однако свеча Яблочкова, сделавшая его имя известным всему миру, была не главным в деятельности изобретателя. Большим значением в развитии электротехники явился тот факт, что свеча явилась первым потребителем переменного тока, который для нее удобнее применять, чем постоянный, потому что при переменном токе скорость выгорания углей одинакова и не нужно придавать им разное сечение.
Фиг. 6—3. Схема «дробления электрического света» II. Н. Яблочкова: А — прерыватель; В — индукционные катушки; С— электрические свечи.
Фиг. 6—4. Схема распределения энергии, показанная И. Ф. Усагиным (1882 г.):
1 — генератор переменного тока; 2— катушки-трансформаторы; 3—электрические свечи;
4 — дуговая лампа Ренье; 5 — нагревательный прибор; 6 — электродвигатель.
Переменный ток позволил Яблочкову найти решение «дробления света», т. е. питания нескольких осветительных приборов от одного источника тока. Это решение хорошо и наглядно представлено в патенте Яблочкова (фиг. 6—3). Потребители энергии — «свечи» С присоединены к питающей линии не непосредственно, а через индукционные катушки В. Поэтому изменение режима любой свечи никак не отражается на режиме другой, питающейся индуктированным в другой катушке током. Но для работы катушек нужен либо пульсирующий ток (установка прерывателя, как это сделано у изобретателя катушки Румкорфа), либо переменный ток.
Таким образом, в схеме «дробления электрического света» Яблочкова заключены все необходимые элементы будущих электрических систем: генератор, трансформаторы тока (катушки), сеть, потребители. Не случайно поэтому, что именно Яблочкову принадлежат слова о том, что электричество будут вырабатывать на особых «фабриках» и распреде-1 лять по домам, как водопровод распределяет воду.
Введение переменного тока в практику указывало на возможность ис-
пользования трансформаторов для получения высоких напряжений, которые невозможно получать непосредственно в обмотках генератора. А повышение напряжения в линии электропередачи означает увеличение ее дальности.
Особенно эффектной была демонстрация возможностей электрической энергии в системе переменного тока, проведенная в 1882 г. во время Московской промышленной выставки лаборантом Московского университета II. Ф. Усагиным. В цепи переменного тока (фиг. 6—4), питаемой от генератора 1, Усагин через индукционные катушки 2 включил различные потреби
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 273
тели тока, дающие различный эффект: электрический двигатель 6, электронагреватель 5, дуговую лампу с регулятором 4 и четыре «свечи» Яблочкова 3. Так, развитие электрического освещения
и опыты передачи энергии на расстояние выдвинули проблему трансформатора, которая была разрешена усилиями ряда ученых и техников.
В 1882 г. был запатентован трансформатор Голяром и Гиббсом, названный ими «вторичным генератором», позволивший в 1884 г. передавать на Туринской выставке мощность на расстояние 40 км при напряжении 2000 в.
Фиг. 6—5, Первые лампы накаливания А. Н. Лодыгина (1872 г.).
Фиг. 6—6. Электрическая лампа накаливания Эдисона (1879 г.).
В 1884 г. англичане братья Гопкинсоны предложили трансформатор с замкнутой магнитной системой, повысившей к.п.д. трансформатора.
В 1885 г. венгерские электрики Блати, Дери и Циперневский разработали несколько модификаций экономичных трансформаторов.
В конце 80-х годов Свинберн ввел масляное охлаждение трансформаторов.
Таким образом, к 90-м годам сложились условия для постройки линий дальних передач при помощи электричества. Однако к этому времени освещение являлось уже не единственным потребителем электрической энергии. Все насущнее становится проблема электрического привода, для которого однофазный переменный ток оказался неприемлемым.
Пока решалась задача привода, практические применения электричества продолжали развиваться.
В области электрического освещения произошел решительный поворот от дуговых ламп к лампам накаливания. Развивая идеи своих предшественников Грове, Гебеля, Свана, А. Н. Лодыгин в 1873 г. демонстрировал в Петербурге свои лампы накаливания (фиг. 6—5),
за которые Академия наук присудила ему в 1874 г. Ломоносовскую премию. В 1879 г. в США Эдисон запатентовал лампу накаливания (фиг. 6—6) с обугленной бамбуковой нитью, способную выдерживать несколько сотен
10 п. С. Кудрявцев
274 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ

Фиг. 6—7. Электрическая железная дорога В. Сименса (1879 г.).
часов непрерывного горения. В конце XIX в. Лодыгин предложил и запатентовал лампу накаливания с вольфрамовой нитью накала, продемонстрированную им на Парижской всемирной выставке в 1900 г.
Электрическая энергия стала применяться на транспорте. Уже упоминавшийся Ф. А. Пироцкий впервые в России в 1880 г. продемонстрировал первый вагон конно-железной городской дороги, движимый электрической энергией. В 1879 г. в Берлине на Промышленной выставке была построена демонстрационная электрическая железная дорога Сименса (фиг. 6—7). В этом же году в г. Брейль во Франции была пущена внутризаводская линия длиною около 2 км на электрической тяге. С 80-х годов в Западной Европе и США началось строительство трамвайных линий. В России первый трамвай был открыт в Киеве в 1892 г., заменив паровую тягу.
Электрическая энергия начала внедряться в производственные технологические процессы. В 1886 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос запатентовал изобретенный им ранее способ дуговой электросварки при помощи угольного электрода, названный им «электрогефест». В 1891 г. горный инженер Н. Г. Славянов разработал другой способ электросварки — с металлическими электродами, соединенными со специально построенным генератором тока (фиг. 6—8).
Электродвигатели постоянного тока с их удобными пусковыми и рабочими характеристиками все шире и шире применялись для привода разнообразных рабочих машин.
Таким образом, к 80-м годам XIX в. сложилось в развитии электротехники своеобразное кризисное положение, когда передача энергии на расстоя
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 275
ние могла успешно разрешаться при помощи однофазного переменного тока, а привод технологических машин при помощи постоянного тока. Общего решения задачи о передаче энергии на расстояние и использовании ее для целей промышленного привода не было.
Это решение было найдено М. О. Доливо-Добровольским на основе работ его предшественников, открывших явление вращающегося магнитного поля: итальянца Г. Феррариса и серба II Тесла.
В 1888 г. Феррарис сообщил Туринской Академии наук о сделанном им в 1885 г. открытии, заключавшемся в том. что если две перпендикулярно расположенные катушки питать двумя переменными однофазными токами со сдвигом по фазе 90°, то можно получить вращающееся магнитное поле, способное увлекать за собою ротор, т. е. осуществить режим электрического двигателя.
Феррарис построил двухфазный электродвигатель переменного тока, но при его конструировании допустил некоторые ошибки, которые привели не только к низкому к. п. д. двигателя, но и к принципиальной ошибке автора, решившего, что такой двигатель теоретически не может иметь к. п д. больше 50%.
Тесла построил систему из двухфазного генератора и двухфазного двигателя, которая оказалась более эффективной, чем предложение Феррариса, и получила некоторое распространение. В частности, двухфазная система была принята на Ниагарской гидроэлектростанции в США.
Существенным недостатком двухфазной системы переменного тока являлась необходимость устраивать линию передачи из четырех проводов вместо двух у однофазной системы.
Ю'
Фиг. 6—7а. Первый киевский паровой трамвай.
276 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Фиг. 6—8. Электрогенератор Н. Г. Славянова для сварки током. (Государственный Политехнический музей. Москва.)
Доливо-Добровольский, исследовав различные системы обмоток машин постоянного тока, пришел к заключению об эффекте трех ответвлений от трех равноотстоящих точек, дающем ток с тремя фазами, сдвинутыми под углом 120°. Трехфазный ток, как и двухфазный, дал возможность получить вращающееся магнитное поле. Используя эту возможность, Доливо-Добровольский весной 1889 г. построил трехфазный двигатель, показавший при испытании удовлетворительные результаты. В исключительно короткий срок им был также разработан трехфазный генератор и трехфазный трансформатор.
В 1891 г. на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне Доливо-Добровольский продемонстрировал в действии завершенную систему трехфазного тока, разрешавшую комплексную проблему электропередачи и электропривода и закладывавшую основы современной электротехники. Энергия водопада на р. Неккар около местечка Лау-фен передавалась на территорию выставки во Франкфурт на расстояние 170 км. Гидравлическая турбина в Лауфене приводила в действие генератор переменного трехфазного тока мощностью 230 кет с напряжением 95 в. От этого генератора ток поступал в повышающий трансформатор, где его напряжение повышалось до 15 000 в, и проходил по линии длиной 170 км в понижающий трансформатор, где напряжение понижалось до 65 в, и поступал в осветительную сеть выставки, где его потребляли 1000 ламп накаливания Кроме того, ток питал трехфазный двигатель (фиг. 6—9), расположенный в выставочном павильоне.
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 277
К. п. д. передачи Лауфен — Франкфурт колебался в пределах от 68,5% до 75,5%, а при специальных испытаниях с повышением напряжения в линии передачи до 25 100 в достиг величины 78,9%.
Так, в рассматриваемый период от 1870 до 1900 г. сложилась электроэнергетика, заложив основы электрификации народного хозяйства как технической основы для построения материальной базы социалистического общества, так и основы все углубляющегося кризиса капиталистических производственных отношений.
РАЗВИТИЕ ПЕРВИЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Сложившиеся конструктивные формы первичных агрегатов теплоэнергетики — паровых котлов—продолжали развиваться по линии повышения производительности и котельного давления; глубокие принципиальные изменения в котлостроении произошли уже только в XX в. Для последней трети XIX в. характерно развитие двух основных типов котельных агрегатов: «вертикальные» и «горизонтальные» водотрубные паровые котлы (фиг. 6—10).
Для «горизонтальных» котлов в этот период характерен переход к секционным котлам, у которых камеры разделялись на секции, в каждую из от двух и более труб. Типичным котлом за рубежом и в России широкое распространение, явился котел фирмы «Бабкок и Виль-кокс». Имя авторов этого котла скрыто за маркой фирмы, по данным которой работа по постепенному совершенствованию конструкции котла длилась много лет и имела 20 периодов развития котла.
Другим представителем секционных котлов явился котел В. Г. Шухова (фиг. 6—11). Каждая секция этого котла представляла короткий барабан, в стенку которого вваль-цовывалось от 19 до 21 труб (фиг. 6—12). Съемные крышки барабанов давали легкий доступ сразу к целому пучку труб. Шухов нашел оригинальный способ соединения отдельных секций на болтах, что делало котел его конструкции разборным и удобным для перевозки.
Наиболее распространенными «вертикальными» котлами были котлы Стирлинга (фиг. 6—13) с изогнутыми и Гарбе (фиг. 6—14) с прямыми трубами. В судовых установках, кроме шотландских котлов (гл. IV), распрост-
Фиг. 6—9. Трехфазный двигатель М. О. Доливо - Добровольского (1891 г.). (Государственный Политехнический музей. Москва.)
которых ввальцовывалось такого вида, получившим
Фиг. 6—10. Принципиальные конструктивные схемы водотрубных паровых котлов: а — «горизонтальный»; 6 — «вертикальный».
278 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Фиг. 6—И. Схема водотрубного секционного котла В Г. Шухова:
7 — топка; 2 — барабан; 3 — коллекторы — секции с ввальцованными в них пучками труб; 4— паро-перегреватель; 5— заслонка, регулирующая температуру перегрева путем пропуска части топочных газов мимо пароперегревателя.
Стрелками показан путь топочных газов.
ранились водотрубные котлы с тремя барабанами, соединенными пучками прямых (Ярроу) или изогнутых (Торникрофт и др.) труб (фиг. 6—15') с расположением топки внутри шатра, образуемого пучками труб.
Кроме показанных наиболее эффективных типов паровых котлов конца XIX в., условия капиталистической конкуренции выдвинули громадное разнообразие котлов, отличающихся иногда только какой-либо малосущественной деталью, позволявшей фирме обойти патент другой фирмы, разработавшей более удачную конструкцию котла. Фирменные секреты исключали обмен опытом работы, теория котла была в зачаточном состоянии, в наиболее развитых капиталистических странах с кафедр технических вузов рекламировались достоинства конструкций той фирмы, которая финансировала данный вуз. В этом отношении отстававшая Россия предоставляла
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 279
больше творческих возможностей работникам высшей школы и практики и поэтому не удивителен тот факт, что в нашей стране были сделаны существенные вклады в теорию и практику котлостроения.
Специфические условия России, богатой ресурсами жидкого топлива, предопределили решение задачи о его сжигании в промышленных условиях. Еще в 1867 г. А. И. Шпаковский разработал метод сжигания жидкого топлива в мелко распыленном состоянии, применив его в котле сконструированной им пожарной лодки «Русская». 80-е годы ознаменовались целой серией форсунок для разнообразных условий сжигания жидкого топлива. Замечательная форсунка Шухова и поныне находящаяся в эксплуатации, форсунка Данилина с внутренним подводом распыливающего пара, форсунка Ленца с плоским факелом горения, форсунка Береснева с плоским факелом, действующим на все 360°, бесшумная форсунка Иванова, механическая форсунка Тентелевского завода, как писал инженер Гулишамбаров, означали, что «... в деле нефтяного отопления Россия далеко оставила за собою все остальные государства и наши приборы для этой цели постоянно служат предметом удивления американцев, приезжающих в Баку».
В этот же период в России стали зарождаться наиболее прогрессивные идеи в котлостроении, некоторые из них были осуществлены в большом масштабе только в советское время. Так, В. Г. Шухов впервые предложил экранирование топок, а Г. Ф. Депп — пылеугольное отопление. И го и другое широко применяется лишь в наши дни.
Особенного внимания заслуживает стремление русских ученых исследовать «физику котла», рассматривать котел как «сложный физический при-
Фиг. 6—12. Водотрубный секционный котел В. Г. Шухова. (Макет. Государственный Политехнический музей. Москва.)
2f0 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Фиг. 6—13. Водотрубный котел Стирлинга с изогнутыми трубками-
I — топка; 2 — отражательный свод; 3— пароперегреватель. Стрелками показан путь топочных газов.
бор». Эти стремления позднее, уже в советский период, вылились в передовую школу теплового моделирования.
Параллельно с развитием паровых котлов складывались реальные предпосылки к становлению нового теплового двигателя — паровой турбины. Возможность получения механической энергии за счет работы струи пара пытались реализовать уже давно, но безуспешно. Причина этого стала понятной, когда в 1839 г. Сан-Венан исследовал истечение струи пара и нашел, что пар движется со скоростью сотен метров в секунду. Опыт эксплуатации и теории водяных турбин, в которых так же используется энергия движения, показал, что для получения наибольшего эффекта необходимо, чтобы лопатка турбины двигалась со скоростью, равной половине скорости струи жидкости или пара.
§ I. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 281
Фиг. Ь—14. Водотрубный котел Гарбе с прямыми трубками:
1 — механическая цепная топка; 2 — отражательные своды; «3— пароперегреватель; 4 — регулирующая заслонка. Стрелками показан путь топочных газов.
При громадных скоростях движения пара оказалось, что для эффективной работы необходимо придать ротору турбины свыше 6000 об/мин.
Из этих соотношений стало очевидно, что, во-первых, паровая турбина— двигатель быстроходный по своей природе и, во-вторых, что освоение турбины — это освоение техники высоких скоростей.
Предпосылкой практического внедрения паровой турбины могло явиться и в действительности явилось возникновение машин-орудий с высоким числом оборотов. К ранним быстроходным машинам-орудиям относятся дисковые пилы, для привода которых стали применять примитивные турбины в форме сегнерова колеса. Большой расход пара в этих турбинах компенсировался использованием отбросного топлива деревообделочных заводов, где применялись дисковые пилы.
Большой вклад в дело возникновения и начального развития паровой турбины был сделан шведским инженером Лавалем. Лаваль изобрел сепа-
282 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Ф«г. 6—15. Судовые водотрубные котлы шатрового типа (без обмуровки, перед отгрузкой с котлостроительного завода).
ратор для отделения сливок от молока, требовавший 6—7 тысяч оборотов в минуту, и сконструировал для его привода одновенечную активную турбину (фиг. 6—16). В этой небольшой турбине Лаваль решил ряд важнейших задач турбостроения. Он изобрел расширяющееся сопло, дающее возможность превращать энергию давления пара в энергию скорости. Он сконструировал рабочий диск турбины так, что при его вращении он не только сопротивлялся разрывающим его громадным силам инерции, но напряжение материала диска было постоянным при любом удалении от центра вращения. Он дал смелое решение, построив свою турбину с гибким валом, прогибающимся от веса диска во время покоя турбины, и на опыте подтвердил свою гипотезу о том, что при быстром вращении гибкий вал становится прямым. Он устроил шаровые опоры под подшипники гибкого вала, чтобы не мешать свободному изменению его прогиба при изменении числа оборотов. Он построил к своей турбине редуктор — систему шестерен для уменьшения числа оборотов. Он впервые начал вводить специальные сплавы для лопаток турбин, испытывающих громадные силовые и тепловые нагрузки.
Решив эти проблемы для частного случая небольшой одновенечной турбины с громадным числом оборотов, Лаваль поставил эти проблемы для всего последующего турбостроения, и многие ученые, в том числе известный турбостроитель чешский профессор А. Стодола, работали над теоретическими обоснованиями частных решений Лаваля.
По-другому работал над проблемой паровой турбины английский инженер Ч. Парсонс. В 1884 г. он впервые соединил свою реактивную многоступенчатую турбину (фиг. 6—17) с валом электрического генератора, положив этим начало основному агрегату крупнейших электростанций — турбогенератору. Он же впервые заменил судовую паровую машину турбиной на небольшом быстроходном судне «Турбиния».
К концу XIX в. завод Парсонса освоил выпуск надежных в эксплуатации турбин, и 1899 г. явился поворотным в вопросе внедрения нового двигателя. В этом году были установлены и испытаны две паровые турбины на
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 283
Фиг. 6—16. Схема работы активной одновенечной турбины Лаваля:
/ — вал турбины; 2 — рабочие лопатки турбинного колеса; 3, 4, 5 сопла; 6 — выход пара с рабочих лопаток.
электростанции в г. Эльберфельде (Германия) для привода генераторов трехфазного тока. Несмотря на то, что по расходу пара эти турбины мощностью по 1000 л. с. каждая еще отставали от поршневых паровых машин, по всем другим показателям они зарекомендовали себя как наиболее удобный и экономичный для станций в целом двигатель для привода быстроходных генераторов электрического тока. Так началась главная область использования паровых турбин, остающаяся главной и в технике нашего времени.
К концу XIX в. паровые турбины начали строить в Германии, Швейцарии, Франции, США и в Австро-Венгрии (на заводах Шкода в г. Брно, ныне Чехословакия).
Так в XIX в. было положено начало последующему громадному росту турбиностроения, этого сложного производства, характеризующего техническую зрелость страны.
Существенный сдвиг произошел в конце XIX в. ив развитии двигателей внутреннего сгорания, обусловленный на этот раз не столько требованиями практики,сколько развитием теории тепловых двигателей.
Согласно выводам этой теории, сделанным еще в 1824 г. французским инженером Сади Карно, существует такой цикл работы тепловых двигателей, такая очередность отдельных процессов, составляющих цикл, и такое их течение, при которых двигатель будет наиболее экономичным. Трудно достижимый
на практике цикл этот, получивший наименование цикла карно, стал эталоном экономичности двигателя, теоретическим пределом возможностей, предоставляемых природой в распоряжение техники.
К концу XIX в. в связи с ростом техники машиностроения создалась возможность реализации на практике цикла Карно с его высокими давлениями и температурами. Эта возможность была оценена немецким инженером Р. Дизелем^ Зная низкий к. п. д. парового двигателя того времени (8%— 12%), Дизель в небольшом исследовании «Теория и конструкция рационального теплового двигателя», опубликованном в 1893 г., решительно поставил задачу о практическом осуществлении двигателя, работающего по циклу Карно.
Работа Дизеля заинтересовала фирму Круппа, которая стала финансировать постройку опытных образцов двигателя. Первый из них был готов в 1893 г.
Испытание первого двигателя показало необходимость многое изменить, от многого отказаться. Дизелю не удалось осуществить свою идею о сжигании в полости цилиндра двигателя распыленного каменного угля, которая возникла у него в связи с отсутствием на территории Германии ресурсов жидкого топлива. Затем пришлось ввести охлаждение стенок цилиндра водой, так как процесс преобразования теплоты в работу оказался далеко
284 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Фиг. 6—17. Один из первых турбогенераторов Парсонса.
Справа электрогенератор с высокими электромагнитами; слева турбина со снятой крышкой.
не таким полным, как рассчитывал Дизель. Но главное расхождение теории с практикой обнаружилось в том, что цикл Карно, являясь самым экономичным, по природе своей дает небольшую работу на единицу рабочего объема цилиндра, едва достаточную для того только, чтобы осуществить холостой ход двигателя.
К 1896 г. в работе опытного двигателя (фиг. 6—18) от цикла Карно осталось только высокое сжатие. Осуществляемое более упрощенным способом, чем в теоретическом цикле, но более приемлемым в практических условиях, высокое сжатие сыграло свою роль в повышении к. п. д. двигателя Дизеля. Уже в 1897 г. был достигнут к. п. д. 25%—больший, чем у других видов тепловых двигателей того времени, а через десятилетие к. п. д. «дизеля», как стали называть этот двигатель, достиг 35%.
В области развития двигателей высокого сжатия — дизелей, как и в области развития паровых турбин, в XIX в. закончился подготовительный период, ставший отправной базой их быстрого прогресса в XX в.
Конец XIX в. ознаменовался возникновением четвертого типа тепловых двигателей — газовой турбины. Возможность построения такого двигателя привлекала внимание ученых и инженеров, поскольку газовая турбина совмещала ряд положительных качеств уже освоенных тепловых двигателей.
	Пар	Газ
Поршень	паровая машина	двигатель внутреннего сгорания
Ротор	паровая турбина	газовая турбина
Приведенная таблица показывает основы классификации тепловых двигателей по двум основным признакам: по рабочему веществу (пар, газ) и
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 285
по принципу передачи энергии от рабочего вещества воспринимающим эту энергию деталям двигателя (поршень, воспринимающий потенциальную
Фиг. 6—18. Опытный двигатель Р. Цизеля: в разрезе:
1 — цилиндр; 2 — полости водяной рубашки; 3 — компрессор; 4 — пусковой баллон сжатого воздуха; 5 — форсунка для впрыскивания горючего в полость двигателя; 6 — валик с кулачками, управляющей форсункой и клапаном 7, через который засасывался воздух и удалялись продукты сгорания.
энергию давления; ротор с лопатками, воспринимающими кинетическую энергию скорости).
Паровые двигатели существенно усложняются и удорожаются необходимостью сооружать для них генератор пара — паровой котел. Поршневые двигатели с возвратно-поступательно движущимися частями ограничены по быстроходности, особенно при возрастании мощности
Фиг. 6—19. Газопарород П. Д. Кузьминского:
1 — место расположения топливной форсунки; 2 — место расположения факела горения; 3 — подвод воды; 4 — выход водяного пара, смешивающегося с продуктами сгорания; 5 — выход парогазовой смеси.
двигателя. Газовая турбина свободна от этих недостатков, но ее осуществление на практике столкнулось с большими трудностями, главными из которых являются: получение жароупорных сталей и создание экономичного компрессора.
В качестве первой ступени к преодолению этих трудностей предлагались двигатели, работающие на парогазовой смеси. Поршневой двигатель на
286 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
парогазовой смеси, предлагавшийся рядом изобретателей, в том числе русским морским инженером Шмидтом, оказался неприемлемым в связи с истиранием рабочих поверхностей цилиндра, остающимися в смеси твердыми частицами.
Первая опытная газовая турбина была построена морским инженером П. Д. Кузьминским в Кронштадте в 1893—1897 гг. В 1895 г. Кузьминский получил привилегию на камеру сгорания для генерации парогазовой смеси, названную им «газопарород» (фиг. 6—19). В передней стенке камеры на продольной ее оси устанавливалась форсунка, факел которой занимал коническое пространство внутри камеры. Вода под давлением 50 ат поступала в камеру через змеевик, постепенно нагреваясь и превращаясь в пар на входе в камеру. Здесь из смеси газа (продукта горения) и пара получалась
Фиг. 6—20. Рабочие колеса радиально-осевых турбин: а — тихоходное, б— нормальное, в — быстроходное.
рабочая смесь, поступавшая на лопатки турбины. Работа Кузьминского тормозилась отсутствием жароупорных сплавов, и он не смог довести до конца оборудование газовой турбиной предоставленного в его распоряжение парового катера. В 1900 г. Кузьминский скончался. Дальнейшее развитие газовой турбины было осуществлено уже в XX в.
Гидроэнергетика также вела своеобразную подготовку к периоду комплексной энергетики, когда электрические передачи раскрепостили ее от локальной зависимости, дав возможность производить на отдаленных водных источниках громадные количества электрической энергии, передаваемой по проводам к отдаленным потребителям.
Турбина Френсиса подверглась значительному усовершенствованию. Благодаря работам Свайна (1869г.), Кор ника (1876 г.) и других конструкторов и изобретателей, радиально-осевая турбина приобрела свойства специальных турбин, отличающихся в широких пределах в зависимости от формы рабочих лопаток по своей быстроходности (фиг. 6—20).
Значительным шагом в повышении к. п- Д. турбины и удобства ее регулирования явилось изобретение проф. Финка, предложившего в 1880 г. применять радиальный направляющий аппарат с большим количеством лопаток, поворачивающихся на своей оси и тем самым регулирующих количество поступающей на рабочие лопатки воды. В 1886 г. на заводе Фонта (Германия) была построена первая турбина, получившая последний существенный элемент современных гидравлических турбин — спиральную камеру для подвода воды к направляющему аппарату (фиг. 6—21).
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 287
Радиально-осевая турбина в конце XIX в. стала вытеснять другие типы реактивных гидравлических турбин, чему немало способствовала деятельность ряда заводов: Фонта в Германии, Эшера и Висса в Швейцарии, Г. Пир-вица в России, Рива в Италии.
Фиг. 6—21. Первая гидравлическая турбина со спиральной камерой, подводящей воду к направляющему аппарату (1886 г.).
Активные гидротурбины также получили заметное развитие. С 1880 г. в США стали строить для высоких напоров и небольших расходов воды ковшевые турбины, одна из первых конструкций которых была пред-
а
Фиг. 6—22. Схема развития ковшей активной ковшевой турбины
а — начальный вариант; б— колесо сдвинуто; в — ковши расположены в шахматном порядке; г — ковш получил современную форму.
ложена Пельтоном. Конструкция этой турбины возникла постепенно в результате ряда испытаний отдельных конструктивных образцов на основе случайного события. Сначала турбины имели такое взаиморасположение
288 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
направляющих воду насадок и самих колес, при котором вода ударяла в центр ковшей, укрепленных на ободе рабочего колеса турбины (фиг. 6—22, а). При сдвиге в сторону слабо закрепленного на валу колеса вода стала ударять в край ковша (фиг. 6—22, б), причем эффективность работы турбины заметно возросла вследствие безударного подхода воды к поверхности ковша. Однако при этом обнаружилось осевое усилие, стремящееся сдвинуть колесо турбины вдоль его оси. Для локализации этого усилия Пельтон попытался располагать ковши турбины так, чтобы они давали осевые усилия разного направления (фиг. 6—22, в), пока, наконец, не осуществил наилучшее решение в виде ковша с ножом в центральной части (фиг. 6—22, г). Такой ковш с безударным входом струи и отсутствием осевого усилия стал основой современных ковшевых турбин.
В итоге, за период 1871—1900 гг. первичная энергетика по развитию своих старых агрегатов (паровых котлов, гидравлических турбин) и возникновению новых (паровая турбина, дизель, газовая турбина) подготовила материальную базу новой комплексной энергетики с ее широкими возможностями, вытекающими из электрификации промышленности и транспорта.
РАЗВИТИЕ МЕТАЛЛУРГИИ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
Несмотря на то, что основные методы современной металлургии — доменный и мартеновский процессы, бессемерование,—выработка легированных сталей с примесями, придающими им высокие качества, были применены еще в предшествующий период, металлургия продолжала оставаться искусством, зависела от опыта мастеров. Металлургическая практика выработала на многих достижениях и ошибках обширную рецептуру технологических приемов, но сущность процессов, происходящих в металле во время той или иной его обработки, оставалась неясной. В то же время потребность в металле гарантированного качества становилась все более острой. Если детали старых тихоходных паровых двигателей не подвергались значительным динамическим и тепловым нагрузкам, то новое машиностроение, с его резко интенсифицированным протеканием процессов, с высокими скоростями, температурами, давлениями, ударными и вибрационными нагрузками, не могло развиваться дальше. Металлургия становилась «узким местом» машиностроения, и, естественно, на нее было обращено внимание многих ученых и инженеров.
Такие крупные ученые, как Аустен, Розебум, Лс'дебур, Д. К- Чернов, обращаются к вопросам металлургии, в разрешении которых особенный успех имели исследования Д. К. Чернова. В процессе охлаждения раскаленной добела стали Чернов, не располагавший современной техникой измерения температур, сумел установить две знаменитые «точки Чернова» — характерные переходы металла из одного структурного состояния в другое. Открытие этих точек на опыте подтвердило теорию, рассматривавшую расплавленный металл как жидкий раствор углерода в железе, и дало в руки металлургов подлинно научный метод придания стали желаемых качеств: прочности, вязкости, хрупкости, твердости, упругости.
В своем докладе в Русском Техническом обществе в 1878 г. Чернов сказал: «Что касается вообще до приводимых мною идей, то я уже получил упреки в том, что слишком смело высказываю свои выводы; но пусть же я покажусь еще смелее и выскажу окончательное заключение из своих наблю-
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 289
дений в следующих словах: вопрос о ковке стали при движении его вперед не сойдет с того пути, на который мы его сегодня поставили».
Дальнейшее развитие металлургии полностью оправдало смелое высказывание Чернова. В 1900 г. на Парижской выставке ему от имени металлургов всего мира была выражена признательность, в книгах по металлургии его стали называть «отцом современной металлографии», в некрологе, написанном после его смерти в 1921 г., французский ученый Портевен писал: «Столь прекрасная мысль, получившая мировую оценку, делает великую честь России».
В результате открытий Чернова была положена научная основа производства легированных сталей с прибавками никеля, хрома, марганца, ванадия, титана, вольфрама и других металлов, придающих стали ряд желаемых качеств: твердость, упругость, вязкость, жаростойкость, кислотоупорность, сопротивление ржавлению.
Помимо развития производства сталей, металлургия конца XIX в. ознаменовалась открытием новых, более производительных методов получения алюминия. В 1889 г. К. И. Байер в России разработал способ получения из бокситов основного сырья для выделения металлического алюминия— глинозема, нашедший широкое применение. В 1899г. Д. А. Пеня-ков оформил привилегию на сульфатный способ получения алюминия, принятый на производстве.
В США и во Франции в 80-х годах XIX в. было начато на основе данных практики получение алюминия при помощи электроэнергии. Так началась электрометаллургия алюминия.
В области машиностроения рассматриваемый период характеризовался дальнейшим развитием специализации заводов, цехов, оборудования. В развитии специализации, помимо повышения производительности труда, заключалась все развивающаяся возможность последующего перехода к автоматизации производства, в свою очередь являющейся фактором значительного повышения производительности.
Второй путь увеличения производительности — увеличение объема снимаемой в единицу времени стружки — также получил значительное развитие Этот путь предъявлял счет, с одной стороны, к конструкторам станков и энергетикам на мощные станки, а с другой стороны — металлургам на материал для режущих инструментов, способных выдерживать большие усилия и высокие температуры. Начавшаяся замена углеродистых сталей легированными позволила увеличить скорость резания и сечение снимаемой стружки на станках, оборудованных индивидуальными двигателями.
Подобно металлургии, машиностроение также предъявило счет ученым. Стало совершенно необходимым научное обобщение громадного материала, накопленного практикой машиностроения. Трудами Ф. Рело, Ф. Редтен-бахера и других ученых разрабатываются первые основы классификации разнообразных машин, закладываются основы их теории. И в этой области между теоретической механикой и запросами практики возникают технические науки.
Значительное место в развитии технических наук принадлежит проф. И. А. Вышнеградскому, опубликовавшему в 1876 г. работу «О регуляторах прямого действия», в которой были заложены теоретические основы регулирования. Необходимость в регулировании производственных процессов возникла вместе с возникновением машин. Леонардо да Винчи делал
290 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
опыты с регулированием несложных текстильных полуручных машин; И. И. Ползунов соорудил регулятор для поддержания постоянного уровня воды в котле его паросиловой установки; Д. Уатт соорудил первый центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов его паровых двигателей. Но все эти и многие другие регуляторы, применявшиеся в производственных процессах, создавались опытным путем, ощупью, и не имели теоретического объяснения природы их действия. В своем исследовании, не потерявшем научного значения и в наше время, И. А. Вышнеградский разработал математические основы общих научных принципов автоматического регулирования.
С развитием мощности машин регуляторы, которые для чувствительности к изменениям режима делаются небольшими, малоинертными, легкими, не давали усилия регулирования, достаточного для влияния на режим мощной машины. Возникла необходимость «помочь» маломощному, но чуткому регулятору, увеличить его усилие. С этой целью между регулятором и регулируемой машиной помещается небольшой вспомогательный двигатель, сервомотор, т. е. обслуживающий мотор, воспринимающий от регулятора импульс небольшой силы и многократно усиливающий его и направляющий на перемещение регулирующих органов машины: заслонок, клапанов и т. п.
Первые теоретические основы для регулирования с вспомогательными двигателями были даны И. А. Вышнеградским в 1878 г. в его исследовании «О регуляторах непрямого действия».
Большое значение для развития машиностроения имело освоение высоких скоростей как метода повышения эффективности, снижения металлоемкости конструкций. Для освоения высоких скоростей вращательного движения, останавливавших попытки изобретателей паровых турбин, большое значение имела работа проф. Н. П. Петрова «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости», опубликованная в 1883 г. В этой работе была разработана новая, гидродинамическая, теория смазки, исходящая из гидродинамики жидкости. В этой работе, удостоенной Ломоносовской премии Академии наук, Петров, проведя множество экспериментов как над процессом трения, так и над исследованием смазывающих свойств большого ряда материалов, чем было положено начало практической вискозиметрии, т. е. изучению вязкости жидкостей, установил основы гидродинамики смазывающего слоя жидкости и приложил их к практическим условиям смазки движущихся частей машин.
Исследование Н. П. Петрова показало теоретическую и практическую возможность рационального устройства опор под тяжело нагруженные и быстро вращающиеся валы турбин, генераторов электрического тока и т. п., также подготовив основу для дальнейшего развития машин этого класса в XX в.
Машиностроение конца XIX в. все более и более начинает подходить к проблеме массового поточного производства. Сначала поточное производство было освоено при выпуске несложного продукта (бутылки, консервы ит. п.), но позднее начало распространяться на более сложную продукцию, в частности на автомашины, подготовив техническую основу для организации в начале XX в. крупной компании Форда для массового поточного производства дешевых автомобилей.
Массовое поточное производство на основе электропривода подготавливало предпосылки к автоматизации производственных процессов. Электро
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 291
привод в конце XIX в. начинает получать значительное распространение. Сначала замена механических методов привода электрическим происходила простым делением трансмиссии на отдельные участки, охватывающие группу однородных станков, приводимых в движение от электрических двигателей.
Постепенно начался переход от группового электропривода к индивидуальному, когда электрический двигатель встраивался непосредственно в каждый станок, — метод, получивший свое полное завершение в XX в.
РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В рассматриваемый период развитие химической промышленности характеризовалось не только расширением существующих кислотных, серных, содовых, красочных, пороховых и других химических производств, не только улучшенными или новыми процессами в этих производствах, но и широким внедрением химических методов, химической технологии в ряд новых областей промышленного производства.
Прежде всего химическая технология ответила на нужды вновь возникшей топливной промышленности. Резкое возрастание потребления топлива вызвало не только проблему передачи энергии на расстояние, но и ряд методов переработки и обогащения топлива.
Если в предыдущий период возникла первая, примитивная отгонка из нефти «фотогена» (керосина), то в рассматриваемый период начинается работа по более точному разделению погонов нефти. В этой области первенство принадлежало России. В 1885 г. в Баку Алексеевым был построен аппарат для выделения из нефти различных погонов, успешно примененный для получения керосина. Позднее Шухов сконструировал более совершенные аппараты, завершив свою работу в этой области изобретением методов крекирования нефти в системе (фиг. 6—23), дававшей возможность получать с исключительной точностью широкую гамму нефтяных погонов и в частности бензин. Патент Шухову на его крекинг-аппарат был выдан в 1891 г., однако широкое применение крекирование нефти получило только в XX в. в связи с развитием автомобилестроения.
После открытия в 1769 г. периодического закона Д. И. Менделеевым практическая химия и химическая технология получили свои теоретические основы. Что касается нефти, то Менделеев сам указывал на нее как на исключительно ценный исходный продукт для получения целого ряда ценных химических соединений: масел, жиров, ароматических, лекарственных и многих других веществ.
Специальные легированные стали, потребные для машиностроения, могли быть получены только на основе строгого научного химического качественного и количественного анализа, и поэтому химические лаборатории постепенно становятся неотъемлемой принадлежностью металлургических заводов. На основе общей химии зарождается и развивается обширная и сложная техническая химия черной металлургии.
Химия нашла ценное применение в энергетике. Менделеев разработал уравнения для определения теплотворной способности топлива по его химическому составу, для определения потребного количества воздуха при сжигании топлива данного химического состава. Анализ качества сжигания топлива в топках котельных установок стал производиться при помощи данных химии горения; были разработаны специальные конструкции газоанали-
2(2 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Фиг. 6—23. Крекинг-аппарат В. Г. Шухова (1891 г.). (Макет. Государственный Политехнический музей. Москва.)
заторов, в том числе и автоматических, для постоянного контроля за режимом горения. С повышением давления в котлах повысились требования к качеству питательной воды, определяемому путем химического анализа. Разрабатывались методы химической очистки и смягчения воды. В крупных котельных стали организовываться специальные лаборатории химического контроля.
Изучение ряда биологических процессов на основе точного химического анализа дало химии возможность широко вторгнуться в сельское хозяйство, создать научную базу для земледелия, повысить урожайность путем применения ряда неорганических удобрений, добыча и переработка которых начали складываться в новую область химической технологии.
Большое значение сыграла химия в технологии получения красителей, в стекольном, сахарном, винокуренном, писчебумажном, мукомольном, крахмальном и многих других производствах.
К концу XIX в. трудно было назвать какую-либо промышленность, в которой не применялась бы в той или иной форме химическая технология, контроль, анализ. Слова М. В. Ломоносова о том, что «широко распростирает химия свои руки в дела человеческие», получили новое значение: химические процессы «в делах человеческих» стали сознательно контролироваться, направляться и организовываться самим человеком.
§ I. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 293
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ
Решение задачи о передаче энергии на расстояние электрическим
током и задачи о приводе при помощи электрического двигателя послужило основой для электрификации — энергоснабжения промышленности и транспорта энергией посредством легко транспортируемой и трансформируемой в другие виды электрической энергии. Электрификация, разрешив задачу энергоснабжения и привода, оказывает решающее влияние на процесс изменения народного хозяйства и его техники на основе механизации и автоматизации, приводит к быстрому росту производительных сил общества, по своим последствиям не уступающему промышленному перевороту. И если промышленный переворот привел к крушению феодальных производственных отношений и победе капитализма, то электрификация, как это предсказывали Маркс и Энгельс, явилась одной
из существенных причин распада и ослабления капиталистической системы.
Начавшийся в конце XIX в. процесс электрификации промышленности дал капиталистическому производству мощное средство повышения производительности труда. Способствуя централизации и концентрации производства, увеличивая в сильной степени обобществление труда, электрификация способствовала перерастанию форм общественного производства за рамки капиталистических производственных отношений. С развитием электрификации складывались экономические условия для социали-
Фиг. 6—24. Схема современного энергоснабжения:
I — электростанция с первичным двигателем / и электрогенератором 2; III — электропередача с подстанцией (II') с повышающим трансформатором 3 и понижающей (//") подстанцией с понижающим трансформатором 4; электропривод IV с индивидуальным объединением электродвигателей 5 со станками 6.
стической революции.
Сложный механизм электрификации повторяет на расширенной основе структурную формулу раннего капиталистического производства, данную Марксом: машина-двигатель (шире: энергетическая машина) — передаточный механизм (шире: передача энергии) — рабочая машина (шире: технологическая машина). «Развитая совокупность машин» Маркса вступает на новый шаг своего развития, делается еще более развитой.
На фигуре 6—24 повторена схема энергоснабжения с включением вторичной энергетики (ср. фиг. 6—1). Теперь в этой схеме можно выделить отдельные ее объекты и их группы не по принадлежности к первичной или вторичной энергетике, а по расширенной схеме Маркса: генерация энергии — передача энергии — потребление энергии на технологические процессы. Тогда первичный двигатель с генератором вторичной энергии и вспомогательным оборудованием составит первое звено «развитой совокупности машин» — станцию, в случае применения электрической энергии в качестве вторичной — электростанцию. Второе звено — электропередача, образующая сложные электрические сети. Третье звено — электрифицированное предприятие—завод или фабрика, где осуществляется потребление энергии на технологические процессы (нагрев, механическая работа) при помощи электропривода и электротехнологии.
294 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Электростанция возникла сначала как генератор энергии единичного потребителя: маячного фонаря, печатной машины, отдельного здания («домовая» станция). Такие станции получили наименование блок-станций и применяли постоянный ток. В Париже первая блок-станция была построена в 1876 г. для питания током свечей Яблочкова. В России в 1879 г. блок-станция освещала Литейный мост через Неву в Петербурге. В начале 80-х годов в Лубянском пассаже в Москве была устроена блок-станция для питания электрических ламп.
Дороговизна энергии, вырабатываемой на блок-станции, и рост потребности в электрическом освещении, более удобном и безопасном чем газовое, укрепили тенденции к сооружению «фабрик электричества»,которые вырабатывали бы энергию для любого потребителя, как продукцию многих других фабрик и заводов, как товар, приносящий прибыль его фабриканту.
В 1882 г. организованная для коммерческой эксплуатации лампы накаливания компания Эдисона сдала в эксплуатацию электрическую станцию общественного пользования в Нью-Йорке. Прибыль от продажи электроэнергии и широкий спрос на новый вид товара привели к постройке станций общественного пользования и в других странах и городах. Техническая эксплуатация этих станций сразу же показала наличие большой трудности, связанной с применением постоянного тока. Напряжение потребителей тока — ламп накаливания — определялось условиями безопасности и не превышало 200 в. Но при таком низком напряжении передача энергии на сколько-нибудь значительное расстояние была невозможной. Поэтому первые городские станции строились, как правило, в самом центре потребления, среди массива жилых и общественных зданий. Так, например, первая станция Москвы помещалась на углу улицы Пушкина и Георгиевского переулка и называлась «Георгиевской». Первая станция в Петербурге, сооруженная для освещения Невского проспекта, размещалась на баржах с целью экономии средств на приобретение или аренду дорогих участков земли в центре города. В Нью-Йорке высокая цена на землю приводила к тому, что станции, подобно домам, росли вверх.
Возможность удаления электрических станций от потребителя возникла в связи с применением переменного тока, напряжение которого повышалось в трансформаторе при подаче в линию и понижалось вблизи от потребителей. В 1885 г. Ферранти построил в Дептфорде (в 12 км от центра Лондона) первую электростанцию общественного пользования однофазного переменного тока, напряжение от генераторов которой, равное 2500 в, повышалось в трансформаторах до 10 000 в.
В России первая станция переменного тока была построена в Одессе в 1887 г. В этом же году была пущена станция в Царском Селе (ныне город Пушкин). В 1894 г. инженером Н. В. Смирновым в Петербурге была построена станция однофазного тока, послужившая как удачный пример прототипом для ряда электростанций.
С возникновением и развитием электропривода однофазный ток стал тормозить процесс электрификации промышленности. После демонстрации в 1891 г. на Франкфуртской выставке решающих преимуществ трехфазного тока электростанции на трехфазном токе быстро вытеснили станции другого тока.
Применение трехфазного тока для электрификации промышленного предприятия было предпринято в России через два года после выставки во
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 295
Франкфурте. В 1893 г. в мастерских Новороссийского элеватора по инициа-иве и под руководством инженера А. Н Щенсновича были построены трехфазные генераторы, двигатели, и элеватор был полностью электрифицирован.
В этом же году была предпринята электрификация Охтенских пороховых заводов, получавших энергию от гидравлической установки при помощи канатной передачи. В. Н. Чиколев и Р. Э. Классов электрифицировали завод, осуществив передачу от гидроустановок и электропривод в цехах завода на базе трехфазного тока.
В 1896 г. в Сибири на Павловском прииске Ленского золотопромышленного района была сооружена первая электропередача на расстояние 21 км грехфазным током от гидроэлектростанции на р. Ныгра. Трехфазиый ток напряжением 140 в генерировался на гидростанции, затем его напряжение повышалось в трансформаторе до 10 000 в, а на приисках понижалось до 260 «, где была установлена группа трехфазных двигателей с мощностью от 6,5 до 25 л. с.
Таким образом, к концу XIX в. в области станционной электроэнергетики, в электрических передачах и системах, сложилась и была освоена в небольших, правда, масштабах современная энергетика. Самым главным итогом развития техники к концу XIX в. явилось завершившееся в своих принципиальных чертах становление комплексной энергетики с тепловыми и гидравлическими станциями, вырабатывающими вторичную электрическую энергию для целей электрификации промышленности.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ И САМОЛЕТОСТРОЕНИЯ
Двигатель внутреннего сгорания, возникновение которого было вызвано надеждами и чаяниями разоряемых крупным капиталом мелких предпринимателей, создал материальные предпосылки для решения в широком объеме задачи о механическом транспорте. Попытки использования универсального парового двигателя на сухопутном транспорте привели к развитию локомотива (фиг. 6—25). В данном случае, при перемещении по рельсам состава, большой вес паровоза не служил препятствием, а, наоборот, был существенно необходимым для обеспечения надежного сцепления ве-
Фиг 6—25. Локомотив.
2fl6 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
дущих колес локомотива с рельсами. Опыты с паровыми экипажами для движения по грунтовым дорогам убедительно показали необходимость легкого двигателя, легкого экипажа.
Таким легким двигателем и явился двигатель внутреннего сгорания. Многие изобретатели взялись за работу по созданию легкого двигателя. Первым шагом в этом направлении был переход от газового топлива к высококалорийному, высокоемкому с энергетической точки зрения жидкому топливу.
В 1883 г. немецкий механик Г. Даймлер получил патент на легкий бензиновый двигатель, удобный для установки на экипаже. Несколько позднее
Фиг. 6—26. Один из первых автомобилей — бензиновый экипаж Бенца.
С 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 997
Фиг. 6—27. Один из первых автомобилей.
немец Бенц получил привилегию на механический экипаж — один из прародителей современного автомобиля (фиг. 6—26). На фигуре 6—27 представлен другой бензиновый экипаж.
Работа Даймлера и Бенца положила начало деятельности ряда изобретателей и конструктор.ов во Франции, Англии, США. Конец XIX в. характеризовался освоением продукции нового типа, изготавливавшейся некоторыми машиностроительными заводами для немногочисленных потребителей автомашин: капиталистов, членов правительств, крупных чиновников.
Изготавливаемые единицами на отдельных предприятиях при неприспособленном оборудовании, по неразработанной технологии, автомашины обходились весьма дорого и являлись предметами роскоши.
Постройка спортивных рекламных машин для организуемых в рекламных же целях автомобильных гонок (на это дело конкурирующие предприятия привлекали лучшие научно-технические силы и не жалели денег), способствовала быстрым темпам совершенствования автомобилей, снижению их цены, постепенному возникновению автомобильного транспорта. Этот вид транспорта, осуществляемый грузовыми автомашинами, в первое время был особенно удобен и экономически целесообразен на подъездных путях между заводами, складами и железнодорожными станциями и речными и морскими портами, где вследствие небольшой протяженности линий представлялась возможность сооружения хороших дорог.
298 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Возникновение самостоятельной автомобилестроительной промышленности относится уже к следующему историческому периоду — к первым десятилетиям XX в. Конец XIX в. в области автомобилестроения знаменателен тем, что в это время шел глубокий подготовительный процесс к тому, чтобы в XX в. такой сложный технический объект, как автомобиль, стал продуктом массового поточного производства, оказавшего громадное влияние на организацию и технологию производства в самых разнообразных отраслях машиностроения.
Двигатель внутреннего сгорания сделал, наконец, возможной реализацию многовековой мечты людей о полете, которая в разные времена, в разных странах выступала в конкретной форме многочисленных попыток покорения воздушной стихии. В набросках Леонардо да Винчи можно видеть попытки разработать летательный аппарат с крыльями, приводимыми в движение энергией человека-птицы; старинные рукописи дают описания и рисунки иногда совершенно фантастических, иногда более или менее реальных проектов воздушных шаров и самолетов. Летописи повествуют скупо и беспристрастно о смелых попытках отважных людей, терпящих насмешки, подвергающихся гонениям, неудавшегося полета.
В 1783 г. братья Монгольфье во Франции на воздушном шаре, наполненном горячими дымовыми газами, подняли в воздух барана, петуха и утку. Позднее стали подниматься и люди. Французский ученый Шарль соорудил воздушный шар, наполненный водородом. Возникло так называемое «воздухоплавание». Многочисленные попытки сделать воздушные шары управляемыми, движущимися по воле человека оставались безрезультатными главным образом из-за отсутствия легкого и мощного двигателя. Французский ученый Жиффар построил дирижабль (фиг. 6—28) с паровой машиной мощностью около Зл.с. и сделал попытку подъема, во время которой опасное соседство парового котла с топкой и горючего водорода привело к взрыву дирижабля, вследствие чего изобретатель потерял зрение.
Фиг. 6—28. Дирижабль Жиффара.
§ 1. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛА 299
Только в начале XX в. легкий бензиновый двигатель сделал дирижабли управляемыми.
Одновременно творческая мысль работала над проблемой летания на аппаратах тяжелее воздуха. Существовало несколько проектов с попытками осуществить подъем в воздух на геликоптерах (современное название — вертолет); в частности, в 1754 г. М. В. Ломоносов сконструировал вертолет с приводом винта от пружины для исследования возможности запуска на нем метеорологических приборов. Д. И. Менделеев, автор проекта первого стратостата с герметически замкнутой кабиной и управляемого аэростата, указывал, что будущее в воздухе принадлежит летательным аппаратам тяжелее воздуха.
В качестве исходных прототипов для построения летательных аппаратов изобретатели брали птиц, конструируя аппараты с машущими крыльями, воздушный змей, изыскивая для него способы создания тяги вместо бечевки. Подражание змею оказалось более соответствующим условиям механического полета искусственных птиц,
и со второй половины XIX в. можно отметить несколько попыток сооружения аэропланов — предшественников современных самолетов. Однако в распоряжении изобретателей, как и у Жиффара, был только паровой двигатель. Конструкторы всемерно облегчали вес парового котла и паровой машины и устанавливали их на разнообразные по формам летательные машины. Максим (США) построил паровой полиплан (самолет-этажерка с множеством несущих поверхностей), утяжелив его так, что он не мог подняться в воздух. Хэнлей (Англия) построил паровой моноплан, который по форме напоминал птицу. В России А. Ф. Можайский соорудил моноплан с паросиловой установкой. Эти прототипы современных самолетов имели основные части, характерные для самолета. Самолет Можайского имел несущие плоскости, фюзеляж-лодку, хвостовое оперение и шасси.
Однако все эти самолеты были слишком тяжелы и маломощны, имели совершенно недостаточную устойчивость и не решали задачу о полете, а только подготавливали возможность ее решения.
В процессе этой подготовки большое значение имели исследования полетов на планерах. В этой области многое было сделано немец-
300 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Николай Егорович Жуковский
ким инженером О. Лилиенталем, построившим и исследовавшим десятки планеров и ставшим первой жертвой освоения новой стихии, разбившимся в одном из своих опытных полетов. Его работу продолжил в США французский инженер О. Шанют, который путем последовательных изменений придал своему планеру форму самолета-биплана. Планер вырос и был готов к тому, чтобы, приняв на себя легкий двигатель, превратиться в самолет.
Это превращение произошло в самом начале XX века.
Одновременно подготавливалась и теоретическая основа полета. В этой подготовке главная и блестящая роль принадлежит проф. Н. Е. Жуковскому.
В 1890 г. Жуковским была опубликована его первая работа в области авиации «К теории летания». Позднее общие принципы
своего исследования Жуковский разработал для отдельных случаев теории полета в трудах: «О наивыгоднейшем угле наклона аэропланов» (1897 г.), «О крылатых пропеллерах» (1898 г.), «Теория гребного винта с большим числом лопастей» (1907 г.)
Уже в конце XIX в. теоретические работы Жуковского в области авиации открыли возможности, реализованные затем в XX в. 
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТЕЛЕФОНИИ И РАДИО
Развитие промышленности и связанный с нею рост городов, усложнение системы деловых связей между заводами, конторами, складами, банками, железнодорожными станциями и пристанями поставило задачу расширения и упрощения системы электромагнитной связи, сведения ее к разговору на расстоянии. Так возникла задача об изобретении телефона как наиболее гибкого, удобного, непосредственного вида связи.
Предпосылки к возможности решения этой задачи заключались в результатах некоторых физических опытов. Так, было обнаружено явление звучания железного стержня, подвергавшегося намагничиванию и размагничиванию. Немецкий учитель физики Райс использовал это явление для передачи звуков на расстояние посредством электричества. В 1861 г. аппарат, названный изобретателем телефоном, был продемонстрирован Райсом во Франкфурте. Телефон Райса передавал звуки, но передача членораздельной и понятной слуху человеческой речи плохо удалась изобретателю, и его предложение не могло быть реализовано на практике.
§ I. ТЕХНИКА В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ МОНОПОЛИСТИЦ 1 СКОГО КАПИТАЛА 3( I
Фиг. 6 30. Телефон А Г. Гелла.
В 1876 г. совершенно независимо друг от друга два американских изобретателя Белл и Г рей в один и тот же день с разницей во в реме ни в два часа сделали заявку в Бюро патентов США на изобретенные ими телефонные аппараты (фиг 6-30).
В России пионером телефонной техники был П. М. Голубицкий, внесший ряд значительных усовершенствований в телефон и в 1882 г. построивший серию многополюсных отечественных телефонов значительно увеличенной чувствительности. За рубежом телефонные аппараты и системы совершенствовали Герц, Говер, Адер, Дольбир и другие изобретатели.
В 1881 г. русский военный инженер Г. Г. Игнатьев разработал систему телефонирования по телеграфным проводам; на следующим год на эту систему получил французский патент бельгийский электротехник ван Риссел ьберге.
Складывалась возможность последующего перехода к автоматическим телефонам. Инженер К. А. Мосцицкие в 1887 г. сконструировал «самодействующий телефонный коммутатор», производивший соединения небольшой группы абонентов без телефонисток, а в 1895 г. изобретатель Апостолов разработал автоматическуютелефоннуюстанцию, дающую соединения группе абонентов в 10 000 номеров.
Опыты немецкого ученого Герца с распространением и приемом электромагнитных волн заложили возможность бесприводной телеграфии особенно после того, как английский физик Лодж предложил использовать в опыте Герца прибор, описанный французским физиком Брамли в 1891 г. и состоявший из трубки с металлическими опилками, способными изменять электрическое сопротивление при прохождении электромагнитных волн. При
302 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЕ) МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Фиг. 6—?/. Радиоприемник Л. С. Попов! (Государственный Политехнический музей. Москва.)
помощи такой трубки — когерера — Лодж смог увеличить дальность приема эл ектромагн итн ых вол и.
Изучив труды Бранли и Лоджа, русский физик А. С. Попов сумел сконструировать когерер высокой чувствительности и нашел метол восстанавливать потерю згой чувствительности встряхиванием когерера от молоточка электромагнитного звонка, что позволило ему в 1894 г. увеличить дальность приема до нескольких метров. Заметив влияние на дальность приема присоединенной к когереру вертикальной проволоки, Попов открыл простейшую антенну и в начале 1895 г. сконструировал первый радиоприемник (фиг. б—31).
7 мая 1895 г. Попов демонстрировал приемник во время своего доклада на заседании Русского физико-химического общества. В марте 1896 г. Попов демонстрировал первую в мире радиотелеграфную передачу на расстояние в 250 м, а в 1897 г. — на 5/си между военными кораблями Балтийского флота.
При этих опытах Попов обнаружил влияние на передачу судна, проходившего между опытными судами, что дало ему мысль утверждать о возможности использования радиоволн для обнаружения морских судов, в настоящее время развитой в сложную и эффективную систему радиолокации.
В 1899 г. во время аварии броненосца «Генерал-адмирал Апраксин» Попов установил радиосвязь на дистанции в 43 км.
Значительную роль в развитии радиотехники сыграл итальянец Г. Маркони. В 1896 г. он получил в Англии патент на «способ передачи электрических импульсов». Опубликованная в 1897 г. схема Маркони аналогична
SI. ТЕХНИКА n ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ иПНППОЯИСТИНЕГ.КПГО КАПИТАЛА
303
схеме приемника Попова, но, использовав влияние резонанса, Маркони добился более высокой чувствительности и в 1897 г. осуществил радиосвязь на расстоянии свыше 15 км.
Поддержанный крупными английскими промышленниками и располагавший крупными средствами, Маркони вкладывал их в дело развития радиопередачи и уже в 1899 г. установил связь между Англией и Францией, а в 1901 г., использовав 15-киловаттный передатчик со сложной антенной, передал радиосигналы через Атлантический океан.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Период перерождения капитализма в империализм характеризуется ростом препятствий к развитию техники; сказывается отбор изобретений по прибыльности, непроизводительные затраты на военные нужды, кризисы, безработица.
2.	В последней четверти XIX в. возникает новая энергетика — комплекс первичной (тепловой и гидравлической), на базе которой вырабатывается вторичная (электрическая) с целью энергоснабжения промышленности и транспорта посредством электрификации систем генерации электроэнергии, электропередачи, электропривода.
3.	Возникновение комплексной энергетики стимулирует резкий рост первичной энергетики. В теплоэнергетике растет производительность котлоагрегатов, изыскиваются методы сжигания новых видов топлива. Возникает новый вид теплового двигателя — паровая турбина и к концу XIX в. определяется в качестве двигателя электрических станций. Двигатели внутреннего сгорания обогащаются двигателем высокого сжатия — дизелем Зарождается четвертый тепловой двигатель —газовая турбина. Гидроэнергетика разрабатывает все элементы современных турбин и готова внести свою долю в электрификацию.
4.	Быстро развивается металлургия, превращаясь из искусства в науку. Изыскиваются методы массового изготовления металлического алюминия. Растет производительность труда в машиностроении за счет специализации оборудования, увеличения сечения стружки, скорости резания. Закладываются теоретические основы автоматического регулирования, гидравлической теории смазки. Зарождается метод массового поточного производства.
5.	Развивается химическая промышленность, получившая теоретические основы в виде периодической системы элементов. Химическая технология внедряется в энергетику, металлургию, топливную технику, сельское хозяйство и почти во все другие области промышленного производства.
6.	Возникает электрификация. Разрешены проблемы электропередачи и электропривода на основе электрических систем трехфазного тока. Строятся первые электрические станции, и энергия становится товаром. Начинается электрификация промышленности и транспорта.
7.	Возникает и получает первое развитие автомобил естроеи не. Подготавливается решение задачи о поточном массовом производстве такого сложного объекта, как автомобиль. Закладываются практические возможности и теоретические предпосылки возникновения авиации и авиационной промышленности.
304 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
8.	Возникает и получает значительное развитие телефония. Изобретено радио и подготовлена техническая база для его быстрого развития в последующий период.
9.	Развитие техники в период начала упадка капитализма находит технические решения, методы, конструкции, новые области, дающие реальную базу к быстрому развитию техники в последующий период, к такому росту производительных сил общества, что руководство ими со стороны буржуазии станет не под силу.
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
(19Р0 —1917)
Начало XX в. характеризуется богатейшими возможностями для дальнейшего быстрого прогресса техники, дальнейшего невиданного роста производительных сил общества. Но вместе с тем это — период империя диетических войн и пролетарских революций, период, когда противоречия капиталистического общества в невиданной ранее степени начинают тормозить поступательное движение общества.
Раздел территории закончен, империалисты ведут борьбу за передел мира Обостряется конкуренция уже не между отдельными капиталистами, а между странами. Идет милитаризация, колоссальные средства расходуются на вооружение. Мир вступает в XX в., век громадных, но уродливо реализуемых возможностей, предоставляемых наукой и техникой.
Капиталистическая концентрация достигает невиданных ранее размеров. В своей работе «11мпериалнзм, как высшая стадия капитализма» В. И. Лепин специально останавливался на вопросах концентрации электропромышленности в руках капиталистов. Он указывал, что если до 1900 г. в электропромышленности было семь групп, объединявших каждая несколько обществ, то к 1968—1912 гг. все они слились в одну. Крупный концерн «Всеобщая компания электричества» (АЕГ) стал господствовать более чем над сотней других германских предприятий. Ленин подчеркивал, что новая «Электрическая промышленность — самая типичная для новейших успехов техники, для капитализма конца XIX и начала XX века»1.
Ленин дал блестящий анализ империализма как высшей стадии капитализма. На ряде фактов Ленин отчетливо показал, что капитализм, будучи не в состоянии полностью использовать громадные возможности техники, все более становится тормозом се беспрепятственного развития.
Сконцентрировав в своем распоряжении специально организуемые фирменные научные лаборатории и целые прекрасно оборудованные исследовательские институты с привлеченными в них наиболее талантливыми представителями науки и техники, монополии подчинили своим интересам, интересам достижения максимальной прибыли, самый процесс разработки технических изобретений и усовершенствований, направляя деятельность крупных коллективов ученых и изобретателей на пели получения прибыли.
Изобретатель обезличивается, его имя заменяется маркой фирмы. Возможность установления монопольных цеп на ту или иную продукцию углень-
1	В. И Ленин, Сочинения, т. 22, Госполитиздат, 1948, стр. 233.
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 3Q5
шает побудительные причины к техническому прогрессу, ведет к экономической возможности искусственно задерживать движение технического прогресса в угоду монополистической прибыли.
Назревание военной ситуации между группами конкурирующих капиталистических государств, образование I родственного союза (Германия, Австро-Венгрия, Италия) и Тройственного согласия (Англия, Россия, Франция) вызвали гонку вооружений, пробу этих вооружении в итальянской и балканских воинах в процессе подготовки к решительной схватке за nt редел мира, начавшейся в 1914 г.
Громадные средства, громадное количество труда поглощаются произ-во детве-м вооружения. Все новейшие достижения техники незамедлительно используются в военном производстве. Строятся турбинные линкоры, артиллерия соревнуется с бронею, на вооружение привлекаются новые виды технических объектов: авиация и радио, подводные лодки. Совершенствуются пулеметы, изменившие тактику воины. Значительные средства вкладываются в научные исследования и в производство отравляющих веществ.
РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИКИ
Энергетика прежде других областе й техники реализовала техническую возможность концентрации производства. Эта возможность основывалась на укрупнении теплосиловых установок и их отдельных элементов: котлов, двигателей, вспомогательного оборудования. Необходимость укрупнения предъявляла к теплосиловым установкам и их основным элементам требования, невыполнимые на основе предшествующей техники доэлектрического периода.
Постепенный переход от промышленных фабрично-заводских теплосиловых установок к центральным электрическим станциям (ЦЭС). «фабрикам» электроэнергии, сразу же показал невозможность решить возникшую задачу укрупнения путем простого суммирования технически? обтчектов.
Действительно, первый агрегат теплосиловой установки — паровой котел — в последней четверти XIX в. характеризовался следующими усредненными показателям^ съем пара с 1 кв. м поверхности нагреса котла был равен 20 кг; суммарная величина этой поверхности — 200 кв. м. Если это оборудование применить для электростанции мощностью 200 000 кет, то при расходе пара в 6 кг на 1 кет, что соответствует технике конца XIX в., потребовалось бы часовое количество пара 200 000 х 6 = 1 200 000 == 1200 ни час, для производства которого старыми котлами потребовалась бы суммарная поверхность нагрева
1200000 сп ллл ----------= 60 000 Кв. м,
ZV
что при поверхности одного котла в 200 кв. м потребовало бы установить в котельной этой станции
60 000	,
2,jQ— — 300 паровых котлов!
А современная станция дает возможность для мощности в 200 000 к-та установить один блок, состоящий из одного котла, одной турбины, оинсго электрог енератора.
11	II. С. Кудрявцев
ЗС6 Г Г. Л Е А VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА II ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Вот где возникли на новой основе предпосылки обращения к «физике котла», как об этом высказывались еще в конце XIX в. русские ученые — профессора Предтеченс кии, Депп и Гриневецкий. Необходимы были теоретические основы работы котельного агрегата, которые дали бы верные направления для всемерной интенсификации происходящих в котле физикохимических процессов: горения, теплообмена, парсх^брэчоваиия, циркуляции, движения газов, перегрева и сепарации пара.
В 1916 г., обобщая труды многих исследователей, М В Кирпичев (впоследствии академик) писал: «Непосредственной причиной совершенствования как турбины, так и котла было проникновение электричества во все отрасли промышленности и общественной жизни и, как следствие этого, появление крупных электрических станций» Указывая далее, что прогресс котельной техники зависит от интенсификации работы когла, а она в свою очередь зависит от процесса теплообмена, М. В. Кирпичев намечал направление дальнейшей работы: «Дальнейший прогресс в расчете парового котла зависит от успешности экспериментального изучения котла, в частности oi новых опытных данных о ко крфициенте теплопередачи».
Идя по намеченному пути, Лк В. Кирпичев в советский период создал прогрессивную научную школу теплового моделирования, дающего возможность на небольших моделях изучать процессы, протекающие в гигантских теплоте х г г и чсс к и х об>ъект а х.
Генерацию механической энергии старым методом при помощи паровых машин также нельзя было применить в новых условиях. Для рассмотренного примера станции в 200 000 кет потребовалось бы установить 10 громаднейших, металлоемких поршневых машин, тогда как теперь эту мощность генерирует' одна турбина.
Новые энергетические установки с их высокоероизводительными паровыми котлами и мощными турбинами не могли эксплуатироваться старыми методами Если для старых котлов, являвшихся громадными аккумуляторами теплоты, колебания в потреблении пара сглаживались непосредственно кочегаром, то в новых котлоагрегатах с интенсифицированными процессами человек нс в состоянии был следить за быстрыми изменениями режима, когда аккумулирующая способность котлов уменьшилась почти в 500 раз
Если старый поршневой двигатель мог без вреда выдерживать двукратные перегрузки по мощности и полуторные по числу оборотов, то паровая турбина может быть разрушена центробежными силами при увеличении числа оборотов на 10%. Изменение числа оборотов даже в пределах 10% ведет к понижению к. п. д. и ускоренному износу детален. Еще сложнее обстоит вопросе регулированием режима теплофикационных паровых турбин, отпускающих потребителям и теплоту, и работу. Здесь задача поддержания заданного режима работы при переменных потребностях двух разных потребителей может быть решена только на базе автоматического регулирования.
Новая теплоэнергетика вызвала к жизни новую область техники — автоматизацию тепловых процессов, строгий и систематически и автоматический контроль работы теплоэнергетических установок.
Новые требования к теплоэнергетике возбудили большое количество вопросов, на которые практика эксплуатации теплосиловых установок нс могла дать ответа. С одной стороны, в связи с ростом давлений и температур потребовалась тщательная работа но экспериментальному исследованию
§2, РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 307
термодинамических свойств рабочих тел: водяного пара, газов. ( другой стороны, нужно было исследовать процессы горения, теплообмена, тяги, сопротивлений движению газов, циркуляции и ряд других. Под требованием этих вопросов развиваются теоретические основы теплотехники — сложная техническая наука, состоящая из двух ветвей: технической термодинамики и теплопередачи.
В связи с ростом потребления теплоты теплосиловыми установками возникала топливная проблема. Ежегодно возрастала добыча каменного угля. Развитие автомобилестроения, а позднее — авиации, использование жидкого горючего для военных флотов сделали нефть «черным золотом», в погоне за которым капитализм начал безудержную экспансию в слаборазвитые страны, подчиняя себе их экономику, пользуясь дешевым трудом рабочих-полу рабов этих стран. Возникла задача разработки способов эффективного сжигания малокалорийных и зольных топлив: сланцев, бурых углей, торфа, которая могла быть успешно разрешена также только в результате специальных исследований.
В условиях быстрого роста энергопотребления рост энергетических машин также был невиданно быстрым. Если в 1899 г. турбины первой турбинной электростанции в Эльберфельде имели мощность но 1000 л. с. и потребляли около 12 кг пара на 1 квт-ч, то через двенадцать лет была построена турбина в 12 000 кет с расходом пара в 5 кг/квт-ч.
Разрабатывались новые системы турбин. В 1900 г. французский ученый О. Рато предложил активную турбину со многими ступенями давления пара и показал целесообразность освоения новых агрегатов: турбокомпрессоров и турбовоздуходувок, разработанных им на смену старым поршневым тихоходным конструкциям.
В 1906 г. в США Кертис построил турбин) со ступенями скоростей, в которых пар отдавал свою скорость последовательно двум или трем ступеням-дискам с лопатками, что снижало число оборотов вала турбины.
С 1900 г. турбины стали устанавливать на миноносцах, с 1907 г. — на линкорах. В 1906 г., после успешного применения на более мелких судах, паровые турбины были поставлены на двух наибольших пассажирских пароходах-лайнерах того времени «Лузитании» и «Мавритании», водоизмещение которых составляло 41 500 тонн у каждого и мощность — по 70 000 л. с. Получение такой мощности с поршневыми машинами было невозможно; предельная достигнутая мощность поршневых машин на морских судах была 17 500 л. с. («Дойчланд», 1900 г., 2 X 17 500 л. с.). В 1911 г. паровые турбины были установлены на еще более крупном судне «Титаник», погибшем в первом же рейсе от столкновения с айсбергом.
Были разработаны методы соединения быстроходных турбин (ЗОООоб; мин.) с относительно тихоходными (100 -200 об мин.) гребными винтами: механическая передача (зубчатые колеса — редукторы), гидравлическая передача (паровая турбина работает на насос, созданный напор вращает гидротурбину, передающую вращение гребному винту) и электрическая (в центре судна ЦЭС вырабатывает электроэнергию в генераторах, вращаемых паровыми турбинами или дизелями, а электродвигатели приводят в движение гребные винты). Так возникли современные «турбоэлектроход» и «дизель-электроход».
Однако возникновение их началось несколько раньше.
На родине двигателя Дизеля— Германии не было благоприятных условий для быстрого его распространения на грани XIX и XX в.
11-
308 ГЛ Л ВЛ VI ТЕХНИКА ПГРИОДЛ HMI11 РИАЛИЗМЛ И ПГРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Крупцые заводы имели паровые установки, заводы, строящие паровые машины, не желали затрачивать средств па переоборудование для постройки дизелей, котельные заводы, как могли, препятствовали внедрению нового двигателя, а главное, в Германии отсутствуют нефтяные месторождения.
Благоприятные условия для развития новою двигателя сложились в России, где были распространены мелкие предприятия, для которых дизель был удобен в качестве силовой установки, где не было развитого котло- и машиностроения, чтобы препятствовать рождению нового двигателя, а главное, имелись богатые ресурсы нефти, удобно связанные водным путем (Каспий) с крупной транспортной артерией страны — Волгой.
В таких условиях не замедлила сказаться творческая мысль русских ученых, инженеров, изобретателей, решивших ряд важнейших проблем нового двигателя. В России в 1899 г. был впервые запущен двигатель дизеля на сырой неф1И, разработана бескрейцкопфная конструкция механизма, получено большое снижение удельного веса двигателя.
В 1907 г. был построен на Волге первый буксирный теплоход «Мысль», с пуском которого русская техническая терминология обогатилась термином «теплоход». В 1908 г. был построен первый реверсивный двигатель (подводная лодка «Минога»). В 1910 г. были спущены па воду первые дизельные военные суда «Карс» и «Ардагаи» и построены мощные речные мониторы для
Фиг. 6—32. Турбина Каплана с поворотными лопастями:
J — лопасти [чтулирования; 2~ поворачивающие я лопасти турбины.
Амурской речной флотилии с электроприводом на гребные винты. С1911 г. регулярно стали строиться комфортабельные речные пассажирские теплоходы.
Первыми же теплоходами, точнее дизель-электроходами, были построенные в 1903 и 1904 г. в Петербурге суда «Вандал» и «Сармат».
Значительное развитие получили в первое двадцатилетие XX в. и гидравлические турбины. В 1912 г. чешский ученый В. Каплан предложил первую пропеллерную турбину, а в 1916 г. взял патент на турбину пропеллерного типа с поворотными лопастями (фиг. 6 —32). Эча турбина давала возможность весьма гибкого регулирования путем поворота лопастей, позволяла пропускать большой расход веды и, следовательно, получать большую мощность в одной машине, позволяла эксплуатировать турбину при
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 399
широком диапазоне напоров от 5 до 70 м. Под современным названием «новоротнолопастная» эта турбина стала агрегатом мощных гидроэлектростанций, например Куйбышевской ГЭС.
Ко второму десятилетию XX в. единичные мощности гидравлических турбин выросли до 20 000 кет (радиально-осевые) и 30 000 кет (ковшевые).
НАЧАЛО РАЗВИТИЯ ЭЛ1 КТРИФИКАЦИИ
Всего через десять лет после демонстрации преимуществ трехфазного тока ня Франкфуртской выставке, в 1901 г. уже была сооружена в США линия электропередачи дальностью в 104 км при напряжении в линии 50 000 в., а в 1910—1912 гг. в Германии и США были сданы в эксплуатацию линии передачи с напряжением 100 000 с. Решительная победа трехфазного тока и быстрый рост мощности электрических станций виден на фигуре 6 -33, показывающей, что в одной из развитых стран, Германии, за 12 лет установленная мощность выросла с 8 до 150 тыс. кет.
В России, отстававшей до революции от крупных капиталистических стран, высшим достижением была постройка электростанции и линии электропередачи Богородск—Москва по инициативе и под руководством инженера Р. Э. Классона.
Станпия «Электропередача» (ныне одна из станций Мосэнерго имени Р. Э. Классона) явилась самой крупной в мире станцией на торфяном топливе. Эта первая в нашей стране районная электростанция (фиг. 6—34) имела мощность всего 1500 л. с. (два турбогенератора по 7500 л. с.). Линия передачи имела протяженность 70 км с напряжением 70 000 в. В Измайлове была сооружена понижающая подстанция, а на территории завода Гужона (ныне завод «Серп и молот») Измайловская подстанция соединялась с городской сетью. Станция была сдана в эксплуатацию в 1914 г.
Начавшаяся война прекратила развитие электрификации в стране.
Выработка электроэнергии пе пошла i которой Россия была на 15-м месте.
В передовых в техническом отношении странах выработка электроэнергии быстро возрастала. К концу первой четверти XX в. в США вырабатывалось около 60 млрд, квт-ч, в Германии — около 23 млрд, квт-ч, во Франции — около 10 млрд, ктв-ч и в Англии — около 12 млрд, квт-ч электроэнергии
Генерация и потребление в больших объемах электрической энергии не могли быть осуществлены без возникновения энергетических систем при усложнении старой формулы: двигатель — передаточный механизм — орудие в формулу: первичный двигатель— элект регенератор—электрическая передача—вторичный электрический двигатель—орудия, причем орудия не одного, а многих промышленных предприятии, включенных в
2,3 млрд, квт-ч, по производству
Фиг 6—33 Рост числа и мощности электростанций Германии, показывающий победу трехфазного тока.
310 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
энергосистему. В развитой энергетической системе несколько электрических станций работают параллельно на общую сложи}ю и протяженную электрическую сеть. В составе энергосистемы могут работать параллельно электростанции тепловые с гидравлическими, что дает 1юзможностъ наиболее эффективно использовать находящиеся в пределах энергосистемы природные энергетические ресурсы.
Фиг. 6—34
Схематический разре» первой русской районной эле к 1 роста ними «Эл е ктроп среда ч а» •
I — галереи для подач» топлива к бункерам; 2 — топливные бункеры; 3 - паровые коглы; 4 —топки котлов. 5— возд> хопсдогревагелк «кономайзеры; Л —дымососы;
7 — дымовые грубы; 8 — турбогенератор.
В создании энергосистем в рассматриваемый период отчетливо проявилось тормозящее влияние капиталистического строя. Благодаря этому влиянию ряд проектов, предусматривающих привлечение громадного количества энергии природы для развития производительных сил общества, остаются неиспользованными и поныне.
Таков проект Вьеля о создании единой энергетической системы Европы с наиболее эффективным использованием ее энергетических ресурсов, как водных, так и топливных. Таков проект Зергеля об использовании для питания энергетической системы Европы Средиземного моря По его интересному и выполнимому силами заинтересованных стран проекту предусматривается строительство громадных плотин: Гибралтарской, Тунисской, Мессинской и Дарданелльской (фиг. 6 35). Так как Средиземное море испаряет ежегодно свыше 4000 куб. км воды, пополняемой через Гибралтарский и Дарданелльский проливы, то через несколько лет после сооружения плотин его уровень понизится до предусмотренных проектом отметок: в западной части более чем на 100 л/, а в восточной — более чем на 200 м. Южная часть Европы будет увеличена, как и северная часть Африки, большими массивами плодородной земли, а Гибралтарская, Тунисская, Мессинская и Дарданелльская гидростанции будут давать электроэнергию в количестве порядка свыше 200 млрд, квт-ч в год.
Однако приведенные проекты, несмотря на громадную выгоду, приносимую их осуществлением, не могут быть реализованы, когда сфера их использования распространена на ряд капиталистических и зависящих от них слаборазвитых стран, взаимоотношения между которыми в капиталистическом мире являются взаимоотношениями постоянных потенциальных врагов.
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 311
<2>мг. 6—35. Неосуществленный проект Средиземноморской энергетическое системы.
И действительно, в средиземноморским рапоне охватываемом приведенными проектами, ведутся войны В 1911—1912 гг. ведется Трипо-литанская война, закончившаяся захватом Италией турецких владении в Триполитанни и Киренаиы (Северная Африка). В 1912-1913 гг. — Балканские войны (Болгария, Сербия, Греция и Черногория против Турции).
Если учесть, что ли воины были только подготовкой к мировой войне 1914—1918 гг., то становится очевидной невозможность реализации проектов Введя и Зергеля.
В системе современной комплексной энергетики заключена возможность уничтожения разрыва между неравномерным географическим распределением источников энергии и в общем более ил и.менее равномерным распределением ее потребителей. Одна ко реализация этого разрыва в широких масштабах не может быть осуществлена в капиталистическом мире
Совершенствование изобретенного ДЕ О. Дол и во-Добровольским двигателя переменного трехфазного тока разрешило задачу промышленного привода. Паровой двигатель в конкретной форме турбины получил свою область применения в качестве первичного двигателя тепловых электростанций. Функции вторичного двигателя были возложены на электрический двигатель. В начальной фазе их внедрения электрические двигатели устанавливались для привода отдельных машин и станков большой мощности. Затем в старых цехах промышленных предприятий начали заменять электродвигателем паровую машину, выполнявшую функцию центрального двигателя группы станков. Так возник групповой электропривод, который не устранил трансмиссионный привод (фиг. 6 36) и присущие ему недостатки: большой расход энергии на трение, на работу на холостом ходу, зависимость режима работы станков от режима двигателя.
Постепенно практика и теоретические выводы привели к признанию целесообразности одиночного (индивидуального) электропривода, при котором каждый стьнок получает свой двигатель. Одиночный привод осво-
312 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МЦРОВОП ВОПНЫ
Гюждает цехи предприятия от сложных трансмиссионных устройств, сводит к минимуму затрату энергии на ее распределение, позволяет каждому отдельному станку работать в наиболее выгодных для него режимах, упрощает пуск и остановку, переходе одного режима на другой.
Дальнейшим шагом в развитии привода явилось постепенное сращивание вторичного электродвигателя с рабочей машиной. Двигатель и механический привод от него, позволяющий в широких пределах изменять скорости станка (коробка ско|юстей, позднее — гидравлическая передача), монтируются непосредственно в самом станке.
Начатое в конце XIX в. применение электроэнергии для транспортных целаг (трамваи) получило свое дальнейшее развитие в XX в., чему способствовало изобретение и усовершенствование выпрямителей тока. С ростом уличного движения, связанным с увеличением автомобильного парка, с концентрацией в крупных промышленных и административных центрах многомиллионного населения, трамвай оказался не в состоянии удовлетворить возросшие потребности внутригородского транспорта.
Ответом на эти потребности явилась постройка метрополитенов (городских наземных и подземных железных дорог). Особенно удачным оказалось применение подземных линий метрополитенов, строительство которых было начато еще в последнем десятилетии XIX в. (Лондон. Будапешт). Первоначально сооружались линии метрополитена неглубокого залегания Строительство велось открытым методом: вдоль улиц прорывали глубокие канавы, а затем над ними сооружались перекрытия. Позднее стали применять более целесообразный способ строительства метрополитена методом туннельных проходок.
Одновременно с электрификацией городского транспорта возникали первые опыты перевода на электрическую тягу пригородных, а позднее и магистральных железных дорог с большой плотностью движения. Переход на электротягу, помимо увеличения пропускной способности путей, уменьшения засорения окрестностей дымом и копотью, дает возможность равномерного распределения тяговой мощности по всему' составу путем составления поездов из моторвагонных секций.
Теплоэлсктрическая тяга, примененная впервые на судне («Вандал», 1903 г.), начала внедряться и в железнодорожный транспорт. Здесь тяговые электродвигатели получали питание не от неподвижной электростанции через питающий провод, а от дизельного двигателя, приводящего в движение электрогенератор непосредственно на самом локомотиве, получившем наименование «тепловоз». Тепловоз является более экономичным локомотивом, чем паровоз, а также и более автономным, т.е. способным проходить гораздо более длинные пути без пополнения водой и горючим.
В дореволюционной России электротяга не была осуществлена. Имевшиеся проекты электрификации дороги Петербург Ораниенбаум, Закавказской железной дороги остались нереализованными.
В первые десятилетия XX в. все шире стало внедрение электрической энергии в промышленные процессы. Развернулось электрическое производство меди, электрическое производство ряда химических продуктов. Быстро стала распространяться электротермия.
Одним из видов электротермии является электрометаллургия, в частности электрометаллургия алюминия, получившая громадное развитие в рассматриваемый период, особенно в связи с развитием новых видов транспорта — автомобильного и воздушного.
Фиг С--36. |-нд заводского цеха с трансмиссионным привоям.
зи ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
В самом начале XX в. была получена первая высококачественная сталь, свободная от всяких вредных примесей, в дуговых электрических печах прямого и косвенного действия, положив начало новой отрасли металлургии — производству высококачественных сталей.
Процесс электрификации углублялся и развивался по всем трем своим звеньям: росли и совершенствовались тепловые и гидравлические электростанции, электроэнергетические системы, росло количество новых потребителей электрической энергии для осуществления силовых, тепловых, химических производственных процессов.
Вместе с этим складывалась новая, более производительная техника, мало совместимая с капиталистическим присвоением продукта.
РАЗВИТИЕ МЕТАЛЛУРГИИ
На подготовленных научными достижениями конца XIX в. путях развития в XX в. металлургия получила более высокие темпы развития, осно
Фиг. 6—37. Качающаяся сталеплавильная печь
а — ..агрузка печн; 6 — выпуск шлака; а — выпуск металла.
ванные на комплексе следующих мероприятий.
Укрупнение масштаба производства, позволяющего устанавливать и наиболее эффективно использовать наиболее мощные металлургические агрегаты: доменные печи, мартены, конвертеры, обжимные и рельсо-балочные станы.
Введение значительной механизации и автоматизации основных и вспомогательных производственных процессов с целью всемерного повышения производительности труда и интенсификации работы металлургических агрегатов позволило получать больше продукции с квадратного метра пода печей, с кубического метра их объема, с единицы станочного оборудовани я.
Применение научных методов контроля технологических процессов на основе сложившейся теории сталеварения и применение сложных контрольно-измерительных приборов, автоматизации контроля и управления привело к созданию на металлургических заводах общезаводских и цеховых лабораторий, тщательной и основанной на научных данных подготовке сырья и топлива — руды, кокса, угля, флюсов, максимальному использованию отбросов и отходов.
Приведенные условия развития металлургии позволили к 1913 г. — по
следнему предвоенному году — выплавлять и прокатывать громадные количества черноп? металла. В этом году обеспечивалось следующее душевое
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 3J5
Фиг. 6 38. Общин вид блумгнга одного из советских металлургических заводов. (Макет. Государственный Политехнический музей Москва.)
потребление чугуна и стали, в ОША —309 кг стали и 302 кг чугуна, в Англии — 170 кг стали и 228 кг чугуна; в Германии — 229 кг стали и 203 кг чугуна; во Франции — 167 кг стали и 217 кг чугуна Россия резко отставала от этих стран. Душевое потребление в России в 1913 г. составляло только 30 кг стали и 30 кг чугуна.
Рост масштабов металлургического производства от ражал рост его технического оборудования.
Доменные печи достиглитридцатимстровой высоты, объемасвыше 800kz/6.ai, позволяя получать в сутки около 1000 тонн чугуна при низком расходе кокса благодаря утилизации потерь. Высокий подогрев доменного дутья в кауперах обеспечивал устойчивость и эффективность доменного процесса.
Необходимость обеспечения топливом большого количества доменных печей привела к развитию коксохимического производства — получения кокса путем нагревания специальных коксующихся углей в коксовых батареях — печах особой конструкции — без доступа воздуха. В результате процесса получается 70—80% кокса, 15 25% горючего газа и некоторые побочные продукты, служащие ценным сырьем для ряда химических гцюизводств.
Природное распределение источников сырья для доменного производства, коксующихся углей и железной руды поставило задачу постройки транспортных систем, связывающих месторождения полезных ископаемых с металлургическими заводами.
Выросли и усовершенствовались методы передела чугуна в сталь. Емкость мартеновских печей возросла до 300 тонн, а возможность научного контроля за ходом процесса плавки позволила получать высококачествен иыс легированные стали — ферросплавы.
Найденные оптические методы измерения высоких температур на расстоянии дали возможность контроля за ходом бессемеровских процессов, и получения металла высокого качества.
316 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Значительно усовершенствовались технические методы проката. Сооружались громадные прокатные станы — блумингц,—позволяющие прокатывать слитки стали весом свыше тонны и приводимые в действие мощными электродвигателями в десятки тысяч киловатт (фиг. 6—38). Начали внедряться слябинги, обжимные станы, отличающиеся от блумингов наличием, кроме двух основных горизонтальных валков, еще двух вертикальных, обжимающих при прокатке боковые грани слитка.
Широкое распространение приобрели трубопрокатные станы, дающие возможность изготовлять бесшовные стальные трубы разных размеров.
Все большее развитие приобретала электрометаллургия.
Если с количественной стороны развитие металлургии в рассматриваемый период характеризовалось значительным увеличением выплавки чугуна и проката стали, то с качественной стороны это был период решительного перехода во все возраставших объемах от углеродистой стали к стали легированной, к производству все более и более расширяющегося ассортимента специальных сталей.
РАЗВИТИЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Развитие машиностроения в первые десятилетия XX в. характеризуется освоением ряда новых объектов производства. В этот период развивается требующее высокого класса точности производство паровых турбин, возникает автомобилестроение и тракторостроение как массовые производства, использующие принцип взаимозаменяемости деталей, возникает производство автомобильных и авиационных двигателей, котлоагрегатов повышенного давления и производительности, а также ряда новых типов сельскохозяйственных машин для тракторной тяги, производство тяжелого оборудования металлургической промышленности, производство новых объек-тов транспортного машиностроения, новых объектов электроэнергетики; генераторов, трансформаторов, двигателей.
Очевидно, что такое необычайное расширение продукции машиностроительной промышленности вместе с громадным ростом объема продукции не могло не сказаться на оборудовании машиностроительных заводов, на изыскании новых методов производства машин.
Развитие станкостроения характеризовалось повышением производительности станочного оборудования за счет применения новых быстрорежущих сплавов с соответственным увеличением мощности станков; повышением класса точности обработки, отвечающего новым повышенным требованиям машиностроения.
Особое значение в развитии машиностроения рассматриваемого периода имело возникновение и расширение новых методов массового производства, одной из основ которого является поточный метод. Поточный метод представляет собой высшую форму пооперационного разделения труда, начавшуюся в мануфактуре на базе ручного производства. При этом методе производство изделия и его деталей расчленяется на ряд последовательных операций, осуществление которых возлагается на специализированные для производства данной операции станки. Поток деталей от станка к станку, от рабочего к рабочему осуществляется при помощи механизма — конвейера, скорость движения которого определяет скорость протекания всего технологического цикла обработки данной детали или изделия (фиг. 6—39).
$2. РАЗВИТИЕ 1ЕЧНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 317
Фиг. 6—39. Работа на конвейере — сборка радиаторов на автомобильном заводе.
Поточный метод производства шачительно повышает производительность труда, снижает себестоимость продукции, обеспечивает ее однородность, ио в условиях капиталистического производства является средством жесточайшей эксплуатации труда, когда рабочий превращается в придаток машины, целиком подчиненный темпу работы, заданному скоростью движения конвейера, устанавливаемой у самого предела физических и моральных возможностей человека. Поточный метод в руках капиталистов явился методом применения так называемой «потогонной системы», название которой говорит само за себя.
Развитие машиностроения потребовало решения ряда новых научных проблем. В связи с возрастанием скоростей движения, вибраций, ударных и тепловых нагрузок возникла необходимость исследования методов уравновешивания, балансировки, учета крутильных колебаний и вибраций, на хождения критических значений работы узлов и деталей; возникла задача изучения явления «усталости» материала и борьбы с нею. Возник ряд лабораторий по испытанию материалов, деталей и узлов машин и механизмов, подвергающихся разным нагрузкам. Лаборатории оснащаются разнообразным испытательным оборудованием, проверяющим материалы на разрыв, изгиб, кручение, удары, сотрясения и т. д. Все шире применяется изобретенный в 1896 г. инженером А. Г. Гагариным «пресс Гагарина», автоматически вычерчивающий на диаграмме кривую зависимости деформации испытываемого материала от нагрузки.
Специализация станочного оборудования применительно к процессу изготовления той или иной детали или к выполнению той или иной отдельной операции создает базу для все более широкой автоматизации производственного процесса.
318 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
РАЗВИТИЕ ТРАНСПОРТА
Если для транспорта всей второй половины XIX в. было характерно применение паровой машины на пароходах и паровозах, то первые же десятилетия XX в. решительно отвергли монополию паровой машины как универсального двигателя транспорта.
Паровая машина перестает быть универсальным двигателем, поскольку разнообразие 1ребований к двигателю сильно возросло в связи с возникновением новых видов транспорта.
Если в самом начале XX в. только возникла первая потребность и возможность организации автомобилестроения на основе массового поточного производства, то к 20-м годам XX в. автомобилестроение становится развитой отраслью промышленности наиболее развитых в техническом отношении стран: ( IIIA, Англии, Франции, Германии. Из великих держав начала XX в. только царская Россия не смогла организовать собственного автомобилестроения. Русские капиталисты предпочитали вкладывать свои капиталы в промышленность предметов потребления, требующую меньших капиталовложений, дающую быструю и верную прибыль, но вместе с тем превращавшую Россию в страну в сильнейшей степени зависящую от иностранного капитала, страну со слабой обороноспособностью, ничтожно развитой техникой производства средств производства.
Фиг. 6—40. Самолет братьев В. и О. Райт в полете.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 3)9
Только военная коньюнктура и правительственные субсидии побудили в 1914 г. основать в Москве Акционерное общество (АМО), которое так и не сумело организовать независимого производства, ограничиваясь сборкой посредственны.» автомашин из иностранных деталей.
Вместе с тем в XX в. в технику влилась новая область — авиация и авиастроение. В 1903 г. братья О. и В. Райт, установив на усовершенствованный и увеличенный в размерах планер Шанюта легкий 12-сильный двигатель внутреннего сгорания, поднялись в воздух, положив начало многочисленным исканиям первых авиаконструкторов (фиг. 6—40). Бразилец Сантос Дюмон, французы Блерио. Вуазен и Фарман и многие другие стали ставить на хрупкие сооружения из бамбуковых палок и шелка бензиновые двигатели, изыскивая наилучшие формы самолета (фиг. 6—41, 6—12, 6—44). Постепенно повышалась дальность полета от нескольких метров до десятков километров, высота подъема от метров до сотен метров, скорость от 40- 60 до 100—200 км/час, длительность от секунд до минут и даже часов.
Одновременно возрастало и число жертв авиации. Строившиеся на основе опыта, не подкрепленного теорией, самолеты по причинам, чаще всего остававшимся неизвестными, падали, увеличивая число погибших пилотов.
Создатель основ теории полета самолетов Н. Б. Жуковский, начавший свои исследования в конце прошлого века, к 1917 г. разработал и опубликовал «Аэродинамический расчет аэропланов», признанный во всем мире и принесший его автору заслуженную славу основателя теории самолета. Во всем мире стали строить самолеты с крыльями профиля «НЕЖ», винты «НЕЖ», пользоваться при расчете самолетов теорией Жуковского.
В 1913 г. военный летчик П. Н. Нестеров практически подтвердил обоснованную теоретически Жуковским возможность осуществления «мертвой петли».
Авиация из опытов одиночек-энтузиастов выходила на путь формиро вания новой отрасли промышленного производства. Быстрому ее развитию способствовало стремление капиталистических правительств взять авиацию на вооружение.
Даже в царской России, отстававшей во всех областях технического прогресса, были предоставлены возможности проявлению технической мысли, находившие свою реализацию. Так, в 1909 г. Б. Н. Юрьев (впоследствии академик), построил первый удачный вертолет—прародитель рекордных советских вертолетов наших дней.
В России были построены первые многомоторные тяжелые самолеты: в 1913 г. поднялся в воздух «Русский витязь», поставивший рекорд грузоподъемности; несколько позднее — более совершенный самолет «Илья Муромец» (фиг. 6 43), совершивший перелег Петербург — Киев и обратно. В этом же году был построен другой самолет-гигант «Святогор», а также первый гидросамолет — «летающая лодка» — конструкции Григоровича.
Продолжатель дела 11. Е. Жуковского, академик С. А. Чаплыгин, в своей работе «О газовых струях», относящейся к 1902 г., дал теорию полетов с высокими скоростями, послужившую теоретической основой современной высокоскоростной авиации.
Становление электротехники, авиации, автостроения стало решительно сказываться на развитии транспорта. С лишением паровой машины качеств
?20 ГЛАВА VI. ТЕ”ХЫИКА'ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Фиг. 6 41. Самолет Сантос-Дюмона р полете.
Фиг 6—42 Моноплан Л. Блерио.
§2. РАЗВИТ!!! ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА J9|
Фи?^ 6—44	июгомоторный тяжелый самолет сИлья Муромец».
Фиг 6—44 Биплан Вуазена.
322 ГЛАВА V). ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ -МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Сергей Алексеевич Чаплыгин
универсального двигателя эти качества не перешли к какому-либо другому двигателю. Нужда в них стала настолько разнообразной, что удовлетворить ее одним двигателем было уже невозможно. Паровая турбина стала двигателем электрогенераторов и крупных морских судов, дизель—двигателем судов и локомотивов, а легкий бензиновый двигатель стал двигателем автомобилей и самолетов. Электродвигатель стал двигателем многочисленных и разнообразных станков и иных машин: кранов, лифтов, вагонов, поездов, конвейеров, погрузочно-разгрузочных машин и т. д.
Война 1914—1918 гг. уже использовала новые достижения техники в целях весьма далеких от целей произ-водства материальных благ.
Сконструированные Цеппелином в начале XX в. жесткие дирижабли были
первыми бомбардировщиками дальнего действия, стирающими грань между фронтом и тылом, прокладывающими путь к всеобщей «тотальной» войне, ставшей программой воинствующего империализма. Самолеты приняли участие в военных операциях в качестве разведчиков, бомбардировщиков. Родоначальник техники высшего пилотажа, впервые осуществивший «мертвую петлю»,II. II. Нестеров, героически погиб в 1914 г .протаранив вра жес к и й са мол ет-бом ба р д11 ровщи к.
Французское военное командование, мобилизовав таксомоторы Парижа, сумело произвести быструю переброску войск, положив начало будущей мотопехоте и ее техническому оснащению.
Бронированный гусеничный трактор, вооруженный орудием и пулеметами, стал новым объектом техники смерти и разрушения — танком.
В первые десятилетня XX в. возник и быстро распространился внутризаводской транспорт нового типа. Заводы конца прошлого века для внутризаводского транспорта располагали узкоколейками с вагонетками, передвигаемыми людьми или лошадьми, паровыми узкоколейками, применявшимися преимущественно на металлургических и машиностроительных заводах. В XX в. паровозик узкоколейки стал вытесняться мотовозом и электровозом, аккумуляторные электротележки пошли по цехам и между цехами. Ио кроме модернизации старого вида внутризаводского транспорта, возник и быстро распространился новый — транспортеры самых разных видов и назначений. Большое количество материалов, сырья, полупродуктов, топлива и готовой продукции создавало насыщенные грузовые потоки на территории предприятий. Для осуществления этих потоков стали применятся конвейеры и транспортеры: ленточные, ковшовые, скребковые, горизонтальные, вертикальные (элеваторы), червячные транспортеры (шнеки), скреперы, подвесные дороги, рольганги, автопогрузчики и т. д.
В качестве привода все возрастающей армии транспортных средств и устройств применяются электродвигатели.
5 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 323
Автомобиль, который сначала только заполнил разрыв между складом и пристанью или железнодорожной станцией, постепенно становится автономным транспортным средством, обладающим тем преимуществом, что он может брать товар непосредственно от места его производства и доставлять его непосредственно на место потребления без промежуточных перегрузок. Эю положительное качество, дополняемое более низкой стоимостью сооружения автомобильных дорог по сравнению с железными постепенно превращало автомобильный транспор г в серьезного конкурента железнодорожному транспорту.
Рост автомобильного парка существенно изменил энергетический баланс развитых в техническом отношении стран, сказавшись и на мировом балансе. Если к концу XIX в. подавляющее количественное значение в энергетическом балансе играла паровая машина (водный транспорт 60%, железнодорожный транспорт 28%, фабрично-заводские установки 12%), то к первой четверти XX в. первенство по установленной мощности принадлежит уже автомобилю. Количество автомобилей начинает исчисляться миллионами.
По-прежнему главным потребителем механической работы остается транспорт, но ведущим по установленной мощности двигателем становится бензиновый, легкий двигатель автомобиля.
Лицо и энергетический баланс транспорта существенно изменились.
РАЗВИТИЕ СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Развитие строительной техники определилось возникновением ряда новых форм строительных конструкций.
Вызванные страшной дороговизной земли в центрах крупных городов многоэтажные здания не могли быть сооружаемы старыми методами. Для их прочности и устойчивости требовался металлический каркас. Стена здания из несущей конструкции превращалась в изоляционную. Построенная для Парижской выставки 1889 г. инженером Эйфелем 300-метровая стальная башня (фиг. 6—45), получившая имя своего строителя, подготовила возможность возведения высотных конструкций Задача строителей последующих многоэтажных зданий усложнялась по сравнению с башней Эйфеля тем. что каркас этих зданий не сужался кверху и, кроме того, должен был нести громадный вес от стен, перекрытий и прочего оборудования.
Высотные сооружения подняли вопрос о новых строительных материалах, которые при высоких тепло- и звукоизоляционных свойствах должны были отличаться небольшим удельным весом.
Промышленные здания по мере укрупнения предприятий и цехов вызвали возникновение новых типов конструкций стен, перекрытий, опор под крановое оборудование. Вначале преобладают металлические конструкции (фиг. 6—16), а позднее все большее применение приобретают железобетонные конструкции, выполняемые в виде монолитного бетонирования во временные деревянные формы — опалубки. Широкое распространение приобрели комбинированные конструкции с применением железобетона, металлических конструкций и разнообразных заполнителей.
Резко возросшую потребность в камне, кирпиче, цементе, заполнителях уже невозможно было удовлетворять старыми способами кустарного или хозяйственного производства. Начинает складываться новая область
324 ГЛАВА VI. ТЕХНИК X ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОИНЫ
Фиг. в- 45. Башня Эйфеля в Париже.
промышленного производства — промышленность строительных материалов.
Механизируется заготовка и обработка древесины, создаются и укрупняются промышленные предприятия по обработке дерева, оснащаемые машинным оборудованием, на которых готовятся не только строительные ма1ериалы (диски, фанера, паркет и г. и.), но и целые деревянные конструкции и изделия (двери, рамы и т. п.).
Старые «кирпичные сараи» вытесняются кирпичными заводами с высокоэффективными и сооружаемыми на основе научного расчета печами, с оборудованием для машинной формовки кирпича, многократно увеличивающей производительность труда. Вместе с этим возникает возможность
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 325
Фиг 6—4Е Строительство заводских цехов. Металлические конструкции.
производства пустотелого кирпича, укрупненных блоков, привлечения новых строительных материалов. Возникает и развивается производство огнеупорных каменных материалов, отделочной и облицовочной керамики.
Совершенствуется техника цементного производства. Цементные заводы становятся крупными предприятиями с громадными обжигательными печами, механизацией основных процессов производства. Разраоатываются методы контроля качества продукции на основе объективных научных испытаний.
Рост городов и концентрация в них миллионного населения поставили ряд проблем коммунального строительства и благоустройства. Снабжение городов водой, топливом, освобождение их от пыли, мусора, нечистот становятся задачами большой технической сложности. Разрабатываются и осуществляются проекты рациональной организации водоснабжения, канализации, топливоснабжения. Широко осуществляется газификация городов.
Однако в условиях капитализма вопросы городского благоустройства затрагивают только центральные части городов, где располагаются магазины, конторы, банки и отводятся тихие улицы для особняков буржуазии и крупного чиновничества. Но вместе с ростом городов в еще большей степени, растут и рабочие окраины с грязными, немощеными улицами, деревянными домишками, редкими керосиновыми фонарями. Капиталистический город представляет собой яркую иллюстрацию разделения общества на классы эксплуататоров и эксплуатируемых. Во многих промышленных центрах городские окраины выросли как кольцо заводов, окружающих центр города и окружаемых бараками и казармами, в которых в совершенно антисанитарных условиях ютился пролетариат.
РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Громадным скачком промышленной химии в XX в. послужил переход к методам непрерывного потока и применению самых разнообразных катализаторов. Катализаторы позволили в корне изменить самый характер технологических процессов в химической промышленности.
Если раньше химические продукты вырабатывались из природных натуральных продуктов путем постепенного разложения на ряд побочных продуктов, то в XX в. химические производства во многих случаях начинают
326 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЁРВОП МИРОВОЙ ВОЙНЫ
технологический процесс с разрушения исходного продукта до простейших соединений и даже элементов. Все более развивается тенденция исходить из наиболее универсальных химических материалов, получающихся в результате разрушения исходного натурального продукта: водород, окись углерода, кислород, азот. Из этих простейших соединений и элементов посредством каталитического синтеза начинают производить продукты химической технологии для дальнейшей переработки в других отраслях производства.
Были построены многочисленные заводы основных химических производств: соляной кислоты, серной кислоты, азотной кислоты, щелочи (США, Германия, Франция, Италия).
Унаследованные от конца XIX в. методы производства красителей получили широкое применение в гигантски выросшей промышленности красителей. Примером крупного анилинового производства первого десятилетия XX в. может служить Баденская анилиновая фабрика (Германия), перерабатывавшая ежегодно на краску 355 000 тонн каменного угля. На фабрике было установлено 158 паровых котлов, 386 паровых машин, на общую мощность 24 370 л. с. Впоследствии фабрика была электрифицирована. Штат фабрики состоял из 8000 рабочих, 918 служащих, 142 инженеров и 217 химиков.
Подобные фабрики решительно вытесняли старые химические производства, основанные на выработке красильных пигментов из растений, как, например, отмеченная Энгельсом замена получения ализарина из марены искусственным путем.
Громадное развитие получила химия взрывчатых веществ. Изобретенный в 1886 г. бездымный порох, получающийся из клетчатки хлопка, стал вырабатываться особенно интенсивно в связи с постоянной военной ситуацией в Европе и ощущаемой многими близостью «большой войны» за передел мира. Для бризантных взрывчатых веществ, которыми начиняются артиллерийские снаряды, была использована желтая пикриновая кислота, послужившая основой производства «меленита», «лиддита», «робурита», «кардита», «шимозы» и других взрывчатых веществ.
Значительно развивается и автоматизируется возникшее еще в XIX в. спичечное производство.
Крупной отраслью химической промышленности становится производство парфюмерии. Сначала, придав производственные масштабы унаследованным от кустарного производства методам выделения эфирных ароматических веществ из натуральных эфироносителей — лепестков розы, корней фиалок, цветов лаванды, семян аниса и других,— парфюмерные производства начали переходить к химии выделения ароматических веществ из более дешевого исходного продукта — каменноугольной смолы, нефтяных остатков.
Первое десятилетие XX в. ознаменовалось началом получения азотистых удобрений из азота, полученного из воздуха, а не из селитры. Норвежские ученые Биркланд и Эйде разработали метод получения окиси азота в зоне высоких (до 3000 ) температур, создаваемых электрической дугой, с последующей переработкой окиси азота в азотистые соли. Построенный по способу Биркланда и Эйде завод выпускал до 20 000 тонн азотистых соединений ежегодно, используя энергию водопада в установке мощностью в 34 000 л. с.
Были разработаны и другие методы получения азотистых соединений, послужившие основой для производства химических удобрений.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 327
Научные основы химии в сильнейшей степени отразились на производстве стекла. Старые эмпирические производственные секреты мастеров были раскрыты и обогащены методами химического анализа. Для стекол специального назначения в зависимости от желаемых свойств стекла (цвета, прозрачности, коэффициента преломления) вводят разнообразные примеси: окись свинца, окись марганца, борную кислоту, окислы различных металлов и даже металлическое золото.
Автоматизация производства стекла: пневматическое выдувание, применение центробежного литья, внедрение автоматических машин (машина Оуэнса для автоматического производства бутылок, 1908 г.)—привела к развитию крупных стекольных заводов с массовым выпуском продукции.
Развитие химической технологии, скорее всех видов производства отражающей в себе достижения химии, готовило обширную техническую и технологическую базу для предстоящего качественного скачка последующего периода: синтетического производства резины, волокна, пластических масс.
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ СРЕДСТВ СВЯЗИ
Рост интернациональных торговых связей поставил вопрос о изыскании методов более интенсивного использования подводных кабелей трансокеанских телеграфных линий. В годы первой мировой войны, когда загрузка кабелей была максимальной, возможность наиболее эффективного их использования была изыскана в применении нескольких каналов связи, отличающихся частотою несущего тока. Таким образом была достигнута возможность передачи одновременно по 12 каналам, позволившим передавать до 400 слов в минуту.
Открытие селеновых фотоэлементов, после трудов А. Г. Столетова, позволило использовать фотоэффект для целей передачи по телеграфу изображений. Возник так называемый фототелеграф.
Значительного развития достигла радиосвязь.
С 1901 г. морские суда стали, как правило, оборудоваться радиопередатчиками. В 1909 г. благодаря судовому искровому телеграфу удалось спасти 1200 человек с судна «Флорида» и 800 с судна «Республика», столкнувшихся в тумане. В начале 1911 г. было спасено 250 человек с судна «Лис-боа», потерпевшего аварию в 120 км от Капштадта.
Расстояние радиосвязи все увеличивалось. В 1910 г. пароход «Тенесси» получил сообщение о прогнозе погоды из Калифорнии на расстоянии 7500 км, а в 1911 г. была достигнута радиосвязь на 10 000 км.
Особо ценное качество радиосвязи — возможность иметь постоянную связь с подвижным объектом — начали использовать и на железной дороге. В 1905 г. Форес в США начал свои опыты с радиосвязью железнодорожного состава в пути со станциями и после ряда опытов достиг дальности приема сигнала на 50 км.
В конце 1910 г. английская подводная лодка осуществила радиосвязь с крейсером через воздушную антенну и положила начало опытам над возможностью связи с подводного положения.
Быстро растущий воздушный транспорт сразу же оценил возможности радиосвязи. Тихоходные и громоздкие воздушные корабли первых десятилетий XX в., впоследствии уступившие место самолетам, —дирижабли — стали снабжаться радиоустановками. В частности, такая установка спасла
328 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Фиг. 6—47. Монтаж современной автоматической телефонной станции.
от гибели Вельмана, сделавшего попытку пересечь на дирижабле Атлантический океан.
В 1911 г. Бэкер в Англии сконструировал портативный передатчик весом около 7 кг и разместил его на самолете. При помощи этого первого самолетного радиоустройства ему удалось передавать сигналы на расстояние до 1,5 км.
В 1907 г. удалось впервые установить надежную радиосвязь между Европой и Америкой.
Особое значение в развитии техники было связано со звуковыми передачами, открытыми еще А. С. Поповым. Из радиотелефона возникла и развилась система радиовещания, в свою очередь послужившая базой для развития крупной отрасли капиталистической промышленности — радиопромышленности, продукция которой теперь не ограничивалась заказами военных ведомств и министерств связи, а стала продукцией массового потребления.
Радиотехника, используя новые методы, изыскивая новые конструктивные формы, в свою очередь породила новую отрасль промышленности — электронику.
Произошли большие количественные и качественные изменения в технике телефонной связи.Число установленных в мире телефонных аппаратов достигло 10 миллионов; суммарная длина проводов телефонной связи — 36 650 000 км\ капиталовложения в телефон достигли громадной цифры 2 млрд. 910 млн. рублей золотом; ежегодно число телефонных переговоров подходило к 10 миллиардам; на каждую 1000 человек населения приходилось в разных городах и странах от 10 до 170 абонентов.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 320
Городская телефонная связь вышла за пределы города, округа, страны. Телефон стал международным средством связи.
Вместе с тем произошли и глубокие качественные изменения в системе телефонии. Старые телефонные станции ручного обслуживания с их ограниченными возможностями и изнурительным трудом телефонисток начали заменяться автоматическими.
Автоматические телефонные станции, еще далекие по своему совершенству от современных (фиг. 6—47), с самого начала XX в. получили быстрое распространение. К концу первого десятилетия XX в. в эксплуатации находилось уже свыше 200 000 автоматических телефонных станций.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электроника — развитая область электротехники, дающая возможности выпрямления переменного тока, гибкого регулирования, контроля и систематического измерения в самых разнообразных производственных процессах. Свои задачи электроника решает преимущественно путем контроля и управления потоком электронов (отсюда — ее название), ионов. Основным техническим объектом электроники служит электронная лампа (в последнее время и полупроводниковые приборы), принцип действия которой наблюдался Эдисоном еще в 1883 г.
Занимаясь усовершенствованием электрических ламп накаливания. Эдисон обратил внимание на появление налета на внутренних стенках стеклянной колбы.
Пытаясь установить причины потемнения (сопровождавшегося перегоранием угольных нитей ламп), Эдисон поставил следующий опыт. Внутри лампы с нитью накала была впаяна изолированная металлическая пластинка, соединенная с гальванометром. При соединении пластинки с положительным полюсом батареи стрелка гальванометра отклонялась, что указывало на наличие тока между угольной нитью накала и пластинкой. При соединении пластинки с отрицательным полюсом батареи ток отсутствовал. Это явление, получившее название «эффект Эдисона», позднее получило свое объяснение, заключающееся в том, что раскаленная нить испускает поток электронов. Испускание электронов — термоэлектронная эмиссия — привлекло внимание ученых тем, что могло быть использовано для создания прибора, пропускающего ток в одном направлении.
В 1904 г. английский ученый Д. Флеминг сконструировал электронную лампу с двумя электродами — диод, которая получила широкое применение в радиоприемных устройствах в качестве выпрямителя.
Многочисленные опыты с диодами привели к новым открытиям. В 1904 г. Вайнтрауб и в 1907 г. Ли де Форест открыли явление исключительной важности: потоком электронов можно управлять при помощи третьего электрода (сетки), подавая на него положительный или отрицательный потенциал. Трехэлектродная лампа — триод — нашла широкое распространение в качестве усилителя слабых электрических колебаний.
Дальнейшие исследования трехэлектродных электронных ламп открыли возможность их использования в качестве генераторов постоянных, незатухающих электрических колебаний. В 1913 г. Мейснером была предложена наиболее совершенная схема работы лампового генератора.
330 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Ламповый генератор незатухающих колебаний дал новые возможности по сравнению со старыми высокочастотными радиопередатчиками. Электронная лампа как генератор незатухающих колебаний отличалась простотой устройства, экономичностью, устойчивостью работы и позволяла строить радиопередающие устройства в широком диапазоне частот и мощностей.
Использование электронной лампы в качестве детектора, усилителя и, наконец, генератора незатухающих колебаний позволило увеличить дальность и надежность радиосвязи. С 1916 г., когда были освоены более совершенные методы достижения максимального вакуума в колбах ламп, электронные лампы стали основным элементом радиопередающих и радиоприемных устройств.
В трудах по разработке приемно-усилительных и генераторных ламп значительное участие принимали отечественные ученые. В 1911 г. академик Н. Д. Папалекси заложил фундамент существующей теории преобразовательных схем на основе исследования схем выпрямления тока в связи с появлением первых электронных вентилей — кенотронов. Позднее, в конце 20-х годов, М. А. Бонч-Бруевич разработал конструкции мощных генераторных ламп с водяным охлаждением.
Началу становления промышленной электроники не в меньшей степени способствовали исследования электролитических выпрямителей тока и дуговых выпрямителей, зачинателем которых в нашей стране был академик В. Ф. Миткевич, публиковавший свои труды в этой области с 1901 г. и в 1907 г. удостоенный премии имени А. С. Попова.
Таким образом, в период с 1901 по 1920 г. происходит большая подготовительная работа к развитию промышленной электроники.
Вместе с электроникой, с развитием ее чутких, безынерционных и легко управляемых приборов, подготавливалась техническая основа развития автоматики.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ КИНЕМАТОГРАФИИ
В короткий период начиная с 1900 г. быстро сложилась новая область техники, ставшая технической основой новой области культуры и вместе с тем крупной отраслью экономики ряда стран.
В самом конце XIX в., в 1897 г., сначала в Париже, а позднее на Нижегородской промышленной выставке французская фирма «Братья Люмьер» продемонстрировала публично свое новое достижение, которому предстояло блестящее будущее — кинематограф.
По быстроте развития с кинематографом могло соперничать разве только радио. Уже в 1900 г. началось коммерческое производство художественных игровых, видовых, хроникально-документальных и научно-популярных кинофильмов.
Низкая стоимость организации проката кинофильмов, сравнительно несложное оборудование, состоявшее из киноаппарата и экрана, позволили привлечь в кинотеатры многомиллионные массы зрителей, что не только полностью окупало затраты по производству фильмов, но и давало громадный процент прибыли. Широкое поле применения и высокая прибыль сразу же определили кинематографию как перспективную отрасль для вложения капиталов, и эта отрасль за два десятилетия становится одной из крупнейших.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД МОНОПОЛИСТИЧЕСКОГО КАПИТАЛИЗМА 33]
Техника кино получила использование и в качестве орудия научных исследований самых разнообразных быстро протекающих процессов, в качестве документатора явлений и событий, в процессе преподавания.
В первое же десятилетие XX в. возникает потребность сделать кино цветным и звучащим. Первые методы цветного кино заключались в медленной и трудоемкой раскраске фильмов. Затем английская фирма «Урбэн Смит» запатентовала новый метод, названный «кинемоколор», состоявший в том, что кадры фильма попеременно снимались через зеленый и через красный фильтр так, чтобы при проецировании фильма происходило наложение цветов. Недостатком метода являлась необходимость увеличивать скорость пропускания фильма в два (при двухцветном методе) или даже в три (при трехцветном: красный, синий, желтый) раза; соответственно удлинялась вдвое или втрое лента. Фирма ограничивалась двумя цветами (красный и зеленый), что не могло не отразиться на качестве воспроизводства натуральных цветов.
Только в конце 20-х годов XX в. кино стало звучащим, а в середине 30-х годов цветным.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Развитие техники в период возникновения монополистического капитализма идет ускоренными темпами, вместе с тем все сильнее начинают сказываться противоречия, тормозящие беспрепятственное развитие техники.
2.	Происходит быстрый скачок в развитии энергетики. Энергия становится товаром, для выработки которого строятся новые высокопроизводительные котлы, мощные паровые турбины, высокоэкономичные двигатели Дизеля, новые типы мощных гидравлических турбин.
3.	Начинает развиваться электрификация. Строятся районные станции на месте источников энергетических ресурсов: топлива, водной энергии. Растет дальность передач электроэнергии. Возникают энергетические системы. Развивается применение электрической энергии в промышленности и на транспорте. Вместе с тем проявляется неспособность капитализма решить ряд доступных в техническом отношении, но противоречащих природе капитализма проблем.
4.	Гигантски возрастает выпуск продукции черной металлургии. Растут размеры доменных печей и мартенов, растет использование их площадей и объемов. Вводятся мощные блуминги и слябинги. Точный контроль за процессами позволил начать производство высококачественных ферросплавов.
5.	В машиностроении возникают новые области: автомобилестроение, автотракторостроение, позднее — самолетостроение. Возрастает производительность и класс точности станочного оборудования. Возникает поточный метод с его высокой производительностью и возможностью организации «потогонной» системы жесточайшей эксплуатации.
6.	Возникает и быстро развивается автомобильный транспор г. Зарождается авиатранспорт. Происходит специализация разных типов двигателей по разным отраслям промышленности и транспорта. Возникает и быстро развивается разнообразный внутризаводской транспорт.
7.	Строительная техника характеризуется распространением каркасных, металлических и железобетонных конструкций. Возникает специальная
332 ГЛАВА VI. ТЕХНИКА ПЕРИОДА ИМПЕРИАЛИЗМА И ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
промышленность строительных материалов, обеспечивающая массовый их выпуск. Особые проблемы возникают в коммунальном строительстве.
8.	В химическом производстве большое значение получает применение разнообразных катализаторов, изменяющих характер производственных процессов. Вырастают громадные химические предприятия. Важное значение приобретает производство взрывчатых веществ. Развивается производство парфюмерии. Возникает производство азотистых удобрений. Химия изменяет и совершенствует технологию получения стекла.
9.	Развивается техника средств связи. Телеграф обогащается новыми возможностями: многоканальным использованием линий связи, началом фототелеграфа. Быстро развивается радиосвязь через океан, с судами, дирижаблями, самолетами. Растет сеть телефонной связи, число установленных аппаратов превышает 10 млн. Начинает внедряться автоматическое телефонирование.
10.	Возникает новая область техники — кинематография, получающая исключительно быстрое развитие и становящаяся существенным элементом народного хозяйства ряда стран. Делаются первые попытки озвучения фильмов, получения цветных фильмов.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX ВЕКА ДО ВЕЛИКОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ
РЕВОЛЮЦИИ
(1848—1917)
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX СТОЛЕТИЯ
Победа и утверждение капитализма происходили в обстановке ожесточенных классовых битв (европейские революции 1848 г., чартистское движение в Англии, восстание силезских ткачей в Германии). На исторической арене в качестве самостоятельной политической силы появляется пролетариат, олицетворяющий наиболее прогрессивные тенденции общественного развития. Буржуазия перестает быть носителем прогрессивных тенденций, между нею и пролетариатом все более и более обостряются антагонистические противоречия.
Концентрация капитала, переход к форме крупных монополий, еще более усугубляет противоречия между общественным характером производства и частным характером присвоения. Капитализм становится загнивающим. Противоречия могут быть разрешены только пролетарской революцией.
В этой обстановке рождается научный социализм, являющийся теоретическим выражением пролетарского движения.
Противоречия в развитии общества отражаются и на развитии науки. С одной стороны, буржуазия все более и более нуждается в развитии точных и естественных наук для усовершенствований в промышленности, с другой стороны, свобода научного мышления и творчества становится для нее опасной.
Планомерного развития науки в интересах общественного прогресса буржуазия так же, как и феодализм обеспечить не в состоянии. Организация науки в известной мере повторяет черты организации общественного производства.
Вначале это отдельные, соперничающие между собой (и вместе с тем связанные общими задачами научного исследования) ученые университетских и академических кафедр. По мере развития науки выясняется невозможность решения растущих научных проблем единичными усилиями, частными лабораториями. С семидесятых годов начинается строительство институтов и организация научных школ. Эти школы нередко являются крупными международными объединениями (школа Реньо в Севре, Гельмгольца в Берлине, Кундта в Страсбурге, Д. Д. Томсона в Кембридже), ,но наряду с ними действуют и школы более узкого типа (например, школа П. Н. Лебедева в Москве, лаборатория Камерлинг-Оннеса в Лейдене). Усиливается связь науки с промышленностью сначала в области теплофизических
334 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
исследований (Реньо во Франции, Ранкин в Англии), затем в области электротехники и тяжелой индустрии. Все это факторы, способствующие научному прогрессу и показывающие, что капитализм еще был в состоянии обеспечивать этот прогресс. Но, с другой стороны, не было недостатка и в фактах отрицательного влияния капиталистического строя на прогресс науки и техники. История науки и техники в эпоху капитализма знает немало случаев трагической судьбы изобретателей и ученых. История физики может указать на травлю Р. Майера, невыносимые условия работы И. и М. Кюри, тяжелые условия развития физики в России.
Показателем реакционного влияния капиталистического строя на научный прогресс является рост реакционной философии в науке: махизм, энергетизм, позитивизм, борьба против дарвинизма и особенно ожесточенная борьба против марксизма. Все эти факты свидетельствуют о том, что капитализм уже не был в состоянии обеспечить всестороннего действительно свободного развития пауки в интересах общества. Капитализм интересуется наукой только в своих узкоэгоистических интересах, что в эпоху империализма привело к такому отвратительному явлению, как милитаризация науки.
Переходя к характеристике развития физики в отдельных странах, нужно заметить следующее.
Преимущественное положение французской физики утрачивается. После буржуазной революции 1848 г. в Германии наблюдается подъем естественных наук, в особенности химии и физики. Наука в Германии и немецкая система просвещения сыграли большую роль в возвышении Германии и, в частности, в ее победе над Францией в 1870—1871 гг
Наука во Франции отстает от немецкой, причем в этом не последнее место принадлежит влиянию католической церкви в системе просвещения. Отрицательная роль клерикализма сказалась и в итальянской науке.
В Англии наука развивается устойчиво. Ее особенностью является то, что она развивается за счет главным образом частных средств. Английские капиталисты, наживающиеся на ограблении колониальных стран, охотно субсидируют науку. Для лучшего развития наук в Великобритании учреждается Британская Ассоциация для преуспеяния наук. Ежегодные съезды этой Ассоциации проводятся в различных городах Британской империи. Значительную роль в развитии физики в Англии сыграла созданная на средства герцога Кавендиша лаборатория Кавендиша в Кембриджском университете. Первым директором этой лаборатории был Максвелл.
После падения крепостного права усиливается значение науки в России. Россия выдвигает ряд блестящих естествоиспытателей: Д. И. Менделеева, А. М. Бутлерова, И. М. Сеченова, К. А. Тимирязева, Н. Е. Жуковского, А. Г. Столетова, Н. А. Умова, А. М. Ляпунова и многих других. Однако в целом положение науки в России остается тяжелым, условия для ее развития крайне неблагоприятны. С отсталостью науки в России покончила только Великая Октябрьская социалистическая революция.
Своеобразными чертами отличается развитие науки в Америке. Америка преуспевает в технике, в конкретных приложениях науки.
В развитии теоретических наук Америка отстает. К концу XIX в. Америка дала выдающегося теоретика Д. Гиббса и экспериментатора А. Майкельсона, а также выдающихся изобретателей Т. А. Эдисона, Д. Е. Юза, А. Г. Белла.
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
335
Антифеодальная революция 1868 г. знаменовала вступление Японии на путь капиталистического развития. В 1868 г. был открыт университет в Токио, в 1897 г. — в Киото. В этих университетах работало немало физиков, среди них мировую известность получил Нагаока.
Итак, мы видим, что по мере распространения капитализма и ликвидации феодальных пут создаются более благоприятные условия для развития науки: 40-е годы в Германии, 60-е годы в России, 70-е годы в Японии отмечаются подъемом точных и естественных наук. В Америке рубежом явилась гражданская война 1863—1866 гг., после которой в стране начало развиваться университетское образование и теоретическая наука. Рост национального движения в Индии вынудил Англию обратить внимание на подготовку кадров из местного населения. С 1857 г. начали возникать колледжи и университеты в Бомбее, Калькутте и других крупных городах Индии. Однако основной функцией этих университетов был прием экзаменов на государственные должности, и число учащихся в каждом из них было незначительно. Известность своими работами в области электромагнитных волн и биофизики получил индийский физик Джегдиш Чандра Бозе. Возникли также университеты в Австралии и Новой Зеландии. Все это в конечном счете должно было служить процветанию капиталистической Англии.
теплофизика
Французские ученые продолжали развивать направления, разработка которых была традицией французской науки. К числу этих направлений принадлежала прежде всего физика тепловых явлений. Здесь мы должны отметить обширные исследования Анри Виктора Р е н ь о (1810—1878). «Тремя томами своих исследований, — писал о Реньо А. Г. Столетов, — предпринятых по поручению министра публичных работ с целью определить числовые данные, важные в теории паровой машины, Реньо воздвиг себе колоссальный монумент». Это был эмпирик, строгий и придирчивый ко всем мелочам, поставивший целью своей жизни накопление безупречного, фактического числового материала. Идейная сторона физики его мало интересовала. «Новые идеи, как, например, механическая теория теплоты, проникли в науку помимо Реньо, можно сказать — вопреки ему: он не вдруг в них уверовал», — писал А. Г. Столетов. Но «Исследования» Реньо (первый том их вышел в 1847 г., второй — в 1862, третий — в 1870 г.; материалы четвертого тома вместе с лабораторным оборудованием были уничтожены немцами при взятии Парижа) служили делу создания «новых идей», они составили опытную базу термодинамики.
Реньо определял коэффициенты расширения ртути и газов (1847 г.), изучал газовые термометры, исследовал упругость газов и паров, проводил калориметрические измерения. Большую известность получили его измерения теплоемкости газов (1862 г.). Он же впервые точно определил зависимость скрытой теплоты испарения от температуры. Для воды им была предложена эмпирическая формула X = 606,5 ф- 0,305 t. В 1843 г. им было проведено исследование упругости насыщенных паров в пределах от—32 до ф-230°. Одновременно аналогичные исследования проводил в Германии Магнус в интервале от —20 до ф-110° С. Исследования, аналогичные исследованиям Реньо, помимо их значения для термодинамики, имели важное значение для теплотехники, обогащая ее развитие научным материалом. Методы
336 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Анри Виктор Репьо
калориметрии, разработанные Реньо, и поныне применяются в учебных лабораториях.
Одним из актуальных вопросов теплофизики был вопрос о природе газового состояния. Являются ли газы ненасыщенными парами, или существуют так называемые постоянные газы, ни при каких условиях не конденсирующиеся, — вот вопрос, который волновал физиков с тех пор как Фарадей в 1823 г. получил жидкий хлор. В этот же самый день химик Гемфри Дэви обратил в жидкость хлористый водород, получив конденсированную концентрированную соляную кислоту.
Фарадей разработал простую, но очень важную методику сжижения газов. В трубке, изогнутой в виде сифона, находился испытуемый газ, конец трубки запаивался и помещался в охлаждающую смесь, в другом конце находился материал, выделяющий газ при нагревании. Нагревая
этот конец трубки, увеличивают количество газа и его давление. Увеличение давления и охлаждение на другом конце создают условия, благоприятные для конденсации. Таким путем Фарадей обратил в 1823 г. девять «постоянных» газов в жидкость. Однако воздух, азот, кислород, водород обратить в жидкость не удалось. В 1844 г. венский физик Наттерер, применяя давление, доходившее до 3600 ат, и охлаждающую смесь, понижающую температуру до 140° С, пытался конденсировать воздух, но безуспешно. Фарадей, ссылаясь на наблюдение Коньяр-де-ла-Тура, показавшего, что при определенной температуре жидкость при достаточном давлении делается густым паром, однородным по плотности с жидкостью, указал, что «при этой температуре или несколько высшей нельзя ожидать, чтобы какое-нибудь повышение давления — исключая, быть может, чересчур сильного — могло обратить газ в жидкость».
В 1860 г., исследуя капиллярные постоянные жидкостей, Д. И. Менделеев (1834—1907) пришел к выводу, что существует некоторая определенная температура, названная им «абсолютной температурой кипения», при которой капиллярная постоянная обращается в нуль, молекулярное сцепление исчезает, и жидкость по своим свойствам становится тождественной с паром. Результаты своих исследований он изложил в статье «О сцеплении некоторых жидкостей и об отношении частичного сцепления к химическим реакциям», напечатанной в «Горном журнале» за 1861 г. Об этой статье сам Менделеев позже писал: «Статья эта есть заключение... всех моих работ по капиллярности. Из них, кроме некоторых фактических численных данных и ознакомления с некоторыми чистыми веществами (например, глицерином), ценно преимущественно понятие—ныне общепринятое—о температуре абсолютного кипения, ныне называемой «критическою температурою»_
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
ЗТ7
Понятие «критической температуры», о котором говорит здесь Менделеев, как «ныне общепринятом», было введено английским ученым Томасом Эндрюсом (1813 — 1885) в 1869 г. Эндрюс помещал углекислоту в стеклянную трубочку, запаянную с одного конца и закрытую с другого ртутным поршнем. Трубочка помещалась в закрытый сосуд с жидкостью, на которую оказывалось давление винтовым прессом, давление через жидкость и ртуть передавалось углекислоте. До тех пор пока температура была ниже 31° при достаточно сильном сжатии, можно было наблюдать конденсацию углекислоты, когда изотерма ее переходила в прямолинейный отрезок, параллельный оси объемов. При температуре выше 31° никакой конденсации не наблюдалось, прямолинейный отрезок изотермы исчезал. Выше критической температуры вещество является газом, и постоянные газы
Дмитрий Иванович Менделеев
это те, критическая температура которых лежала ниже доступных в то время температур.
Открытие критической температуры повлекло ряд важных следствий. Поскольку из исследований Эндрюса выяснилось, что жидкое и газообразное состояние являются только крайними ветвями одного и того же состояния, и поэтому, изменяя соответствующим образом температуру и давление, можно непрерывным образом перейти от жидкого состояния к газообразному и, наоборот, возникла мысль, что уравнение состояния Клапейрона—Менделеева не точно описывает газовое состояние. Опыты самого Менделеева, Реньо, Амага и других показали наличие отступлений от закона Бойля— Мариотта. В 1873 г. голландский физик Ван-дер-Ваальс (1837— 1923) выступил с диссертацией «Непрерывность газообразного и жидкого состояния». Основываясь на соображениях кинетической теории газов, он вывел свое широко известное ныне уравнение состояния. Это уравнение охватывает как газообразную, так и жидкую фазу. Изотермы уравнения имеют для данного давления либо три разных объема, либо три кратных объема, либо только один объем. Пограничный случай трех кратных объемов и есть критическое состояние. В 1880 г. другое уравнение состояния предложил Клаузиус, и с тех пор не прекращались попытки дать наиболее точное и всеобъемлющее уравнение состояния. Ван-дер-Ваальс ввел также важное понятие «соответственных состояний». Если ввести в уравнение состояния в качестве единиц давления, объема и температуры критические значения этих величин, то уравнение состояния принимает вид универсального уравнения, не содержащего характеристических постоянных вещества, и изотермы такого «приведенного» уравнения будут одинаковы для
12 П. С. Кудрявцев
338 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Михаил Петрович Авенариус
всех веществ. Ясно, что это свойство приведенных уравнений дает метод для определения критических постоянных вещества, коль скоро известны критические постоянные какого-либо вещества.
Определению критического состояния, выяснению этого понятия и разбору методов определения критических параметров было посвящено множество работ. Особо следует отметить вклад русских ученых: исследования физиков Киевской школы М. П. Авенариуса (1835—1895), который вместе со своими учениками А. И. Надеждиным (1858—1886), В. И. Зай-ончковским, О. Э. Страусом, К. И. Жуком, И. И. Косоноговым определил критические параметры. Данные, полученные этими исследователями, пользовались широкой известностью и публиковались в физических и химических справочниках, в частности в известном справочнике Ландольта. Особенно замечательны исследования безвременно скончавшегося талантливого физика А. И. Надеждина, разработавшего оригинальный метод определения критического состояния и впервые определившего (7 марта 1885 г.) критическую температуру воды.
Большой вклад в исследование критического состояния был внесен русским физиком Б. Б. Голицы н ы м (1862—1916), исследовавшим оптический метод (метод мениска) определения критического состояния,и А. Г. Столетовым, который в четырех статьях разобрал обширный экспериментальный и теоретический материал по критическому состоянию и высказал ряд важных идей (например, о роли количества вещества в трубке, о быстроте изменения плотности вещества в области критической точки), способствовавших уяснению этого понятия. Вместе с тем следует отметить, что решение вопроса о природе критического состояния (является ли оно однородным, как думал Столетов, или разнородным, как думал Голицын) затянулось до наших дней.
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
339
Открытие критической температуры показало путь, которым следует идти для сжижения «постоянных» газов. Их нужно было охлаждать до температуры ниже критической.
Кальете в 1877 г. применил для конденсации кислорода адиабатическое охлаждение при внезапном расширении сильно сжатого газа (начальная температура —29°С, давление 300 ат, конечное давление 1 ат, температура около—200°С), Пикте в то же время применил для сжижения кислорода так называемый каскадный метод, т. е. метод последовательного охлаждения. Окончательная температура, достигнутая при этом, остается неизвестной. Сжижение водорода удалось Дьюару 10 мая 1898 г. путем использования так называемого дроссельного эффекта, или эффекта Джоуля— Томсона. Д. Джоуль и В. Томсон (лорд Кельвин) в 1853 г. открыли, что реальный газ при адиабатическом продавливании через пористую пробку (дроссель), вообще говоря, испытывает изменение температуры, расширяясь таким образом, он либо охлаждается, либо нагревается. Эффект этот может быть понят из существования Ван-дер-Ваальсовых сил: если преобладают силы сцепления, то газ при расширении охлаждается, если силы отталкивания — то нагревается. Температура, при которой действия сил отталкивания и притяжения компенсируются, называется температурой инверсии. Производя расширение газа через узкое отверстие при температуре ниже температуры инверсии, можно вызвать его охлаждение. На таком принципе работала установка Дьюара по сжижению водорода, на таком же принципе работала одна из первых холодильных машин — машина Линде для получения жидкого водорода.
ТЕРМОДИНАМИКА
Наряду с накоплением эмпирического материала усиленно разрабатывались теоретические основы тепловых явлений. Открытие закона сохранения и превращения энергии привело к воззрению на теплоту как род механического движения. Теория теплоты, основанная на этом представлении, получила название механической теории тепла. Это была первая фаза становления термодинамики. Механическая теория тепла рассматривала взаимоотношения теплоты и работы и ее экспериментальной основой были опыты по установлению механического эквивалента теплоты.
Основателями ее были немецкий физик Р. Клаузиус, английский физик В. Томсон, английский инженер Д. В. Маккорн-Ранкин. Существенный вклад в развитие термодинамики внесли: американский физик Д. У. Гиббс, немецкий физик Г. Гельмгольц, английский физик Д. К. Максвелл, немецкий физик М. Планк, немецкий физико-химик В. Пернет и другие ученые. Из русских ученых вопросами термодинамики и ее приложениями занимались И. А. Вышнеградский, В. Л. Кирпичев, В. Ф. Лугинин, М. Ф. Окатов, А. Г. Столетов, Н. А. Умов, Н. Н. Шиллер, В. А. Михельсон, А. И. Бачинский, М. В. Кирпичев и другие.
Р. К л а у з и у с (1822—1888) опубликовал свою первую работу в1850г. В 1864—1867 гг. он издал свои статьи по механической теории теплоты отдельной книгой. В 1876 г. вышел первый том его «Механической теории тепла» — это был один из первых термодинамических трактатов (самым ранним руководством по термодинамике была книга Цейнера, вышедшая в 1859 г.). Статьи В. Томсона «О динамической теории теплоты» начали выходить с 1851 г. В 1852 г. появились его статьи «О механическом действии 12*
340 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
лучистой теплоты, или света», «О власти одушевленных существ над мате рией», «О полезных для человека источниках работы», развивающие идеи второго начала термодинамики. С 1851 г. появились статьи Ранкина, посвященные основным понятиям механической теории тепла и прежде всего таким, как работа и энергия. Термин «работа» был предложен Пон-селе в 1826 г., термин «энергия», употреблявшийся еще Юнгом, был предложен Маккорн-Ранкиным и принят В. Томсоном и Гельмгольцем. Маккорн-Раикин же предложил в 1854 г. измерять в теоретических расчетах теплоту в механических единицах (эргах, килограммометрах и т.д.), основываясь на эквивалентности теплоты и работы. С определения основных понятий начинает и Клаузиус.
В основе термодинамических работ В. Томсона и Р. Клаузиуса лежит идея, «что теплота представляет собой
не вещество, а динамическую форму механического эффекта» (В Томсон), или «что теплота представляет некоторый род движения». Исходя из опытов Джоуля, Томсон и Клаузиус формулируют первое начало термодинамики, которое Клаузиус называет «.принципом эквивалентности между теплотой и работой». Клаузиус формулирует первое начало следующим образом:
«Во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится пропорциональное полученной работе количество тепла, и, наоборот, при затрате той же работы получается то же количество тепла». В более короткой форме Клаузиус формулирует этот принцип так:
«Возможно превратить работу в теплоту и, наоборот, теплоту в работу, причем обе эти величины всегда пропорциональны друг другу».
I Точти совпадает с формулировкой Клаузиуса и формулировка В. Томсона, который прямо указывает, что первое начало обязано своим происхождением Джоулю. Томсон доказывает с помощью воображаемого кругового процесса, при котором тело или система возвращается к исходному состоянию, что сумма произведенной им или полученной работы равна полученной или отданной теплоте. Клаузиус это последнее положение выводит из математической формулировки первого начала, которая у него имеет вид дифференциального соотношения
dQ = dH + dL,
здесь dQ — бесконечно малое количество тепла, сообщенное телу (измеренное в единицах Ранкина), Я — теплота, содержащаяся в теле, и dH — ее бесконечно малое приращение, dL — бесконечно малая работа, совершенная телом. Эту работу Клаузиус разделяет на внутреннюю di и внешнюю d\V dL = dI^dW.
<$ I. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
341
При этом изменение внутренней энергии не зависит от способа перехода, а только от начального и конечного состояния. Поэтому di является полным дифференциалом некоторой функции конфигурации частиц тела, которую Ранкин называет потенциальной энергией, а Клаузиус называл неудачным и потому не привившимся названием «эргал». Внешняя же работа зависит от способа перехода, и в частности, от того, «происходит ли изменение обратимым или необратимым образом». Разделение процессов на обратимые и необратимые принадлежит Клаузиусу. «Так как действительно заключающаяся в теле теплота и внутренняя работа,— пишет Клаузиус по поводу членов своего уравнения,— играют совершенно одинаковую роль в упомянутом выше весьма важном соотношении и так как, далее, вследствие незнакомства с внутренними силами тел нам обычно известна лишь сумма этих двух величин, а не их значения в отдельности, то я уже в своей первой работе, посвященной теплоте и появившейся в 1850 г. .охватил обе эти величины одним знаком». То есть Клаузиус полагает
H+I^U
и соответственно пишет первое начало в виде
dQ = dU-^-dW.
«Томсон в своем мемуаре 1856 г. назвал эту функцию «механическая энергия тела в данном состоянии», а Кирхгоф употребил название «функция действия». Наконец, Цейнер в своей работе «Основы механической теории тепла», появившейся в 1860 г., назвал помноженную на термический эквивалент работы величину U внутренней теплотой тела». Клаузиус предлагает название для U «энергия тела», или, как теперь ее называют, внутренняя энергия. Она является функцией состояния. Теплота же, как правильно указывает Клаузиус, не является функцией состояния, и поэтому говорить о полном количестве тепла в теле, как это было естественно в теории теплорода, «является с точки зрения новейшей теории теплоты неприемлемым». Та «теплота, содержащаяся в теле», которую ввел он вначале (не совсем удачно), является только частью внутренней энергии тела.
Далее Клаузиус рассмотрел цикл Карно и показал, что общий характер результата Карно (независимость от природы рабочего тела) является выражением некоторого общего закона природы, который сам Клаузиус сформулировал (в мае 1851 г.) следующим образом:
«Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Клаузиус поясняет слова «сама собой» так, что этот переход от холодного тела к теплому невозможен «без компенсации» противоположным переходом.
В. Томсон (1824—1907) в «Динамической теории теплоты» формулирует второе начало по Карно и Клаузиусу следующим образом:
«Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе ее в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части ее движений превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счет заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурами источника тепла и холодильника». Другими словами, все обратимые термодинамические машины, работающие между данным нагревателем и холодильником,имеют один и тог же коэффициент полезного действия. Клаузиус доказал это предложение (теорему Карно), опираясь
34? ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX е. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Вильям Томсон
на свою формулировку второго начала. В. Томсон предлагает в качестве исходного пункта другую «аксиому».
«.Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов-».
Томсон в примечании так поясняет свою аксиому:
«Если бы мы не признали эту аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира».
В своей формулировке Томсон делает оговорку о «неодушевленно
сти» деятеля, т. е. не считает возможным распространить действие второго начала, как это имело место в отношении закона сохранения энергии, на живые существа. Следует добавить, что Томсон допускал, что «творческая сила» (т. е. бог) «может создавать и уничтожать механическую энергию» — взгляд, ведущий свое начало еще от Ньютона В этих высказываниях Том сона отражаются характерные для английских ученых противоречия между ограниченным буржуазным миросозерцанием и стихийной материалистической позицией в естественнонаучных вопросах. Он же, распространяя действие второго начала на всю Вселенную, приходит к пессимистическим выводам о «рассеянии» энергии и предстоящей гибели, «если только не будут предприняты такие меры, которые являются неосуществимыми при наличии законов, регулирующих известные процессы, протекающие в материальном мире».
Клаузиус ввел особую функцию для характеристики рассеяния энергии и назвал ее «мерой эквивалентности» (Aquiwalenzwert), в 1865 г. он заменил это название «энтропией» (от греческого слова троит; — превращение). Вначале он сформулировал второе начало в виде «принципа эквивалентности превращения»'.
«Если мы назовем эквивалентными два превращения, которые могут замещать друг друга, не требуя для этого никакого другого длительного изменения, то возникновение из работы количества теплоты Q, имеющего температуру Т, обладает эквивалентом а переход количества теплоты Q
от температуры 7\ к температуре Т2 имеет эквивалент Q	>
где
5 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
343
т есть некоторая функция температуры, независимая от рода процесса, с помощью которогб совершаются превращения».
Он показывает, далее что t — T и что в обратимом круговом процессе сумма всех превращений равна нулю. Поэтому существует функция состояния, дифференциал которой равен бесконечно малому эквивалентному (мы теперь говорим «приведенному») количеству тепла, сообщаемому телу при обратимом процессе:
dS=^..
Так определяется энтропия. Клаузиус показывает, что в изолированной системе в результате необратимых процессов она возрастает. Распространяя этот вывод на всю Вселенную, он, так же как и Томсон, приходит к выводу о «тепловой смерти», наступающей при полном рассеянии энергии, когда энтропия принимает максимальное значение.
Прежде чем приступить к обсуждению правомерности вывода Томсона— Клаузиуса, рассмотрим коротко дальнейшую историю «механической теории тепла». Уже существование второго начала показывает, что теплота не вполне эквивалентна механической энергии и что содержание двух начал гораздо шире, чем вопрос о взаимоотношении теплоты и работы.
Вскоре физики начали понимать, что на самом деле термодинамика дает метод для получения чрезвычайно общих выводов, относящихся к любым физико-химическим системам и процессам, а не только к процессам превращения теплоты в механическую работу. Методы термодинамики основаны, во-первых, на широкой общности цикла Карно и, во-вторых, на существовании функций состояния, изменение которых не зависит от способа перехода из начального состояния системы в конечное. Используя метод циклов и метод термодинамических функций, термодинамика расширила свои границы и добилась замечательных успехов.
В 1854 г. В. Томсон показал, что цикл Карно может быть использован для строгого определения температуры как функции состояния, не зависящей от рода вещества выбранного для ее измерения.
В 1869 г. Массье ввел, кроме энергии и энтропии, новые термодинамические функции.
В 1873 г. Д. В. Гиббс (1839—1903) ввел графический метод представления уравнения состояния с помощью термодинамических поверхностей и показал, что в ряде случаев вместо обычных параметров состояния (например, объем и температура) удобнее брать другие (например, энтропия и температура).
С 1876 г. начинают печататься работы Гиббса по термодинамическому равновесию неоднородных систем. Применяя метод термодинамического потенциала (введенной им новой термодинамической функции), Гиббс получил условия термодинамического равновесия для системы, состоящей из любого числа независимых химических компонентов и фаз, т. е. таких частей системы, между которыми существует механическая граница (например, вода и пар).
Гиббс нашел при этом свое знаменитое «правило фаз», определяющее максимальное возможное число фаз, находящихся при данном составе и данных условиях в состоянии термодинамического равновесия.
Исследования Гиббса открыли дорогу к широкому применению термодинамики к различным физико-химическим процессам. Гельмгольц в 1882 г.
344 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г
показал возможность применения термодинамики к химическим превращениям, Сам он (ие зная работ Гиббса) ввел новую термодинамическую функцию — «свободную энергию», определяющую максимальную работу системы при изотермических процессах. Он применил эту функцию к исследованию обратимых процессов в гальванической цепи.
Больцман в 1884 г. применил термодинамику к излучению и обосновал с помощью термодинамики так называемый закон Стефана— Больцмана. Планк в 1887 г. рассмотрел методом термодинамического потенциала теорию растворов. Б. Б. Голицын в 1893 г. применил термодинамику к явлениям в диэлектриках и к излучению, введя понятие температуры излучения. П л а и к в 1900 г., исследуя термодинамику излучения, пришел к гипотезе квант.
Таким образом, к концу XIX в. термодинамика из механической тео
рии теплоты превратилась в могучую отрасль теоретической физики, исследующую своими методами широкий круг физических и химических проблем. Общность ее методов позволяет обходиться без специальных предположений о структуре тела и о деталях процессов, происходящих в системе. В этом сила и одновременно слабость термодинамики. Сила принципов термодинамики выдвигала задачу логического обоснования как самих принципов, так и основных понятий. Большую дискуссию вызвал вопрос о механическом обосновании второго начала, о чем будет сказано в следующем разделе. И, наконец, критике подвергся вывод Томсона — Клаузиуса о неизбежности «тепловой смерти». Осторожные исследователи справедливо указывали, что распространение принципа на всю Вселенную на основе краткого, по сравнению со временем развития космических процессов, земного опыта слишком рискованно. Кроме того, физики справедливо усматривали, что категорическая применимость второго начала означала в сущности уничтожение первого начала, так как энергия, не способная к превращениям, перестает быть энергией. Глубокий анализ проблемы «тепловой смерти» дал Энгельс. В «Диалектике природы» он писал:
«Современное естествознание вынуждено было заимствовать у философии положение о неуничтожаемости движения; без этого положения естествознание теперь не может уже существовать. Но движение материи — это не одно только грубое механическое движение, не одно только перемещение; это — теплота и свет, электрическое и магнитное напряжение, химическое соединение и разложение, жизнь и, наконец, сознание. Говорить, будто материя за время своего бесконечного существования имела один только единственный раз — и то на одно мгновение по сравнению с вечностью ее существования — возможность дифференцировать свое движение и, таким
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
345
образом, развернуть все богатство этого движения и что до этого и после этого она навеки ограничена одним простым перемещением, — говорить это значит утверждать, что материя смертна и движение преходяще. Неуничто-жимость движения надо понимать не только в количественном, но и в качественном смысле» Ч
Итак, с точки зрения философского материализма, абсолютизирование второго начала недопустимо, оно приводит к смерти материи, к уничтожению движения. Энгельс рисует картину «вечного круговорота материи».
«Вот вечный круговорот, в котором движется материя,—круговорот, который завершает свою траекторию лишь в такие промежутки времени, для которых наш земной год уже не может служить достаточной единицей измерения; круговорот, в котором время наивысшего развития, время органической жизни и, еще более, время жизни существ, сознающих себя и природу, отмерено столь же скудно, как и то пространство, в пределах которого существует жизнь и самосознание; круговорот, в котором каждая конечная форма существования материи — безразлично, солнце или туманность, отдельное животное или животный вид, химическое соединение или разложение — одинаково преходяща и в котором ничто не вечно, кроме вечно изменяющейся, вечно движущейся материи и законов ее движения и изменения» 1 2.
Во времена Энгельса атомы — «кирпичи мироздания» —считались не подлежащими этому перевороту, непреходящими вечными формами материи. Энгельс с необычайной философской глубиной утверждает изменчивость, преходящий характер всех конечных форм материи, известных в его время. Теперь мы знаем, что и атомы, и элементарные частицы также подлежат закону изменений и превращений. Но вечно движущаяся материя со всем богатством форм ее движения, вместе с своими законами изменения продолжает существовать вечно,«... ни один из ее атрибутов никогда не может быть утрачен и что поэтому с той же самой железной необходимостью, с какой она когда-нибудь истребит на земле свой высший цвет — мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-нибудь в другом месте и в другое время» 3.
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Открытие механического эквивалента теплоты приводило к выводу, что теплота является видом механического движения. Этот вывод сделал сам автор опытов по определению механического эквивалента теплоты Джемс Джоуль, доложивший 30 октября 1848 г. Манчестерскому философскому обществу «Некоторые замечания о теплоте и о строении упругих жидкостей». Здесь он, отправляясь от своих опытов, обсуждает идею о том, что упругость газа представляет собою эффект движения частиц, из которых состоит всякий газ. Родоначальником этой гипотезы Джоуль называет Дэви, считавшего что теплота обусловлена вращательным движением частиц тела. Эту гипотезу Джоуль называет «прекрасной» и прибавляет: «Я лично попытался показать, что вращательное движение, аналогичное описанному сэром Дэви, способно объяснить закон Бойля и Ма
1 Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 16.
2 Там же, стр. 18.
* Там же, стр. 19.
346 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
риотта, а также и другие явления, представляемые другими жидкостями» *. Как мы знаем, такую гипотезу и ее применение к явлениям теплоты и упругости газов впервые выдвинул М. В. Ломоносов за сто лет до Джоуля. Джоуль об этой гипотезе не упоминает, так же как и не упоминает позже Клаузиус, перечисляющий всех своих предшественников вплоть до древних атомистов. Этот факт забвения достижений русских ученых неоднократно встречается в истории западной науки. В указанной статье Джоуль, однако, рассматривает не гипотезу Деви, а гипотезу Герапата о поступательном движении частиц и обосновывает этой гипотезой закон Бойля—Мариотта и зависимость скоростей газа от температуры. Он пытается также вычислить удельные теплоемкости газов, но полученные им значения для водорода, кислорода, азота и углекислоты сильно расходились с опытными данными Делароша и Берара. Вопрос о причине этих расхождений он оставляет открытым до опубликования экспериментальных результатов Реньо.
В 1856 г. появляется работа Кренига «Основы теории газов», в которой вычисляется давление газа из гипотезы молекулярного движения. Крениг ошибочно полагает, что молекула отдает стенке сосуда свой импульс, и потому в его формуле давление получается вдвое меньше действительной величины. Однако пропорциональность давления кинетической энергии молекул устанавливается.
В 1857 г. появляется первая статья по кинетической теории газов Клаузиуса «О роде движения, который мы называем теплотой». В переработанном виде статьи Клаузиуса составили третий том его «Механической теории тепла». В работах Клаузиуса ясно выступает идея о статистическом характере газовых законов, состояние газа, его температура и давление определяются средними значениями кинетической энергии молекул. Введя в гипотезу, что для идеальных газов объем, занимаемый молекулами, пренебрежимо мал, время столкновения исчезающе мало по сравнению с промежутком времени между двумя столкновениями и что влиянием молекулярных сил можно пренебречь, Клаузиус вычисляет давление газа и находит известное соотношение
р=\ Nma1, О
где А — число молекул в единице объема, т — масса одной молекулы, и? — средний квадрат скорости движения молекул. Клаузиус дал кинетическую модель трех агрегатных состояний вещества и нарисовал молекулярный механизм испарения. Им было также положено начало молекулярной теории теплоемкости газов.
В работе «О средней длине пути молекул газа» (1858 г.) Клаузиус показывает, каким образом можно примирить кажущееся противоречие между относительно большими средними скоростями молекул (нередко нескольких сотен метров в секунду при комнатных температурах) с наблюдающимися на опыте малыми скоростями диффузии. Здесь Клаузиус вводит новую важную характеристику молекулярного мира: среднюю длину свободного пробега. При вычислении этой величины Клаузиус исходит из предположения, что средняя квадратичная скорость одинакова у всех молекул данного газа.
21 сентября 1859 г. Д. К. Максвелл сделал доклад на съезде Британской Ассоциации в Абердине под названием «Пояснения к динамической теории
1 Основатели кинетической теории материи, Сборник под ред. А. К. Тимирязева, ОНТИ, М.—Л., 1937, стр. 36.
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
347
газов». В этом докладе содержится дальнейшее развитие кинетической теории газов. Рассматривая модель газа в виде системы огромного количества упругих шариков, Максвелл устанавливает, что в результате взаимных столкновений между этими шариками в конечном счете получается некоторое стационарное распределение скоростей, так что при данной температуре скорость группируется вокруг некоторой наивероятнейшей скорости. Оказывается, «что скорости распределяются между частицами по тому же закону, по которому распределяются ошибки между наблюдениями в теории наименьших квадратов» х. Это чисто статистический закон: методы теории вероятностей проникли в физику. Максвелл рассматривает далее так называемые «явления переноса», возникающие тогда, когда в дополнение к скоростям теплового движения, равномерно распределенным по всем направлениям, существует и общее движение переноса всей системы частиц. К таким явлениям относится явление внутреннего трения, или вязкости, явление диффузии, явление теплопроводности. Максвелл получил из своей теории результат, что коэффициент трения не зависит от плотности. «Этот вывод из математической теории является крайне поразительным,— писал Максвелл, — и единственный опыт, с которым я встретился в этой области, как будто его не подтверждает» 1 2. Однако последующие эксперименты Кундта и Варбурга блестяще подтвердили вывод теории, и независимость коэффициента трения газов от давления подтверждается до давлений 0,63 мм рт. ст. В разреженных газах начинаются отступления от этого закона, объясняемые, как показали в 1875 г. Кундт и Варбург, скольжением молекул газа вдоль стенок. Явление скольжения газа при больших разрежениях исследовал экспериментально и теоретически профессор Московского университета А. К.Т и-м и р я з е в (1880—1955) в 1913—1917 гг. Экспериментальная проверка кинетической теории газов имела очень важное значение для прогресса науки. Против атомно-молекулярной гипотезы выступил ряд ученых (Мах, Оствальд и другие), считавших, что наука не должна иметь дела с «ненаблюдаемыми» величинами. Это было продолжение старой борьбы ньютонианцев против материалистических гипотез.
Однако физики-материалисты продолжали пользоваться и молекулярными представлениями, оценивали такие молекулярные величины, как длину свободного пробега, диаметр молекул, число молекул в единице объема и т. д., находили связи между отдельными коэффициентами вещества: коэффициентом теплопроводности, вязкости, диффузии. В 1873 г. Ван-дер-Ваальс сделал попытку учесть силы сцепления между молекулами и их собственный объем и таким путем, применяя молекулярно-кинетические соображения, пришел к уравнению состояния реальных газов, о котором говорилось в предыдущем разделе. В 1865 г. австрийский физик Лошмидт (1821 —1895) сделал первую попытку подсчитать число молекул на основе измерений длины свободного пробега и отношения плотностей жидкости и газа В честь этого первого определения число молекул в единице объема называют числом Лошмидта.
Кинетическая теория газов привела к физическому истолкованию температуры, которая оказалась мерой энергии движения молекул. Перед механической теорией теплоты стояла дальше задача свести к механическим
1 Основатели кинетической теории материи, Сборник под ред. Л. К. Тимирязева, ОНТИ, 1937, стр. 192.
2 Там же, стр. 203.
348 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Людвиг Эдуард Больцман
образам второе начало термодинамики. Решением этой задачи занимались многие физики,в том числе Больцман, Клаузиус и Гельмгольц. Исходя из того, что для обратимых процессов можно определить функцию состояния посредством равенства dS = ~ dQ, они искали такого механического обоснования этого соотношения, которое давало бы автоматически интегрирующий делитель для количества теплоты.
Но суть второго начала именно в необратимости термодинамических процессов, в констатации определенной направленности природных процессов, в принципе одностороннего изменения энтропии. Заслуга физического истолкования второго начала и энтропии и вместе с тем введения статистического метода в физику принад
лежит австрийскому ученому Людвигу Больцману (1844—1906). Метод рассмотрения явлений природы Больцмана, который он сам называл механическим, противопоставляя его термодинамическому (называемому им феноменологическим), заключался в рассмотрении большого количества частиц, движущихся и взаимодействующих между собой по законам механики, но в силу полной нерегулярности начальных условий находящихся в состоянии «молекулярного хаоса». Можно поставить вопрос о распределении молекул по состояниям, причем состояние характеризуется в механическом смысле координатами и импульсами частицы. Рассматривая так называемый фазовый объем, определенный каким-либо заданным интервалом координат и импульсов, можно поставить вопрос о распределении молекул по фазовым объемам. Больцман показал, что в данных внешних условиях (данном силовом поле, данной температуре и в данном объеме газа) в результате взаимных столкновений устанавливается определенное стационарное распределение, характеризующееся функцией вида Ае~сЕ, где Е — полная энергия молекулы, с—постоянная, зависящая от температуры (обратно пропорциональная абсолютной температуре). Это так называемое распределение Максвелла—Больцмана; оно содержит, в частности, закон максвелловского распределения скоростей. Больцман установил также, что в установившемся состоянии количество молекул, кинетическая энергия их движения распределяется равномерно по степеням свободы так, что на каждую степень свободы молекулы приходится одна и та же кинетическая энергия, пропорциональная абсолютной температуре (VzkT, где k — новая константа молекулярного мира, называемая «постоянной Больцмана», хотя она была впервые введена и определена Планком). Наконец, в 1877 г. Больцман дал статистическое истолкование второго закона термодинамики и энтропии. Рассматривая данную физическую систему, находящуюся в определенном состоянии, характеризуемом распределением
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
349
молекул по фазовому объему, он наряду с этой системой рассматривал также все физически возможные копии ее и находил наивероятнейшее состояние системы. Для газа это наивероятнейшее распределение опять-таки оказывалось максвелл-больцмановским распределением. Введя функцию Н, пропорциональную отрицательному значению логарифма функции распределения, Больцман показал, что система всегда будет переходить в такое состояние, при котором Н уменьшается. Он сопоставил этот результат с фактом одностороннего изменения энтропии и отождествил эту последнюю с отрицательным значением Н. Таким образом, тот факт, что в замкнутой системе энтропия возрастает, означает просто, что система стремится к наиболее вероятному состоянию. Связь между энтропией и вероятностью состояния (в форме, позже приданной ей Планком)
5’=k In IF
является одним из важнейших результатов теоретической физики. Этот результат неоднократно оспаривался рядом ученых (Пуанкаре, Цермело и др.), но последующее развитие физики полностью подтвердило правоту Больцмана. Метод статистической механики, развитый Больцманом, был в дальнейшем обстоятельно разработан американцем Д. В. Гиббсом, классический труд которого «Основные принципы статистической механики» вышел в 1902 г. Следует отметить, что в статистической механике, так же как позднее в атомной механике, чрезвычайно важное значение получил аппарат аналитической механики, созданной в первой половине XIX в. ирландским математиком и астрономом Вильямом Гамильтоном (1805—1865). Уравнения механики в форме Гамильтона получаются при введении функции обобщенных координат «у,- и соответствующих этим координатам обобщенных импульсов р,-, так называемой функции Гамильтона Н (qit pit t), которая в случае консервативных систем является не чем иным, как полной энергией системы. Уравнения движения тогда принимают симметричный вид:
дН . дН qi ~ dpt ’	~~ dqt ’
число этих уравнений равно числу степеней свободы системы. В методе Гиббса, обладающем чрезвычайной абстрактностью и общностью, механическая система рассматривается как совокупность N объектов (например, молекул), каждый из которых обладает f степенями свободы и механическое поведение которого описывается 2f уравнением Гамильтона. Совокупность 2Nf переменных рассматривают как координаты в некотором 2 ^/-мерном фазовом пространстве и состояние системы в данный момент рассматривают как «точку» в этом пространстве. Затем подразделяют фазовое пространство на произвольные элементы и рассматривают распределение фазовых точек по этим элементам. Из законов, найденных Гиббсом, получаются результаты Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы, о стационарном и наивероятнейшем распределении Максвелла—Больцмана и т. д.
Анализ принципов статистической механики дали работавшие в Петербурге физики П. С. Эренфест и его жена Т. А. Афанасьева-Эре н ф е с т.
Из того факта, что состояние термодинамического равновесия является только наивероятнейшим, следует, что мыслимы отступления от этого состояния «флюктуации». Анализом максвелл-больцмановского распределения
350 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Жан Перрен
п флюктуаций занимался русский физик, сын известного хирурга и педагога Н. И. Пирогова, Николай Николаевич Пирогов (1843— 1891). Им, в частности, была получена формула для оценки колебаний числа молекул в заданном объеме газа, позже найденная польским физиком Марианом Смолуховским (1872 — 1917). Смолуховскому и Альберту Эйнштейну принадлежит анализ такого классического флюктуационного явления, как броуновское движение. Результаты, полученные Эйнштейном в 1905 г., послужили теоретической основой экспериментальных работ французского физика Жана Перрена (1870— 1942), в которых впервые прямым методом была определена важная молекулярная постоянная — число Авогадро — и, следовательно, дан метод непосредственного определения размеров молекул. Аргументация махистов и энергетиков, что атомы и молекулы из-за своей недоступности прямым измерениям являются такими же призраками, как ведьмы, была бита. К сожалению, Больцману не пришлось дожить до своего триумфа, тяжелая борьба надломила его нервную систему, и в 1906 г. он покончил самоубийством. В более поздних работах Смолуховского были воочию продемонстрированы случаи отступления от второго закона и определена вероятность таких случаев. И уже через год после смерти Больцмана,в 1907 г..знаменитый голландский физик Г. А. Лорентц говорил в речи, посвященной памяти Больцмана, в связи с растущим накоплением экспериментального материала, свидетельствующего о правильности атомно-молекулярного учения:
«Какой картине следует отдать предпочтение, с какой можно идти дальше, в этом Больцман никогда не сомневался. Неоднократно он возвращался к той мысли, что без молекулярной, или атомистической, теории многое, как, например законы химических соединений, основной закон кристаллографии, а в физике независимость трения в газах от плотности, связь между трением, теплопроводностью и диффузией, остается непонятным. Также сильным аргументом в пользу молекулярной теории для него являлось совпадение значений молекулярных величин, найденных различными путями. К приведенному Больцманом можно еще прибавить многое другое, например открытую Нернстом связь между коэффициентом диффузии электролитов и их электрическими свойствами; многие результаты современной электронной теории и теории излучения; определение Д. Д.Томсоном электрического заряда газовых ионов с помощью его метода тумана; данное Майкельсоном доказательство, что ширина наиболее тонких спектральных линий может быть объяснена, согласно принципу Допплера, из молекулярного движения; обнаруженный Штарком эффект Допплера для каналовых лучей. Учет всех этих результатов может даже, как мне кажется, привести пас к тому, чтобы совсем отбросить осторожные оговорки, которыми Больцман обычно выражался. Реальное существование молекул и атомов, при сопоставлении всего этого, представляется установленным едва ли менее
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
351
надежно, чем действительное существование железа в солнечной атмосфере».
Нам, живущим в эпоху торжества атомной науки, кажется непостижимым, что было такое время, когда ученые сомневались в существовании атомов и молекул. Трагическая судьба Больцмана напоминает нам, что атомное учение развивалось в жестокой борьбе. Через три года после кончины Больцмана глубокое философское значение этой борьбы раскрыл В. И. Ленин в своем знаменитом произведении «Материализм и эмпириокритицизм». В этом произведении он дал обстоятельный критический анализ взглядов противников атомистики и философского материализма: махистов, энергетиков, позитивистов, эмпириокритиков, всех тех, кто тормозил развитие передовой материалистической науки. Ленин указал путь преодоления всех и всяческих кризисов науки.
•
АКУСТИКА И ОПТИКА
После утверждения волновой теории света расширилось и углубилось изучение колебательных и волновых процессов в природе, выросшее в X X в. в специальное физическое направление, — физику колебаний, охватывающую с весьма общих точек зрения разнообразные механические, акустические, оптические, электромагнитные, атомные и космические процессы. В XIX в. полем деятельности этого направления были акустика и оптика, на которых, собственно, и сформировалось учение о колебаниях и волнах. Представления о тонах, о числовых соотношениях между тонами возникло, по-видимому, еще в глубокой древности. Органные трубы средневековья предполагают эмпирическое знание соотношения между длиной трубы и высотой тона. В XI в. Гвидо Ареццо дает обозначения и названия нот. Леонардо да Винчи изучал волны на воде, знал их суперпозицию, имел пред-ставлениео звуковых колебаниях и волнах, открыл явление резонанса, проводил аналогию между звуком и светом. В XVII в. Гассенди определил скорость звука и показал, что она одинакова для низких и высоких тонов. Известный «человек-журнал» Марен Мерсенн, находившийся в переписке со всеми выдающимися учеными XVII в., выпустил первый математический труд по акустике «Универсальная гармония» в 1636 г. Здесь устанавливается зависимость между числом колебаний и длиной и толщиной струны, описывается явление резонанса, дается определение скорости звука В «Беседах о двух новых науках» (1698 г.) Галилея разбирается ряд акустических вопросов: законы колебаний струн, зависимость тона от числа колебаний, описывается наблюдение стоячих волн воды в звучащем сосуде. Формулу для зависимости скорости распространения звука от упругости и плотности среды дает Ньютон (1687 г.). Совёр (1653—1716) установил связь между тоном и длиной органной трубы, открыл и изучил биения и применил их к определению числа колебаний, нашел основной тон и обертоны труб и струн, установил узлы и пучности на струне с помощью бумажного наездника. Начало математической теории акустики было положено трудами Эйлера и Д. Бернулли в XVIII в. В то же время Парижская Академия наук производила измерение скорости звука в воздухе.
В самом начале XIX в. (1802 г.) появляется «Акустика» немецкого физика Хладни (1756—1827). Его метод изучения колебаний пластинок с помощью пыльных фигур («хладниевы фигуры») широко известен. Он показал, что в струнах и стержнях распространяются не только поперечные.
352 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в ДО ОКТЯБРЯ 1917 г
Джон Уильям Рэлей
но и продольные колебания и измерил скорость звука в ряде газов. Измерение скорости звука в воде было впервые проведено на Женевском озере в 1827 г. Колладоном и Штурмом. Лаплас в 1826 г. исправил формулу Ньютона для скорости звука в газах, заменив изотермическое сжатие адиабатическим. Мы уже упоминали о теореме Фурье (1822 г.), имеющей огромное значение для всей физики колебаний. Как показал в 1893 г. Г. С. Ом, человеческое ухо способно анализировать сложные тоны и является естественным гармоническим анализатором.
В 1842 г. Допплер (1803— 1853) открывает зависимость тона от скорости движения источника звука (акустический эффект Допплера).
Общее экспериментальное учение о волнах на воде и в воздухе было дано братьями Э. и В. Веберами в 1822 г.Математическую теорию колебаний мем
бран (1850 г.) и стержней (1858 г.) разрабатывал Г. Кирхгоф. В 1855 г. Лис-сажу дал оптический метод наблюдения результатов сложения акустических колебаний (фигуры Лиссажу). Новый метод измерения скорости звука (возбуждением стоячих волн и образованием пыльных фигур в трубах) дал Кундт в 1866 г. С 1856 г. начинаются классические исследования Гельмгольца по физической и физиологической акустике, обобщенные в его основном труде «Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа теории музыки», первое издание которого вышло в 1863 г. Гельмгольц дает объяснение комбинационных тонов, открытых еще в 1740 г. Зорге, и показывает, что, кроме разностных тонов, открытых Зорге, существуют и суммовые тоны. Им создана теория звучащих труб, раскрыто значение тембра, дана теория речевого и слухового аппарата человека. Он произвел знаменитые опыты по анализу и синтезу гласных с помощью сконструированных им «резонаторов Гельмгольца».
Теоретическую акустику и вместе с тем теоретические основы физики колебаний разработал Рэлей (1842—1919), первое издание классического труда которого «Теория звука» вышло в 1877—1878 гг. Как справедливо указывается в предисловии редактора ко второму советскому изданию этого труда,«основное и непреходящее значение этой книги состоит в том, что она является первым развернутым и систематическим изложением общего учения о колебаниях'».
К концу XIX в. начинает создаваться и техническая акустика. Этому способствовало создание аппаратов для воспроизведения и передачи человеческой речи: телефон — Рейс (1861 г.), Белл и Грэй (1875 г.), микрофон — Юз (1878 г.), фонограф — Эдисон (1877 г.).
В России проблемы акустики разрабатывал Н. А. Гезехус (1845—1918), изучавший зависимость силы звука от расстояния, скорость
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
353
распространения звука, звукопроводность, преломление звука в различных средах. Глубокое изучение акустических проблем было начато П. Н. Лебедевым и его учениками. Альтберг в 1907 г. получил ультраакустические колебания с частотой 340 000 гц. Давление акустических волн изучали Лебедев, Альтберг и Зернов. Оригинальный метод определения скорости звука, аналогичный методу Физо в оптике, был разработан по идее Лебедева А. Б. Млодзеевским. Н. П. Кастерин (1898 г.) открыл дисперсию звука в неоднородной среде, подтвердив свои расчеты непосредственным экспериментом. Лаборатория Лебедева явилась пионером и в исследовании ультраакустиче-ских процессов, получивших важное значение в XX в.
Переходя К оптике, МЫ должны	Густав Роберт Кирхгоф
отметить прежде всего открытие Кирхгофом связи между поглощательной и испускательной способностью вещества. За ним последовало открытие Кирхгофом и Бунзеном спектрального анализа (1859 г.), положившее начало широкому развитию спектроскопии. Разрабатывается методика спектроскопических измерений в видимой, ультрафиолетовой (Шуман) и инфракрасной (Ланглей, Рубенс) частях спектра. Решетки с высокой разрешающей способностью изготовил Роуланд (1882 г.). Высоким достижением оптической техники явились интерферометры (Жамен — 1857 г., Майкельсон — 1881 г., Фабри и Перо — 1898 г.) и интерференционные спектроскопы большой разрешающей силы (пластинка Люммера и Герке, эшелон Майкельсона). Стоячие световые волны были получены Винером в 1890 г. Майкельсон и Бенуа (1894 г.), а затем Фабри и Перо (1899 г.) провели сравнение метра с длиной световых волн. Из других достижений экспериментальной оптики отметим открытие и исследования аномальной дисперсии (Леру — 1862 г., Христиансен — 1870 г., Кундт— 1871 г.), открытие двойного лучепреломления под действием электрического поля (Керр — 1875 г.), открытие тем же Керром изменения поляризации при отражении от намагниченных поверхностей и более раннее открытие Фарадеем вращения плоскости поляризации в магнитном поле (1845 г.), исследованное Верде в 1863 г. Практическая оптика получила широкое развитие в трудах Э. Аббе, работавшего совместно с мастером К. Цейссом на заводе Цейсса. Аббе и Гельмгольц установили границы разрешающей способности оптических приборов. Изобретением глазного зеркала (1851 г.) Гельмгольц начал исследования по физиологической оптике, обобщенные в труде «Руководство по физиологической оптике», первое издание которого выходило отдельными выпусками с 1856 по 1867 гг. Наконец, следует отметить развитие фотографии, открытой Ньепсом, Дагером и Тальботом между 1829—1839 гг..
354 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Карл Фридрих Гаусс
а также изучение люминесценции Стоксом (1852 г.) и фосфоресценции Э. Беккерелем (1859 г.). Из теоретических работ укажем на теорию аномальной дисперсии Зеллмейера (1871 г.) и Гельмгольца (1874 г.), работы Кирхгофа по принципу Гюйгенса (1882 г.), работы Рэлея по выяснению понятия групповой и волновой скорости, работы Гуи, Рэлея и Шустера по природе белого света. Но самым важным достижением теории света было создание электромагнитной теории света и последовавший затем синтез термодинамики и оптики. Об этом мы будем говорить в следующем разделе,
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
После открытия Фарадеем электромагнитной индукции учение об электричестве развивалось по трем направлениям: во-первых, дальнейшее накопление эмпирического материала,
во-вторых, поиски практического применения электричества, в-третьих, теоретическое обобщение экспериментальных фактов.
В первой группе исследований до конца века не удавалось найти ничего эквивалентного по своему значению открытию электромагнетизма и электромагнитной индукции. Но изучение электрических и магнитных свойств вещества привело в конечном счете к революционному преобразованию взглядов на строение вещества. Это предвидели Фарадей и Максвелл, сконцентрировавшие усилия на выяснении роли среды в электро-магнит-пых процессах. Фарадей в 1845 г. открывает, что все тела природы влияют на магнитные взаимодействия, видоизменяющиеся под действием магнитного поля. Однако действие магнитного поля оказывается различным для различных тел. В 1851 г., в XXV серии своих «Экспериментальных исследований», он резюмирует результат своих опытов следующим образом:
«Всякое вещество обнаруживает подчинение магнитной силе ... оказывается, что все тела могут быть распределены в две большие группы: группу магнитных тел и группу, как я назвал, диамагнитных тел. Различие между этими двумя группами настолько велико и ясно, хотя весьма изменчиво по степени, что в том случае, когда тело первой категории притягивается, тело второй категории будет отталкиваться; когда стержень, приготовленный из какого-либо тела первой категории, принимает некоторое положение, стержень, сделанный из тела второй категории, устанавливается по направлению, составляющему с этим положением прямой угол».
Фарадей ввел термин: парамагнетизм для тел первой группы и диамагнетизм для тел второй группы. Следует указать, что диамагнитные
§ I. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
355
Вильгельм Вебер
отталкивания висмута были замечены Бругмансом в семидесятых годах XVIII в., а в 1827 г. А. А. Беккерель нашел, что подобным же свойством обладает сурьма.
Фарадею принадлежит и заслуга открытия магнитной анизотропии кристаллического висмута, сурьмы, мышьяка и других веществ. Фарадей искал и электрическую анизотропию, но без успеха. Но он был убежден, что электрическая анизотропия, подобно магнитной, существует в природе, ибо существует оптическая анизотропия. Связь оптических, электрических, магнитных свойств ему казалась несомненной, и, исходя из гипотезы о существовании такой связи, он и открыл вращение плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея, 1845 г.).
Фарадей исследовал также электропроводящие свойства тел. Особенно важны его исследования по электропроводности газов при различных давлениях. Им было открыто темное пространство в светящемся столбе разреженного газа, получившее название «фарадеевского темного пространства». Указания Фарадея на важность изучения газового разряда для понимания природы электричества полностью подтвердились последующим развитием науки. Физика разряда газов привела к важнейшим открытиям, преобразовавшим взгляды на строение вещества.
Однако современная Фарадею наука мало интересовалась свойствами среды. Ее занимали количественные методы измерения токов, напряжений, сопротивлений и поиски практических применений и точного количественного закона, охватывающего все виды электромагнитных действий: кулоновские и амперовские силы и фарадеевскую электромагнитную индукцию. Во всех этих направлениях энергично работал немецкий ученый, бывший в начале своей научной деятельности сотрудником знаменитого математика Карла Фридриха Гаусса (1777 —1855), Вильгельм Вебер (1804 — 1891). Гауссом и Вебером были разработаны принципы магнитных измерений, из которых, в частности, возникла употребляемая и поныне гауссова абсолютная система единиц (1832 г.). Гаусс предложил взять за основу измерений всех физических величин три единицы; единицу длины (в качестве таковой Гаусс предложил миллиметр), единицу массы (у Гаусса миллиграмм) и единицу времени (секунда). Другой крупнейшей заслугой Гаусса в измерительной физике была разработка им метода наименьших квадратов (1814 г.) для определения коэффициентов тригонометрического ряда,представляющего с наилучшим приближением данную функцию, и создание им на основе этого метода теории ошибок измерений (1821 г.). В. Вебер разрабатывал измерительную аппаратуру и совместно с Гауссом сконструировал в 1833 г. электромагнитный телеграф. К идее телеграфа они пришли при конструировании
356 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
электроизмерительных приборов. Магнитометры, тангенс- и с и нус-гальванометры, электродинамометры конструировались В. Вебером. Чувствительные гальванометры изготовлял В. Томсон для работы по испытанию трансатлантического телеграфного кабеля. Изобретение телеграфа создало потребность в электроизмерительной аппаратуре, в аппаратах для управления током (реостатах, переключателях и т. д.). Наряду с Вебером существенный вклад в развитие электрометрии был внесен русским физиком — электриком, изобретателем электродвигателя, гальванопластики и телеграфных аппаратов Борисом Семеновичем Якоби (1801—1874). Якоби был предложен эталон сопротивления из медной проволоки длиной 25 футов, толщиной 2/3 мм и весом 22 449,3 мГ. Вебер в 1852 г. измерил этот эталон в абсолютных единицах. Якоби был одним из активных участников Между
народной комиссии единиц. Э. X. Ленц рассматривал законы разветвления токов и нашел правила, которые ныне под неверным названием «правил Кирхгофа» фигурируют в школьных учебниках. В 1844 г. Уитстон рассмотрел схему, известную теперь под названием «мостика Уитстона», и нашел условие отсутствия тока в мостике. В 1845 г. Г. Кирхгоф нашел общие законы распределения постоянных зеков в сложных сетях. Методы электрометрии получили научное обоснование.
Однако никакой системы электрических единиц в электрометрической практике долгое время не было. В ходу были самые различные эталоны напряжений, токов, сопротивлений, установленных чисто эмпирически, без всякого научного обоснования. Так, например, напряжение измерялось в «даниэлях» и «кларках», так как за единицу напряжения принималасьлибо э. д. с. элемента Даниэля, либо э. д. с. элемента Кларка. Сопротивление измерялось как в упомянутых выше единицах Якоби, так и в единицах Дигнея (сопротивление железной проволоки длиной в 1 км, толщиной 4 мм). В 1864 г. Сименс предложил взять в качестве эталона сопротивления столб ртути сечением в 1 мм~, длиной в 1 м, при 0°С. Эта единица называлась «сименс».
Впервые предложил определять электрические единицы на основе теоретических принципов В. Вебер. Его взгляды на природу электричества были проникнуты атомизмом. Он полагал, что «с каждым весомым атомом связан электрический атом». Идея «электрических атомов», т. е. электронов, была, таким образом, со всей отчетливостью высказана Вебером. Более того, Вебер полагал, что атомы положительного электричества могут существовать в свободном виде, а атомы отрицательного — в связи с весомыми атомами, так что свободные положительные заряды вращаются около отрицательно заряженных атомов, образуя амперовы молекулярные токи. Это — прообраз атома Бора, только с противоположными знаками ядра и электронов.
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
357
Электрические частицы Вебера взаимодействуют друг с другом на расстоянии. Вебер искал такую форму закона взаимодействия, которая охватывала бы кулоновские, амперовские и индукционные действия. Найденный им закон давал возможность рассчитывать электростатические и электродинамические взаимодействия, а также индукционные взаимодействия по методу Неймана. В работе «Общий принцип математической теории индуктированных электрических токов» (1848г.) Нейман (1798—1895) показал, что взаимодействия токов определяются с помощью некоторой функции, получившей в дальнейшем название вектор-потенциала. Введение этой функции имело очень важное значение для теории электричества. Нейман показал, что индукционная электродвижущая сила пропорциональна скорости изменения потенциальной функции. Выводы Неймана вытекали и нз формулы Вебера. Но в формуле Вебера силы взаимодействия электрических частиц оказывались зависящими не только от расстояний, но и от относительных скоростей и ускорений этих частиц. Это обстоятельство настораживалс физиков по отношению к закону Вебера. Больцман указывал, что работы Вебера «при всем их остроумии и математической точности, носят сильный отпечаток искусственности, и, может быть, во все время только немногие воодушевленные приверженцы верили в их безусловную правильность». Гельмгольц доказывал, что силы Вебера, несмотря на то, что они могут быть выражены через некоторую потенциальную функцию, противоречат закону сохранения энергии. По, с другой стороны, закон Вебера давал возможность рационального построения системы единиц. В основании системы может быть положен закон Кулона для электрических взаимодействий. Единицы электричества нтока, выведенные из этого закона, Вебер называл механическими, мы теперь называем их электростатическими.
Во-вторых, в основу можно положить магнитные действия тока и закон Кулона для магнитных взаимодействий. Это магнитная, или, точнее, электромагнитная система единиц.
И, наконец, в основу можно положить Амперов закон электродинамических взаимодействий. Электродинамическая единица тока совпадает по размерности с магнитной единицей и отличается от нее только численным значением (электромагнитная единица в j/2 раз больше электродинамической).
В 1856 г. Вебер и Кольрауш произвели знаменитый опыт сравнения электродинамической и механической (электростатической) систем единиц. Это отношение оказалось равным постоянной с, входящей в закон Вебера, и выражается именованным числом, имеющим размерность скорости. В Гауссовой системе с = 439 440 • мм/сек. Оно равно скорости света в пустоте, разделенной на у%. Отношение электромагнитной единицы к электростатической, таким образом, оказывается равным по величине и наименованию скорости света в вакууме. Этот интересный результат не получал в теории Вебера объяснения. В соединении с многочисленными другими фактами он приводил к полной запутанности и неразберихе в учении об электричестве. Недаром Энгельс называл состояние, в котором находилась теория электричества второй половины XIX в., состоянием идейного разброда Необходимо было найти прочный идейный стержень теории электрических явлений. Это и было сделано английским ученым Джемсом Кларком Максвеллом (1831—1879) на основе анализа работ и воззрений Фарадея.
Первая работа Максвелла «О Фарадеевских силовых линиях», выполненная им еще в студенческие годы, имеет целью рассмотреть методом силовых
358 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
трубок Фарадея электрические и магнитные взаимодействия.
В связи с этим Максвелл вводит гидродинамическую модель некоторого стационарного потока жидкости, движущейся с некоторым сопротивлением, но без инерции в среде. Этой моделью Максвелл интерпретирует и изученные Фарадеем электрические и магнитные свойства среды. Коэффициент сопротивления представляет либо диэлектрические свойства, либо магнитные свойства, либо электропроводность вещества. Однако введенное Фарадеем электротони-ческое состояние, характеризующее инерционные свойства магнитного поля, ему не удалось представить с помощью этой модели, и он характеризует его с помощью векторной функции «электротони-
Джемс Клерк Максвелл	ческой напряженности», которая
есть не что иное, как вектор-потенциал электромагнитного поля.
В последующих работах Максвелла, особенно в «Динамической
теории поля», эта величина интерпретируется им как электромагнитное количество движения (электромагнитный момент) в данной точке. Правда, Максвелл рассматривает это электромагнитное количество движения только как формальную аналогию количества движения в механике и приписывает реально полю только энергию, а не количество движения. Выражение для энергии поля, постулированное Максвеллом, имеет решающее значение для всей его концепции, и нетрудно показать, что оно может быть выведено из тех обобщений фактов электростатики и электродинамики, которые были сделаны Максвеллом.
Эти обобщения касаются процесса индукции. Если в электрическое поле ввести проводник, то в этом проводнике начинается процесс смещения электрических зарядов, результатом которого будет появление индукционных зарядов на поверхности проводника. Этот процесс Максвелл обобщает и на случай чистого эфира, вводя для его характеристики векторную величину — смещение, измеряемое количеством электричества, смещаемым через единицу площади, перпендикулярной силовым линиям поля. Изменение этой величины со временем Максвелл рассматривал как ток, в том смысле, что он так же, как и ток проводимости, производит магнитные действия. В теории Максвелла все токи оказываются замкнутыми. Так, разрядный ток в проводнике, соединяющем обкладки конденсатора, замыкается в диэлектрике током смещения.
Максвеллом был обобщен и закон электромагнитной индукции. В домак-свелловской электродинамике рассматривались индукционные процессы только в проводниках. Максвелл интерпретировал процесс индукции как возникновение замкнутых линий электрического поля вокруг переменного магнит-
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.	359
него потока. Эти линии возникают и в диэлектрике, даже в чистом эфире. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле — таково обобщение закона электромагнитной индукции, сделанное Максвеллом.
Эти обобщения математически выражаются системой уравнений, носящих ныне имя Максвелла. Из уравнений Максвелла вытекает важное следствие, предугадываемое уже Фарадеем: переменное электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью, равной в вакууме скорости света. Таким образом, из теории Максвелла вытекало существование электромагнитных волн. Эти волны распространяются в бесконечной диэлектрической среде с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, они поперечны, т. е. колебания электрических и магнитных сил перпендикулярны направлению распространения волны, и в каждый момент энергия электрического и магнитного поля в данном объеме диэлектрика оказываются равными.
Отсюда Максвелл сделал два важных вывода. Первый это тот, что свет представляет собой электромагнитные волны, и второй, что оптические свойства среды связаны с ее электромагнитными свойствами. В немагнитном диэлектрике квадрат показателя преломления равен диэлектрической проницаемости среды. Максвелл, однако, предупредил, что при экспериментальной проверке возможны расхождения, ибо электрические и магнитные коэффициенты измеряются в статических или медленно меняющихся полях, тогда как оптические коэффициенты измеряются в таких быстроменяющихся полях, какими являются световые колебания. Электромагнитная оптика Максвелла — это оптика бесконечно длинных (по сравнению с длиной световой волны) волн.
Поскольку в электростатике и магнитостатике фарадеевско-максвелловской теории взаимодействия обусловлены взаимодействием силовых трубок, оказывающих давление друг на друга, Максвелл заключил, что электромагнитная волна должна давить на проводящуюповерхность.так как поту сторону поверхности трубки исчезают и остается неуравновешенное давление трубок падающей и отраженной волны. Максвелл рассчитал величину этого давления, которое для поглощающих поверхностей должно быть равно объемной плотности энергии, для отражающих — удвоенной величине. Этот вывод Максвелла подвергся критике, однако позднее Бартоли, а затем Больцман вывели из термодинамических соображений существование светового давления, а в 1889 г. Лебедев измерил это давление экспериментально и показал, что оно совпадает с теоретическим значением, найденным Максвеллом. Опыты Лебедева рассматривались как триумф теории Максвелла, но в первоначальной максвелловской концепции для светового давления все же места не было, ибо Максвелл не приписывал электромагнитному полю никаких механических характеристик, кроме энергии. Понятие импульса было применено к полю позже (Д. Д. Томсоном, Абрагамом, Пуанкаре).
Хотя Максвелл, выводя свои уравнения, исходил из механической аналогии и пользовался механическими моделями, хотя он был первым, приложившим аппарат механики Лагранжа к электромагнитным процессам, он ясно понимал, что его уравнения являются законами новой области физических процессов, не сводимых к механике. Внутренние взаимосвязи этой области, по признанию самого Максвелла,«значительно более многочисленны и сложны, чем любой до сих пор разработанной научной дисциплины». Электромагнитные процессы внешним образом связаны и с механикой, и с теплотой, и с химией, что, по мнению Максвелла, указывает на особую важность науки об электричестве, «как науки, помогающей объяснить при-
360 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Николай Николаевич Шиллер
роду». «Исходя из этого мне представляется, — пишет Максвелл, —что изучение электромагнетизма во всех его проявлениях, как средства движения науки вперед, сейчас приобрело первостепенную важность».
Но для изучения электромагнетизма надо было отрешиться от мысли о его механическом объяснении, в частности, надо было «оставить сослуживший такую хорошую службу эфир и поставить на его место среду, свойства которой не были похожи ни на одно из известных тел». Шустер, написавший эти строки, указывает, что многие физики противились этому. «На стороне старых воззрений был даже сам лорд Кельвин со всем весом своего громадного авторитета».
«В основе теории Максвелла и развившегося из нее электромагнитного миропонимания, — писал О. Д. Xвольсон в 1924 г., — лежит непонятная гипотеза, первый пример
того духа, который характерен для новой физики и которого не было ь физике старой-».
Положение осложнялось еще тем, что основные посылки и следствия теории не были в достаточной мере подтверждены экспериментально. След-ствиетеории, что электродинамическая постоянная (отношение электростатической и электромагнитной систем единиц) совпадает со скоростью света в вакууме, не опровергалось экспериментальными данными, но и не могло считаться подтвержденным с достаточной точностью. Еще хуже обстояло дело с соотношением/? = уг . Единственные данные, которыми располагал Максвелл, были измерения диэлектрической проницаемости парафина (Гибсон и Баркла), и измерения коэффициента преломления того же парафина (Гладстон), давшие неутешительный для теории результат, который, однако, не обескуражил Максвелла. Он, как и впоследствии Эйнштейн, был глубоко убежден в справедливости теории, и эта убежденность передалась и его ученикам, которые даже не постарались проверить экспериментально важнейшие выводы теории. Эта проверка выпала на долю русских и немецких ученых.
Здесь прежде всего необходимо отметить классические измерения Больцмана, определившего диэлектрические проницаемости ряда твердых веществ и в особенности газов. Эти измерения подтвердили в основных чертах выводы теории. Затем следует указать на работы (1874 г.) Н. Н. Шилле-р а (1860—1922), измерившего диэлектрические проницаемости твердых тел в переменных полях, и на измерения (1875 г.) П. А. Зил ова (1850— 1921), разработавшего оригинальный метод для определения диэлектрических проницаемостей жидкостей. Результаты Больцмана, Шиллера и Зило-.ва приводил Максвелл в своейкниге«Электричествов элементарном изложении», изданной посмертно в незаконченном виде. Хотя эти измерения и под
§ I. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
364
тверждали в основном выводы теории, они указывали и на необходимость ее дополнения. В особенности существенное расхождение было найдено в 1888 г. Коном и Аронсом для воды и С. Я. Терешиным в 1889 г. для этилового спирта и той же воды. Эти авторы работали по методу Зилова. Что касается измерений с, то они проводились с 1879 г. почти ежегодно учеными разных стран и подтверждали вывод теории. Окончательный триумф теории Максвелла был доставлен опытами Герца.
Генрих Герц (1857 — 1894) был побужден своим учителем Гельмгольцем к экспериментам, позволяющим сделать выбор между различными теориями электродинамики, в частности между собственной теорией Гельмгольца и теорией Максвелла. Гельмгольц обратил внимание молодого Герца на конкурсную задачу Берлинской Академии наук о связи
Густав Генрих Герц
между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией Первоначальные попытки Герца найти такую связь не дали результатов.
Только спустя почти десять лет в Карлсруэ ему удалось найти способ генерирования и детектирования весьма быстрых электрических колебаний, что позволило решить поставленную задачу в пользу теории Максвелла, по-
лучить свободные электромагнитные волны, измерить их длину, продемонстрировать их отражение, преломление, дифракцию и интерференцию. В ходе решения проблемы Герц развил дальше теорию Максвелла, написал ее уравнения в измененной, ныне общеупотребительной форме, исследовал частное решение этих уравнений для случая так называемого осциллятора Герца. В этом случае поле может быть разбито на три области: ближнюю, промежуточную и волновую. В ближней области поле совпадает с квазиста-тическим полем: электрическое поле — сполем диполя, убывающим обратно пропорционально третьей степени расстояния от центра вибратора, магнитное — с полем элемента тока, определяемым, согласно закону Био—Савара, напряженность которого убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра элемента. Большой неожиданностью для Герца было от
крытие волнового поля, отпочковавшегося от диполя, напряженность которого убывает обратно пропорционально первой степени расстояния от диполя. За пять лет до опытов Герца появилась работа Попнтинга о переносе энергии электромагнитным полем, которая в свою очередь была частным случаем общей теории о движении энергии, разработанной в 1873 г. Н. А. У мовым(1846— 1915). Герц применил вектор Пойнтинга—Умова к вычислению потока энергии, излучаемой диполем в окружающее пространство, и показал, что-количество энергии, излучаемое вибратором в окружающее пространство, не зависит от расстояния и будет прямо пропорционально квадрату длины диполя и обратно пропорционально кубу длины волны, генерируемой
362
ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1017 г.
Николай Алексеевич Умов
Джегдиш Чандра Бозе
диполем. Этот результат явился отправным пунктом в теории антенн. Теоретические основы радиотехники были заложены Герцем.
Сам Герц сформулировал результаты своих опытов следующим образом: «Целью этих опытов была проверка основных гипотез Фарадея—Максвелла, а результат опытов есть подтверждение основных гипотез этой теории».
Герц открыл для физиков новый объект — свободное электромагнитное поле. Задача состояла в том, чтобы научиться генерировать это поле, обнаруживать его и управлять им. В год смерти Герца (1894 г.) его опыты были воспроизведены на IX съезде русских естествоиспытателей П. Н. Лебедевым который, построив миниатюрные вибратор и резонатор, получил самые короткие для того времени электромагнитные волны длиной в 6 мм. С этими волнами Лебедев не только повторил все опыты по отражению, преломлению, дифракции и интерференции, но и доказал двойное преломление этих волн в кристаллической сере и продемонстрировал поляризационные явления Синтез электромагнетизма и оптики был продемонстрирован с величайшей наглядностью.
В 1896 г. Джегдиш Чандра Бозе (1858—1937) в докладе Британской ассоциации сообщил об опытах с короткими (2—0,6 см) электромагнитными волнами. Ему удавалось передавать сигналы через стены зданий А. С. Попов (1859—1906) в 1900 г. в своих лекциях по беспроволочной телеграфии воспроизводил опыты Бозе и Лебедева с короткими электромагнитными волнами.
Герц к мысли об использовании электромагнитных волн для целей телеграфии относился скептически, размышляя о размерах зеркал, которые понадобились бы для телеграфа, действующего по принципу оптического. Здесь
$ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
363
его подвела аналогия с оптикой. Практика пошла по специфическому пути радио, вернувшись к оптической аналогии только в наши дни. Была изобретена антенна (Тесла, Попов), построен достаточно чувствительный детектор—когерер (Бранли, Лодж) и, наконец, А. С. Попов сконструировал практически пригодный приемник радиосигналов (грозоотметчик, 7 мая 1895 г.), а в 1896 г. осуществил первую передачу и прием радиограмм из одного здания в другое.
В том же году начал эксперименты по беспроволочной телеграфии Маркони (1874— 1937), которому удалось довести дело до коммерческих результатов. Радиотехника родилась, а вместе с ней теория Максвелла получила подтверждение практикой—высшим кри
Александр Степанович Попов
терием истины.
Подтверждение теории Максвелла означало победу в физике
электромагнитной теории света. Но электромагнитная оптика должна была решить ряд важных проблем: проблему взаимодействия света с веществом, проблему влияния движения среды на распространение света и, наконец, проблему излучения света веществом. Решение этих проблем привело к коренным изменениям в физике. В конце XIX в. физика находилась
в состоянии переворота, вызванного новыми открытиями.
НОВЫЕ ОТКРЫТИЯ И ИДЕИ КОНЦА XIX ВЕКА
Проблема взаимодействия света с веществом, к которой относится и распространение света в веществе, с точки зрения максвелловской электродинамики, является частным случаем более общей проблемы взаимодействия поля с веществом. В максвелловской электродинамике это взаимодействие учитывается электрическими характеристиками среды: ее диэлектрической и магнитной проницаемостью и проводимостью. Обобщая уравнения Максвелла на случай, когда эти коэффициенты меняются скачком на заданной поверхности, Г. А. Лорентц в 1875 г. получил из электромагнитной теории света формулы Френеля и тем самым вывел из теории Максвелла законы отражения и преломления света. Но для построения теории дисперсии, т. е. зависимости показателя преломления от частоты, теория Максвелла нуждалась в дополнении. Это дополнение и было сделано тем же Лорентцем, объединившимтеорию поля с представлением озаряженныхчастичках (ионах), образующих материю. Так возникла электронная теория. Объединяя атомистические представления о веществе с теорией поля, Лорентц уже в 1878 г.
364 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
дал формулу, связывающую показатель преломления неполярного диэлектрика с плотностью диэлектрика. Этот закон, восходящий к теории диэлектриков Клаузиуса—Моссоти, был выведен также в 1880 г. датским физиком Людвигом Лоренцем и носит теперь название закона Лорентца — Лоренца.
В 1879 г. Холл установил факт возникновения под действием магнитного поля поперечной разности потенциалов в плоском проводнике, по которому идет ток (эффект Холла). Через пять лет Г. Лорентц дал истолкование этого эффекта с точки зрения электронной теории, объяснив его действием магнитного поля на движущиеся заряды (сила Лорентца). Лорентц связал этот эффект с эффектом Фарадея, показав, что в последнем случае сила Лорентца ускоряет ионы, движущиеся по кругу в одном направлении, и замедляет ионы, движущиеся в противоположном направлении, что и вызывает оптическую активность среды. Наконец, Лорентц исследовал распространение света в движущихся средах (1895 г.). О теории Лорентца будет сказано ниже. В том же 1895 г. голландский физик П. Зееман обнаружил влияние магнитного поля на излучение натрия. Усовершенствовав установку, он в 1897 г. уточнил наблюдение и нашел расщепление спектральных линий в магнитном поле (эффект Зеемана). Лорентц дал электронную теорию этого явления.
Таким образом, к 1897 г. электронная теория уже насчитывала в своем активе ряд крупных успехов: теория дисперсии, объяснение эффекта Холла и магнитооптических эффектов (эффектов Фарадея и Зеемана). Однако эти достижения были получены до открытия электрона. История этого открытия в общих чертах сводится к следующему.
Идеи об атомном строении электричества высказывались Фарадеем, В. Вебером и Максвеллом. Но Максвелл считал эту идею временной, подлежащей в дальнейшем развитии физики замене полевыми представлениями. В 1874 г. мысль об атомарном заряде электричества вновь была со всей определенностью высказана ирландским физиком Стонеем. Стонегг дал и приблизительную оценку на основе законов электролиза атомарного заряда электричества, названного им «электроном». В 1881 г. аналогичная идея была высказана Гельмгольцем в его знаменитой фарадеевской речи: «Если мы допускаем, — говорил Гельмгольц, — существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда (т. е. из законов электролиза Фарадея.— П. К.), что также в электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные количества, которые играют роль атомов электричества». Дальнейшее развитие электроники связывается с изучением электрического разряда в газах. В 1869 г. Гитторф, наблюдая разряд при давлении ниже 0,1 мм Hg, обнаружил катодные лучи, вызывающие сильную люминесценцию стенок трубки и смещающиеся под действием магнитного поля.
Через десять лет после открытия Гитторфа В. Крукс пришел к выводу, что катодные лучи представляют особое «лучистое состояние» материи, и сформулировал основные свойства этого состояния, «к которому применима корпускулярная теория света», т. е. катодные лучи представляют поток корпускул, распространяющихся из катода прямолинейно, образующих геометрическую тень от непрозрачных предметов, создающих механическое давление, («мельничка» Крукса) и отклоняющихся магнитным полем.
Но Герц (1883 г.), а затем его ассистент Ленард (1893 г.) показали, что катодные лучи могут проходить через тонкую алюминиевую фольгу. .Из этого они сделали вывод, что катодные лучи являются не потоком кор
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX б.
365
пускул, а своеобразным волновым процессом. К тому же вопрос об электрическом отклонении этих лучей не был решен однозначно. Первые определенные указания на электрический заряд катодных лучей были получены французским физиком Ж- Перреном. Наконец английский физик Дж. Дж. Томсон (1856—1940) разработал методику исследования катодных пучков с помощью электрических и магнитных полей и в 1897 г. со всей определенностью показал, что они являются отрицательно заряженными частичками с удельным зарядом elm, по крайней мере в 1000 раз превышающим удельный заряд водородного иона. «Следовательно,— заключил Томсон, —если е—тот же самый заряд электричества, какой несет атом водорода, то т •— масса частиц катодных лучей — должна быть не более
чем одна тысячная массы атома ВОДО-	Джозеф Джон Томсон
рода наименьшей известной до того
массы». Это чрезвычайно важное и ошеломляющее заключение следовало проверить всесторонне, что и было сделано Томсоном.
Одним из первых методов проверки, предпринятой Томсоном, было исследование заряда, снимаемого с поверхности металлов при его освещении. Явление это, широко известное теперь под названием фотоэффекта, было открыто в 1887 г. Герцем при его опытах с электромагнитными волнами. Фотоэлектрические действия при высоких напряжениях исследовал также Гальвакс и другие. В 1888 г. обстоятельные исследования фотоэлектрического эффекта при сравнительно низких напряжениях провел А. Г. Столетов. Его установка, являвшаяся прообразом современного вакуумного фотоэлемента, и классические опыты в настоящее время описываются в учебниках. Столетов установил униполярность эффекта, неодинаковую чувствительность установки к различным длинам волн, установил наличие тока насыщения в фотоэлементе, пропорциональность силы фототока освещенности и наметил программу дальнейшего исследования явления. Д. Д. Томсон, исследуя дальше природу явления, установил, что отделяющиеся от катода под действием света частицы обладают тем же удельным зарядом, что и частицы, образующие катодные лучи (1899 г.). Тот же самый результат был получен в 1900 г. Ленардом.
Основываясь на конденсирующем действии ионов, образующих в атмосфере насыщенного пара капельки тумана, Д. Д. Томсон в 1898 г. начал эксперименты по непосредственному определению заряда газовых ионов. Его измерения дали значение порядка 6,5 • 10 10 электростатических единиц, т. е. того же порядка, что и заряд водородного иона. «Это не оставило сомнения в том, — пишет Томсон, — что большое значение обусловлено уменьшением массы, а не увеличением заряда». Так была открыта первая «заатомная» частица материи — электрон. Лорентцева теория
366 ГЛАВА VH. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Вильгельм Конрад Рентген
Анри Беккерель
эффекта Зеемана давала возможность определения удельного заряда частиц, ответственных за излучение. Этот удельный заряд совпал с томсоновским значением. Электроны оказались структурными элементами атомов, испускающими вследствие внутриатомных движений электромагнитные волны. На очередь встал вопрос о строении атома, и тем же Д. Д. Томсоном была предложена первая модель излучающего атома.
Изучение разряда в газах ознаменовалось не только открытием электрона. В декабре 1895 г. немецкий физик В. К. Рентген (1845—1923 гг.) открыл рентгеновские лучи. Открытие это имело огромное значение для последующего развития физики. Оно, в частности, явилось толчком для исследований французского физика А. Беккереля (1852 — 1908), приведших последнего к открытию радиоактивности, с которого начинается история ядернон физики. В 1896 г. Беккерель открыл радиоактивность урана. Термин «радиоактивность» был предложен М. С к л о-довской-Кюри (1867—1934), показавшей, что радиоактивное излучение представляет внутриатомный процесс и что свойством излучать радиоактивные лучи, кроме урана, обладает также торий (к тому же выводу пришел независимо от Кюри Э. Шмидт). В 1898 г. Мария Кюри вместе со своим мужем Пьером Кюри (1859—1906) открыли новые, сильно активные элементы — полоний и радий. Началась эпоха физики атома.
Открытие электрона, открытие радиоактивности дополнились к самому концу XIX в. возникновением гипотезы квант. Как уже говорилось выше, эта гипотеза возникла из термодинамики излучения. В 1859 г. Г. Кирхгоф установил, что отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности есть универсальная функция длины волны и температуры. Эта функция, не зависящая от природы тела, представ-
§ 1. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XIX в.
367
Мария Склодовская-Кюри
Пьер Кюри
ляет собой испускательную способность абсолютно черного тела. В 1884 г. Больцман, используя идею о световом давлении и применив к излучению законы термодинамики, доказал, что интегральная излучательная способность черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Но вид подинтегральной универсальной функции длины волны и температуры при этом оставался совершенно неопределенным. Можно было сказать, что интеграл от этой функции по всевозможным длинам волн от 0 дооодолжен сходиться и давать закон Больцмана.
В 1887—1890 гг. вид этой функции попытался раскрыть русский физик В. А. Михельсон (1860—1927), применивший законы классической статистики к излучающим атомам. Найденная им функция имела максимум для определенной длины волны. Этот максимум с повышением температуры смещался в сторону коротких волн по закону = const, что, как оказалось позже, неверно. Но путь был открыт, и за проблему излучения взялся В. Вин (1864 — 1928), который сделал вид функции более определенным (длина волны и температура входят в ее аргумент в виде произведения) и нашел,
Владимир Александрович Михельсон
368 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
что закон смещения максимума определяется соотношением ХтТ = const. Этот знаменитый закон Вина, найденный им в 1893 г., прекрасно оправдывался на опыте и стимулировал как самого Вина, так и других физиков к дальнейшим поискам. Вину в 1896 г. удалось, следуя примеру Михельсона и используя статистику Максвелла, найти вид функции, которая хорошо совпадала с опытными данными в области коротких волн, но расходилась с этими данными в области длинных волн. В 1900 г. Рэлей попытался применить теорему Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Но найденный им закон, довольно хорошо согласующийся с опытом в области длинных волн, приводил к расходящемуся интегралу для полного излучения и нелепому выводу, что вся энергия нагретого тела излучается в форме коротковолнового излучения (так называемая ультрафиолетовая катастрофа).
М. Планк (1858—1947) с помощью термодинамических методов и законов электродинамики нашел 19 октября 1900 г. формулу, синтезирующую формулы Вина и Рэлея. Но, как писал сам Планк, его формула была «только счастливо угаданным законом, имеющим лишь формальное значение». Попытки Планка установить ее физический смысл привели его 14 декабря 1900 г. к поразительной гипотезе: энергия излучения испускается и поглощается излучающими центрами(осцилляторами)нрерывнылшпорциями— квантами. Величина кванта энергии, по Планку, равна /г\, где h —знаменитая постоянная Планка. Идея прерывности вошла в оптику, вступив сразу в резкий конфликт с установившимися в ней волновыми представлениями. Но она покончила со всеми «неувязками» в теории излучения. Закон Планка хорошо оправдывается во всех частях спектра, приводит к закону Вина и закону Больцмана, связывая постоянные этих законов с постоянной Планка, и постоянной Больцмана (введенной впервые тем же Планком). Таким образом, измеряя энергию излучения абсолютно черного тела (такие измерения были произведены Люммером и Прингсгеймом) и смещение максимума с повышением температуры излучающего тела, можно было определить как постоянную Планка, так и постоянную Больцмана. Атомистика получала новое экспериментальное обоснование. Следует отметить, что закон Планка, при всей его исключительности и неожиданности для физики того времени, был открыт в итоге развития электромагнитной теории света, термодинамики и статистической физики. Без успехов в этих областях теоретической физики нельзя было бы и подступиться к проблеме излучения абсолютно черного тела. Новая физика рождалась на прочном фундаменте классической физики.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Конец века застает физику на распутье. Успехи теоретической физики, начало которой было положено волновой теорией света и механической теорией теплоты, приводили физиков к выводу,что развиваемая ими наука
5 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
369
вступила на путь построения законченной картины мира на механической основе. Необходимо было, как казалось, объединить две картины: механическую теорию вещества, в основе которой лежало представление о неизменных атомах, и теорию эфира, в основе которой лежало представление о всепроникающей непрерывной упругой среде.
2.	Электромагнитная теория света, объединившая электродинамику и оптику, расширила границы «физики эфира», которая объединила теперь электрические, магнитные, оптические и, как думали, гравитационные явления. Необходимо было установить связь между этой физикой и физикой «обычной материи».
В этом отношении весьма знаменательным был 1881 г. В этом году молодой американский физик А. Майкельсон, опираясь на мысль, высказанную Максвеллом незадолго до своей смерти, впервые осуществил свой знаменитый опыт, о котором будет идти речь в следующем разделе, и не обнаружил никакого влияния эфира на движение Земли.
3.	В том же году Д. Д. Томсон положил начало полевой теории массы, показав, что заряженный шар вследствие своего электромагнитного поля обладает добавочной инертной «электромагнитной массой», зависящей от скорости движения. Эта масса для шара макроскопических размеров ничтожно мала по сравнению с обычной массой. Но открытые тем же Томсоном электроны представляли собой заряженные микрочастицы; для них можно было надеяться обнаружить действие электромагнитной инерции. В дальнейшем выяснилось, что электроны входят в состав радиоактивных излучений, и опыты, проведенные В. Кауфманом в самом начале XX в., показали, что они обладают электромагнитной массой. Г. А. Лорентц дал теорию электромагнитной массы и заложил основу нового, электромагнитного понимания мира. Таким образом, возникла совершенно новая постановка проблемы: не электричество свести к механике, а, наоборот, механику свести к электричеству. Эта замена мировоззрения отмечалась как «кризис физики», поколебавший ее привычные механистические устои.
4.	К этому прибавились загадочные радиоактивные явления, противоречащие, на первый взгляд, закону сохранения энергии, и странная идея прерывности в оптике. Все эти открытия разрушили представления о неизменном атоме, бывшее одним из устоев механистического миропонимания.
5.	Опыт Майкельсона при попытках истолкования его результатов привел к крушению другого оплота этого мировоззрения, а именно представления о неподвижном всепроникающем эфире. Под знаком кризиса механистического миропонимания вступила физика в XX век.
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ВЕЛИКОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
(1900—1917)
К началу XX в. Европа и Америка вступают в высшую стадию капитализма — в стадию монополистического капитализма. Начинается эпоха безудержной империалистической экспансии. В поисках рынков крупнейшие империалистические державы ведут борьбу за передел уже разделенного мира. В 1914 г. началась первая мировая война. В этой войне с большой силой отразились противоречия империализма. В силу неравномерности развития капитализма цепь капитализма не является однородной, в ней
13 П. С. Кудрявцев
370 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г
обнаруживаются слабые звенья. Таким слабым звеном оказалась Россия. Воина обнаружила всю гнилость самодержавного строя, устои которого были основательно подточены первой русской революцией.
В октябре 1917 г. под руководством Коммунистической партии осуществилась первая в мире социалистическая революция и начал свое существование новый общественный строй — социалистический строй. Наступила новая эпоха в истории развития общества.
СОСТОЯНИЕ ФИЗИКИ В НАЧАЛЕ XX в.
Несмотря на необычайно важные открытия в физике конца XIX в., ничто еще не предвещало, что мир находится накануне новой научно-технической революции, масштабы и последствия которой несоизмеримо больше масштабов первой научной революции XVI—XVIII вв. Физики полагали,что новые открытия могут быть поняты и освоены в рамках сложившихся в физике представлений и понятий. Оствальд в 1901 г. утверждал, что в математике, механике, физике и химии есть такие области, которые будут расширяться, не претерпевая существенных изменений, «долго после того, когда атомы будут встречаться только в пыли библиотек». В том же году И. А. Умов в своем «Курсе физики» писал: «Современная физика стремится отдавать себе отчет о явлениях природы умозрительным постижением таких механизмов или моделей, движение части которых подчинялось бы законам, подобным законам явлений... Законы движения являются основными законами физики... Задача физики — представление явлений с помощью простейших механических явлений». Два направления — энергетическое и механистическое борются между собой, и Больцман в своей речи 22 сентября 1899 г. задает вопрос, что же случится с ними в XX в.? Будут ли всегда существовать механические модели или теория будет голым собранием формул и уравнений? Сохранится ли атомистика или будет господствовать новая, совершенно отличная от современной, атомистика, или, наоборот, восторжествует теория континуума? Вот вопросы, которые волнуют Больцмана накануне нового столетия, он не решается делать прогноз и даже указывает, что, может быть, лучше представить будущее как то, «о чем мы даже не имеем ни малейшего представления». Но этому будущему от предыдущего столетия завещаны: «Изобилие положительных фактов и великолепная прозрачность и чистота исследовательских методов».
Действительно, физики XIX в. разработали прекрасную оптическую и электроизмерительную технику, технику точных измерений длин и масс, накопили обширный и точный спектроскопический материал, составили многотомные таблицы физических и химических констант, установили законы механических, тепловых, световых и электромагнитных явлений, создали теоретические методы термодинамики, электродинамики,статистической физики. Казалось, что задача будущего века будет состоять главным образом в том, чтобы спокойно разобраться в этом огромном материале, повышать точность измерений, ибо, как говорил Майкельсон, «будущие открытия надо искать в шестом десятичном знаке». Но уже чуткий наблюдатель Л. Больцман подметил новые черты в развитии науки. В упомянутой выше речи он говорит: «В прежние столетия наука прогрессировала благодаря работе избранных умов непрерывно, но медленно, подобно старому городу, неуклонно растущему за счет новых строек трудолюбивых, предприимчивых бюргеров. Напротив, современное столетие пара и телеграфа наложило отпечаток своей нервной
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.	371
и торопливой деятельности и на прогресс науки. Развитие естествознания в новое время уместнее сравнивать с модернистским американским городом, преобразившимся в несколько десятилетий из деревни в миллионный город...»
«Следствием этого аномального, быстро увеличивающегося объема нашего знания было разделение труда в науке, проводимое до самых мельчайших деталей, почти напоминающее нам разделение труда на современной фабрике.. Такого рода разделение труда необычайно способствовало прогрессу науки, оно было прямо-таки необходимо для него...»
И действительно, возникновение «научных фабрик»—институтов — было одним из важнейших факторов научного прогресса. «История физики и химии, —писал Н. А. Умов в 1898 г.,—показывает нам, что открытия ученых, не преследовавших в своих изысканиях специальной практической цели, но работавших в области чистой науки, получили неожиданные применения в промышленности и технике, причем влияние их на экономическое благосостояние государств в настоящем и будущем не поддается даже приближенному подсчету... В сознании указанного факта правительства Западной Европы покрывают свои большие и малые владения сетью физических институтов».
Новые методы научного исследования не замедлили принести свои результаты. Не прошло и десятилетия с начала века, как уже явно обозначилась «новейшая революция в естествознании», и тот же Н. А. Умов, который определил на пороге XX в. задачу физики как «механическое описание природы», в 1909 г. пишет:
«Мы полагали в конце столетий, потраченных человеческой мыслью, что наука работает уже в сокровеннейших глубинах природы. Оказывается, что мы работали все время в тонкой коре мироздания! Нам предстоит новая громадная задача: физика и химия атома — микрофизика и микрохимия. И мы стоим перед нею почти так, как стояли ученые в области электричества два столетия назад, зная только, что натертая смоляная палочка притягивает легкое тело. В новой области опыт труден за недостаточностью научной техники, и единственный путь есть пока наблюдение и совершенствование методов. И если мы сравним электричество-забаву с электричеством в служении человечеству, каких успехов должны мы ожидать в течение двух ближайших столетий? Жизнь внутреннего мира атома откроет нам свойства и законы, быть может, отличные от тех, которые составляют содержание старой, уже древней физики».
Таким образом, менее чем за десять лет та физика, которую Умов называл современной, стала «древней». Ясно обрисовалось новое направление физики — физика атома. Физические представления испытали коренные, революционные изменения. Эти изменения коснулись прежде всего незыблемых устоев ньютоновской физики: абсолютного пространства и времени.
ИЗМЕНЕНИЯ ВО ВЗГЛЯДАХ НА ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Как известно. Ньютон допускал объективное существование однородного и изотропного абсолютного пространства, не связанного с материей и существующего независимо и безотносительно к материальным вещам. Движение тела относительно этого пространства абсолютное, ибо ньютоновское абсолютное пространство неподвижно. Это пространство эвклидово, и свободная материальная точка движется в нем равномерно и пря
13*
372 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
молинейно. На практике мы имеем дело с относительными движениями и можем принимать в качестве системы отсчета любое тело. Систему отсчета, связанную с центром тяжести солнечной системы и с осями, направленными к неподвижным звездам, Эйнштейн предложил называть галилеевой, так как по отношению к этой системе с достаточной точностью выполняется закон инерции: свободная точка движется равномерно и прямолинейно. Галилеева система поэтому называется также инерциальной. По принципу относительности Галилея—Гюйгенса—Ньютона существует бесчисленное множество равноправных инерциальных систем, находящихся в состоянии равномерного прямолинейного движения друг относительно друга, так что никаким механическим опытом нельзя определить, находится ли инерциальная система в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. При этом предполагается, что время является абсолютным, т. е. текущим одинаково для всех систем отсчета. Абсолютное пространство Ньютона приобрело материальную форму с момента утверждения волновой оптики, оно слилось с всепроникающим мировым эфиром. Поэтому появилась возможность установить экспериментально абсолютное движение, производя оптические эксперименты с движущимися телами. Вопрос о влиянии движения системы на распространение света был поставлен еще Юнгом. В 1804 г. Юнг дал объяснение явления аберрации света с точки зрения волновой теории. Сущность этого объяснения заключается в гипотезе, что эфир не принимает участия в движении Земли. В 1818 г. Френель исследует вопрос о движении эфира в связи с отрицательным результатом опыта Араго, пытавшегося обнаружить влияние движения Земли на показатель преломления. Он ввел гипотезу о частичном увлечении эфира движущимися телами. Найденное Френелем значение коэффициента увлечения k = 1 — было подтверждено на опыте Физо в 1851 г. Физо сравнивал скорость света в движущейся и неподвижной воде. Его опыт был повторен Майкельсоном в 1878 г., который пришел к тому же результату. В 1871 г. Эри наблюдал аберрацию через телескоп, труба которого была заполнена водой: никакого изменения угла аберрации не происходило. Этот результат может быть истолкован с помощью гипотезы о частичном увлечении эфира.
После утверждения электромагнитной теории света вопрос о влиянии движения на эфир получил более широкое значение, так как эфир является теперь ареной не только оптических, но и электрических процессов. С точки зрения максвелловской электродинамики, полный индукционный процесс в среде характеризуется векторами D и В, а силовое поле в чистом эфире векторами Е и Н. При движении тел возможно участие, кроме заряженных частиц этих тел, и эфира, и тогда вместе с телом движется полный поток линий индукции, характеризуемый векторами D и В. Если же эфир неподвижен, то та часть потока, которая обусловлена процессом в чистом эфире и характеризуется векторами Е и Н, не принимает участия в движении, движутся только заряженные или намагниченные частицы вещества. Герц (1890 г.) предположил, что эфир полностью увлекается движущимися телами. В этом случае уравнения Максвелла в движущейся среде имеют такую же форму, как и в неподвижной среде, и, таким образом, удовлетворяют принципу относительности Галилея—Гюйгенса—Ньютона. Электродинамические, а следовательно, и оптические опыты не дают возможности, как и механические опыты, обнаружить движение системы. Правда, Герц оговаривался, что его теория не применима к оптическим явлениям, а только к чисто
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г
373
электромагнитным. Однако и в области электродинамики, как оказалось, теория Герца противоречит опыту.
В 1895 г. теорию электродинамических и оптических явлений в медленно движущихся средах разработал Гендрик Антон Лорентц (1853—1928). Критерием «медленности» движения служит отношение В = —. Если оно настолько г с
мало, что квадратом этой величины можно пренебречь по сравнению с единицей, то движение считается медленным. Лорентц предполагает, что эфир неподвижен и что, следовательно, возможно говорить об абсолютном движении относительно эфира. Поэтому различные системы отсчета не будут равноправными относительно друг друга, они
Гендрик Антон Лорентц
различаются скоростью относительно эфира. Но это различие, как показал Лорентц, будет сказываться только в членах второго порядка относительно р. Если точность опытов такова, что
можно оценить только члены первого порядка величины р, то неравноправия движущихся систем обнаружить нельзя —это так называемый принцип относительности первого порядка Лорентца.
В теории Лорентца коэффициент увлечения Френеля k = 1 — обус
ловлен тем, что движутся заряженные частицы (френелева «сгущенная» часть эфира), и, следовательно, опыт Физо получает естественное истолкование.
Теории Герца и Лорентца приводят к следствиям, доступным экспериментальной проверке. Если движется заряженный проводник по отношению к стенам лаборатории («лабораторная система отсчета»), то возникает магнитное поле, пропорциональное заряду проводника и скорости движения. Этот вывод одинаково следует и из теории Герца и из теории Лорентца. Он был проверен экспериментально Г. А. Роуландом (1878 г.), Рентгеном (1895 г.) и наиболее точно русским физиком А. А. Эй хе н вальдом (1863—1941).
Если привести в движение диэлектрик, то из теории Герца, следует что такой диэлектрик будет создавать магнитное поле, пропорциональное вектору электрической индукции D и скорости диэлектрика v. Теория Лорентца приводит к другому результату, а именно — магнитное поле будет пропорционально вектору поляризации Р и скорости движения. Таким образом, ток диэлектрика в теории Герца пропорционален D - v, а в теории Лорентца пропорционален Р • v
Pv — I D--D j v = Dv7,
rflev' = (l-4)v=(l- Uv.
Tэким образом, в теории Лорентца так называемое «увлечение» эфира является результатом движения зарядов в неподвижном эфире. Магнитное
374 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ЭТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Александр Александрович Эйхенвальд
поле движущегося диэлектрика наблюдали Рентген и А. А. Эйхенвальд. Опыты Эйхенвальда подтвердили теорию Лорентца.
Теория Герца противоречит также аберрационному опыту и опыту Физо. Теория Лорентца с этими опытами согласуется. Однако теория Лорентца допускает возможность обнаруживания во втором порядке абсолютного движения системы отсчета относительно эфира. На такую возможность указал еще в 1879 г. Максвелл в письме к редактору английского журнала «Природа». Это письмо было опубликовано в журнале уже после смерти Максвелла в январе 1880 г и было прочитано молодым американским физиком Альбертом Майкельсоном (1852— 1931). Уже в .следующем году Майкельсон поставил свой знаменитый опыт с интерферометром. Опыт дал отрицательный результат. Свет распространялся в лаборатории в соответствии с теорией Герца и
принципом относительности одинаково во всех направлениях. Так как в расчеты Майкельсона вкралась ошибка, на которую ему указал Лорентц в 1884 г., то Майкельсон вместе с Морлеем (Морли) повторил опыт в 1887 г., значительно повысив точность эксперимента. Опыт вновь дал прежний результат, противоречащий теории неподвижного эфира Лорентца.
В 1891 г. английский физик Фицджеральд (1851 —1901) и независимо от него Г. А. Лорентц в 1892 г. предложили теорию, объясняющую результат Майкельсона. Твердые тела, согласно этой теории, деформируются вследствие движения, а именно испытывают в направлении движения сокращение в отношении j 1 — [З2 : 1. Лорентц в дальнейшем обосновал свою гипотезу, исходя из того, что молекулярные силы, определяющие упругие свойства тел, электромагнитного происхождения и в соответствии с его теорией должны зависеть от абсолютного движения через эфир. По Лорентцу, деформируются и электроны, что в свою очередь приводит к зависимости их электромагнитной массы от скорости. Впервые понятие электромагнитной массы было установлено Д. Д. Томсоном в 1881 г., и он же нашел, что она зависит от скорости. В 1889 г. понятие электромагнитной массы разбирал О. Хевисайд, затем М. Абрагам (1902 г.) и Лорентц. Электромагнитная масса должна зависеть от скорости, характер этой зависимости определяется гипотезой о структуре электрона. Абрагам считал электрон твердым шариком, Лорентц — деформирующимся. В 1901 г. В. Кауфман начал эксперименты с отклонением (3-частиц в магнитном поле и обнаружил зависимость массы этих частиц от скорости. Продолжая свои исследования, он показал, что они говорят в пользу гипотезы Лорентца.
Из теории Лорентца вытекала возможность других опытов второго порядка. Одним из таких опытов был опыт с конденсатором, поставленный
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
375
Альберт Майкельсон
1 роутоном и Ноблем в 1904 г. Если существует абсолютное движение заряженного конденсатора через эфир, то он должен испытывать вращательный момент, зависящий от угла между направлением силовых линий в конденсаторе и скоростью его движения (N=IV'[V2  sin2a, где IP — электростатическая энергия ,, v конденсатора, р = —, a — угол между направлением поля и скоростью движения).
Опыт Троутона—Нобля также дал отрицательный результат. Другим методом определения движения относительно эфира мог бы служить метод, основанный на изменении частоты колебаний при движении источника света или наблюдателя. Акустический эффект Допплера (1842 г.) как известно, зависит не только от относительной скорости источника и наблюдателя, но и от скорости одного из них относительно воздуха. Но существование оптического эффекта Допплера оспаривалось, несмотря на подтверждение этого принципа в акустике. Впервые существование этого эффекта было доказано в астрофизике (Хюг-гинс, 1868 г.). В. Вин использовал принцип Допплера для обоснования своего закона смещения. В 1900 г. русский астрофизик А. А. Белопольский экспериментально обнаружил спектральное смещение, обусловленное движением, применив остроумный метод многократного отражения луча света от движущихся зеркал, и подтвердил его совпадение с расчетом по формуле Допплера. В 1901 г. появилась работа В. А. Михельсона, в которой он, указывая на трудности, связанные с применением эффекта Допплера в оптике, показал, в частности, что смещение линий может быть обусловлено и быстрым изменением плотности среды, в которой распространяется свет. В 1905 г. Штарк воспользовался эффектом Допплера для измерения скоростей каналовых лучей. В 1907 г. Б. Б. Голицын и Вилип подтвердили методом Белопольского формулу Допплера. Однако точность этих измерений была недостаточна, чтобы можно было сделать вывод о движении относительно эфира. Тем не менее эксперименты подтвердили гипотезу Допплера: независимость скорости распространения света от движения источника. Следовательно, опыт Майкельсона указывает на независимость скорости света от движения системы отсчета, эффект Допплера указывает на ее независимость от движения источника. В 1908 г. В. Ритц пытслся объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона гипотезой о зависимости скорости света от движения источника, как это имеет место в теории истечения. Но по теории истечения могут быть различные истолкования эффекта Допплера и различные результаты в зависимости от принятых гипотез.
Опыты Белопольского и Голицына подтверждают выводы волновой теории. Теория Ритца дает результат, отличающийся от теории Допплера
376 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
в членах второго порядка, и потому не противоречит опытам Белопольского и Голицына. Но Де-Ситтер в 1913 г. показал, что выводы теории Ритца уже в первом порядке противоречат наблюдениям над двойными звездами. Эти наблюдения подтверждают факт независимости скорости света от движения источника. Но это означает, что дифференциальное уравнение распространения световой волны:
л 1 д2? л
Дер —2 J = О
т с2 at2
должно сохранять свою форму для всех движущихся равномерно и прямолинейно относительно эфира систем отсчета. В 1887 г. В. Фогт в статье «О принципе Допплера» указал на необходимость изменения формул преобразования таким образом, что при переходе от одной системы отсчета к другой преобразуются не только координаты, но и время. Идею «местного времени», преобразующегося при переходе от одной системы отсчета к другой, развил и Лорентц в своих работах 1892 и 1895 гг. Но у Фогта и Лорентца при преобразованиях масштаб времени не меняется. Впервые формулы преобразования координат и времени с изменением масштаба последнего были даны Д. Лармором в книге «Эфир и материя» в 1900 г. В 1904 г. в классической работе «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью меньшей, чем скорость света» Лорентц доказывает, что уравнения Максвелла, а следовательно, и законы распространения света во всех системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно относительно эфира, остаются инвариантными, если формулы преобразования координат и времени имеют вид:
v с
v t — ., X , X — vt ,	,	,,	с~
X	, У =У,	2? = Z, Г =—-==
Это знаменитые преобразования Лорентца. При этом Лорентц не говорит о принципе относительности, как всеобщем законе природы, преобразование времени является лишь необходимым формальным приемом, сохраняется привилегированная система отсчета (эфир), и сокращение размеров тел при движении относительно эфира рассматривается как результат изменения электромагнитных сил вследствие движения. В следующем 1905 г. с большой работой «О динамике электрона» выступил французский математик и астроном А. Пуанкаре (1854 — 1912). Здесь Пуанкаре высказывает в виде общего принципа постулат относительности и рассматривает группу преобразований Лорентца. То, что Пуанкаре рассматривал вопрос о преобразованиях Лорентца с точки зрения теории групп абстрактной и сложной математической теории, сделало его работу недоступной для большинства физиков. К тому же, разработав полно и широко математический аппарат специальной теории относительности, Пуанкаре остановился на полдороге перед общефизическими выводами из теории, сделав вопрос о пространстве и времени предметом «соглашения», «условия» (конвенциализм).
В том же 1905 г. молодой физик А. Эйнштейн (1879—1955) выступил со статьей «К электродинамике движущихся тел», в которой с большой ясностью, простотой и глубиной решил запутанную проблему. Основная идея этой работы заключается в том, что надо раз и навсегда отказаться от попыток определения абсолютного движения и отбросить ньютоновские понятия абсолютного пространства и времени, как не имеющие реального
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
377
физического смысла. Физические понятия о времени и пространстве образуются из реальных процессов и отношений материальных тел. Время — это, так сказать, совокупность «часов», а пространство — совокупность «масштабов». Хотя философская позиция самого Эйнштейна не отличалась четкостью, он сильно склонялся к махизму и нередко делал идеалистические выводы из своих физических идей, однако сами его идеи свидетельствуют о наличии стихийной материалистической диалектики в его физических воззрениях. Напомним, что еще Энгельс в «Диалектике природы», критикуя Негели за неспособность найти правильное соотношение между эмпирическими фактами и научными абстракциями, писал:
«Это старая история. Сперва создают абстракции, отвлекая их от чувственных вещей, а затем
Альберт Эйнштейн
желают познавать их чувственно,
желают видеть время и обонять пространство. Эмпирик до того втягивается в привычное ему эмпирическое познание, что воображает себя все еще находящимся в области чувственного познания даже тогда, когда он оперирует абстракциями. Мы знаем, что такое час, метр, но не знаем, что такое время и пространство! (Здесь Энгельс повторяет высказывание Негели, снабжая его восклицательным знаком. — П. К.) Как будто время есть что-то иное, нежели совокупность часов, а пространство что-то иное, нежели совокупность кубических метров! Разумеется, обе эти формы существования материи без материи суть ничто, пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове» х.
Через тридцать лет после того, как Энгельсом были написаны эти строки, Эйнштейн показал, что ньютоновское пространство и время, оторванные от материи, это действительно пустые абстракции, с которыми физику делать нечего. Эйнштейн указывает физические способы определения пространства и времени, опираясь на следующие два постулата: 1) скорость света во всех инерциальных системах отсчета одинакова; 2) (принцип относительности): все инерциальные системы одинаково подходят для описания любых физических процессов. Эти постулаты Эйнштейна представляют, таким образом, обобщение и развитие принципа относительности Галилея—Гюйгенса—Ньютона. Однако сама механика Галилея—Гюйгенса—Ньютона претерпевает при этом существенные изменения. Во-первых, понятие одновременности теряет свой абсолютный смысл: события, одновременные в одной системе отсчета, оказываются
1 Ф. Энгельс, Диалектика природы, Господитиздат, 1955, стр. 187.
378 I л А В A VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г. разновременными в другой, во-вторых, теряют абсолютный смысл масштабы пространства и времени, пространственный масштаб имеет наибольшую длину в той системе, в которой он покоится, и укорачивается во всех других системах; интервал времени имеет наименьшее значение при его отсчете по часам, покоящимся в данной системе, и растягивается для всех других систем. Формулами преобразования в теории относительности являются преобразования Лорентца. Из этих преобразований вытекает закон сложения скоростей, обеспечивающий правильный результат как опыта Физо, так и опыта Майкельсона. Требование инвариантности фазы световой волны для всех инерциальных систем дает эффект Допплера и аберрацию, причем в отличие от классической теории изменение частоты зависит только от относительной скорости источника и наблюдателя, скорость по отношению к «эфиру» теряет смысл. Кроме того, теория дает так называемый «поперечный» эффект Допплера, представляющий не что иное, как «запаздывание» движущихся часов, в роли которых выступает любой периодический процесс.
Дальнейшими следствиями теории является закон зависимости массы от скорости и тесно связанный с ним знаменитый закон эквивалентности массы и энергии, точнее говоря, закон пропорциональности массы и энергии (Е — тс2).
В 1908 г. учитель Эйнштейна Герман Минковский (1864— 1909) сделал доклад «Пространство и время», в котором чисто формальным приемом включения в качестве четвертой координаты величины х4 = = ict дал геометрическую интерпретацию преобразований Лорентца и теории относительности. Согласно этой интерпретации, законы природы должны быть сформулированы на языке четырехмерного векторного и тензорного анализа, что обеспечивает их абсолютный характер, не зависящий от выбора системы отсчета. Геометрическая формулировка Минковского представляла первый шаг в отходе физики от усвоенного ею эвклидова пространства. Геометрия Эйнштейна—Минковского—это четырехмерная «псевдоэвкли-дова» геометрия. При дальнейшем обобщении своей теории Эйнштейн перешел к неэвклидовой геометрии, в то время как до этого эвклидова геометрия считалась единственно возможной для формулировки пространственных соотношений в физике. В частности, с эквлидовостью пространства теснейшим образом связан закон инерции. Аксиомы и постулаты эвклидовой геометрии казались настолько «очевидными», что Кант считал их врожденными идеями человеческого сознания. Но среди постулатов Эвклида был один так называемый пятый постулат о параллельных, не обладавший такой очевидностью, и геометры потратили немало труда на его доказательство. Однако эти доказательства или основывались на ошибках, или взамен пятого постулата выдвигали другую гипотезу. С точки зрения физики интересна идея подобия, выдвигаемая Карно и Лапласом. У Лапласа связь эвклидовой геометрии с механикой Ньютона ощущается весьма ясно. Закон тяготения Ньютона представляет собой строго доказанный закон природы. Но из этого закона вытекает в дальнейшем закон подобия: при пропорциональном уменьшении размеров тел, их взаимных расстояний и скоростей тела будут описывать подобные орбиты (см. раздел о Ньютоне). В связи с этим Лаплас пишет: «Попытки геометров доказать постулат Эвклида о параллельных линиях до сих пор оставались безуспешными. Но в то же время никто не подвергает сомнению ни этот постулат, ни теоремы, выводимые из него Эвклидом. Таким образом, восприятие пространства
§ 2 РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1017 г.
379
Николай Иванович Лобачевский
заключает в себе особенное свойство, которое само по себе очевидно и без которого нельзя строго обосновать свойств параллельных линий. Представление об ограниченном протяжении, например о круге, не содержит в себе ничего, что зависело бы от его абсолютной величины. Но если мы мысленно уменьшим его радиус, то непреодолимо должны будем уменьшить в том же отношении его окружность и стороны всех вписанных фигур. Эта пропорциональность представляется мне постулатом, более естественным, нежели эвклидов, и важно то, что с ним мы вновь встречаемся при рассмотрении следствий из всемирного тяготения».
Это, по-впдимому, одна из первых попыток апелляции к опыту в обосновании геометрии. Опыт ньютоновской механики явился, таким образом, свидетельством в пользу эвклидовой геометрии, новым доказательством ее «абсолютного» значения. Тем не менее внутренняя неудовлетворенность математиков аксиоматикой Эвклида оставалась. Она привела в первой четверти XIX в. к созданию неэвклидовой геометрии. Первые печатные изложения неэвклидовой геометрии принадлежат гениальному русскому математику профессору Казанского университета Николаю Ивановичу Лобачевскому (1792—1856 гг.).
12(24) февраля 1826 г. Лобачевский представляет совету физико-математического факультета Казанского университета «Рассуждение о началах геометрии», в котором излагает принципы геометрии более общего класса, чем эвклидова. В 1829—1830 гг. он напечатал статью «О началах геометрии». В 1835 г. появляются его сочинения «Воображаемая геометрия» и «Новые начала геометрии с полной теорией параллельных». В 1840 г. на немецком языке выходит его сочинение «Геометрические исследования о параллельных прямых», а в 1855 г., за год до смерти — «Пангеометрия». Чрезвычайно существенно, что Лобачевский, вопреки кантианским взглядам об априорном происхождении геометрических аксиом, утверждает, что геометрия по своей сущности является опытной наукой. В «Новых началах геометрии» он пишет:
«Всем известно, что в геометрии теория параллельных до сих пор оставалась несовершенной. Напрасное старание со времен Эвклида в продолжение двух тысяч лет заставило меня подозревать, что в самих понятиях еще не заключается той истины, которую хотели доказывать и которую проверить, подобно другим физическим законам, могут лишь опыты, каковы, например, астрономические наблюдения. В справедливости моей догадки будут, наконец, убеждены и, почитая затруднительный вопрос решенным вполне, писал об этом я рассуждение в 1826 году».
380 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1И7 г.
Заменив постулат Эвклида постулатом, что через точку вне данной прямой можно провести бесчисленное множество прямых, лежащих внутри некоторого угла параллельности П(а), где а — расстояние точки от данной прямой, не пересекающих эту прямую. Лобачевский строит внутренненепротиворечивую систему геометрии, отличную от эвклидовой. Таким образом, эвклидова геометрия не является единственной логически мыслимой геометрией.
В 1828 г. знаменитый немецкий математик Гаусс разработал аналитический аппарат теории поверхностей. Положение точки на поверхности определяется системой пересекающихся друг с другом двух семейств кривых пип. На плоскости эти семейства кривых — прямые и определяют декартовы координаты. Каждой точке на поверхности соответствуют два числа и и v, называемые криволинейными координатами. Элемент длины (расстояние между двумя соседними точками) выражается формулой:
d.d = gudtd -ф- ^g^dudv + gindv2.
Коэффициенты gik Гаусс назвал фундаментальными величинами первого порядка; они характеризуют поверхность независимо от ее положения в пространстве. При изгибании поверхности его элемент длины («метрика») остается без изменения. Для всех поверхностей, навертывающихся на плоскость без растяжения и сжатия, элемент длины может быть при соответствующем выборе криволинейных координат приведен к виду ds^dtd-j-dv*.
Для всех поверхностей, навертывающихся на шар, элемент длины может быть приведен к виду
d.d = did Д- sin2 и  dzd
Для так называемой «псевдосферы» и всех поверхностей, навертывающихся на нее,
ds* = did -]- sin hyp 2udvl.
Коэффициенты gik и их производные определяют кривизну поверхности. Для плоскости эта кривизна нуль, для сферы -^, для псевдосферы (— Планиметрия Лобачевского есть планиметрия поверхностей, навертывающихся на псевдосферу. Для плоскости сумма углов треугольника равна двум прямым, для сферы -— больше двух прямых, для псевдосферы — меньше двух прямых. Все поверхности, навертывающиеся на одну и ту же поверхность, имеют одну и ту же геометрию. При навертывании их геодезические линии (т. е. линии наименьшей длины) совпадают.
В 1854 г. ученик Гаусса Бернгард Риман (1826—1866) выступил с знаменитой диссертацией «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», в которой он обобщил идеи Гаусса и Лобачевского, введя представление о многомерном пространстве. Риман обобщает для этого пространства понятие элемента длины:
ds^^g^dx^.
i, k
Пространство, для которого этот элемент может быть сведен к сумме квадратов координат (gik = 0 для г 7^ fe и 1 для г= k), называется плоским. В противном случае пространство имеет кривизну, определяемую некоторой
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
381
совокупностью величин, называемых римановым тензором кривизны. Для положительной ,кривизны получаем риманово беспредельное, но замкнутое пространство «-измерений, которое в частном случае двух измерений сводится к сфере. Для отрицательной кривизны получаем пространство Лобачевского. Следует отметить, что все эти понятия Риман относит к бесконечно малым областям пространства. Кривизна может меняться от точки к точке — составляющие римановы тензора являются функциями точки. Риман ставит вопрос о внутренней причине возникновения метрических свойств пространства. Здесь он делает очень важные и глубокие замечания, что или «то реальное, что создает идею пространства, образует дискретное многообразие, или же нужно пытаться объяснить возникновение метрических отношений чем-то внешним — силами связи, действующими на это реальное».
Еще раньше Лобачевский утверждал, что «силы все производят одно: движение, скорость, время, массу, даже расстояния и углы».
Английский математик Вильям Клиффорд (1845—1879), назвавший Лобачевского Коперником геометрии, спрашивал: «Не окажется ли, что все или некоторые из тех причин, которые мы называем физическими, ведут свое начало от геометрического строения нашего пространства?» Так мало-помалу укреплялась мысль о теснейшей связи пространства и времени с материей, о том, что геометрия является частью физики.
В 1868 г. появилась работа Гельмгольца «О фактах, лежащих в основании геометрии», развивающая идеи Римана. Далее, норвежский математик Софус Л и применил к исследованию пространства созданную им теорию непрерывных групп преобразования. В 1901 г. Риччи создал математический аппарат тензорного исчисления, названный им «абсолютным дифференциальным исчислением», позволяющий формулировать законы природы в форме инвариантной при линейных преобразованиях координат. Эти изменения взглядов на пространство и созданный математиками новый формализм получили применение в общей теории относительности Эйнштейна (1916 г.). В этой теории Эйнштейн, опираясь на известный со времен Галилея факт пропорциональности веса и массы, строит физику поля, справедливую для любых систем отсчета. Геометрия четырехмерного пространства-времени определяется распределением масс. Вместо закона тяготения Ньютона появляются тензорные дифференциальные уравнения. В качестве следствий из общей теории относительности получаются: искривление светового луча в сильном гравитационном поле, движение перигелия Меркурия, смещение спектральных линий в гравитационном поле. По теории Эйнштейна, гравитационное поле неподвижного и вращающегося шара должно быть различно Этот результат может быть проверен на искусственных спутниках Земли Что же касается искривления светового луча в гравитационном поле, то наблюдения при полных солнечных затмениях подтвердили теорию в пределах точности эксперимента. Красное смещение спектральных линий в гравитационном поле существует, но полной количественной проверки еще не удалось получить.
ТЕОРИЯ КВАНТ
Другим пунктом, в котором физические представления подверглись коренному изменению, была теория квант Квантовые условия Планка поколебали, казалось, прочно установившиеся волновые представления
382 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
в оптике. Они поколебали и принципы классической статистики Больцмана— Гиббса, закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Попытка Джинса применить к излучению в замкнутом пространстве закон равномерного распределения энергии по степеням свободы (1905 г.) привела его к формуле, установленной ранее Рэлеем и находящейся в резком противоречии с опытом («ультрафиолетовая катастрофа»). Аналогичные попытки предпринимали Лорентц, Эйнштейн и другие физики, пока Лорентц в 1911 г. не доказал, что закон Рэлея—Джинса получается с необходимостью, если предполагать справедливыми законы классической статистики для всех механических и электромагнитных процессов, протекающих в замкнутом пространстве. Тем не менее физики и прежде всего сам Планк продолжали считать гипотезу квант временным явлением.
Однако в 1905 г. в том же томе журнала, где появилась его статья о теории относительности, Эйнштейн выступил со статьей, в которой радикально расширялась область применения теории квант. Статья эта называлась «Современная точка зрения, касающаяся возникновения и превращения света». В этой статье Эйнштейн показал, что основные черты процесса превращения света и прежде всего фотоэлектрического эффекта получают простое и ясное объяснение на языке теории квант. В этом же томе журнала Annalen der Physika und Chemie появилась и статья Эйнштейна о броуновском движении, в которой Эйнштейн показал, что это явление представляет собой флюктуационный процесс, т. е. процесс беспорядочного колебания плотности и давления в среде, в которой движется взвешенная частичка. Аналогичный процесс, по Эйнштейну, происходит и в среде, заполненной излучением. Если это излучение подчиняется закону Вина, то в нем совершаются флюктуации, так что оно может быть рассматриваемо как совокупность световых частиц, число которых равно полной энергии излучения, деленной на величину кванта энергии.
В 1907 г. Эйнштейн расширил далее область применения теории квант,-применив ее к теории теплоемкости твердого тела. Опыты давно показали, что закон Дюлонга и Пти, к которому приводит классическая статистика, перестает быть справедливым при низких температурах. Теплоемкость уменьшается с понижением температуры. На этом факте уменьшения теплоемкости конденсированных систем при приближении к абсолютному нулю В. Н ер нет (1864—1941) обосновал в 1906 г. свой принцип недостижимости абсолютного нуля, получивший позднее название третьего начала термодинамики. Все эти факты непонятны с точки зрения классической статистики. Эйнштейн, отказавшись от теоремы равномерного распределения энергии и рассматривая твердое тело как совокупность независимых осцилляторов с тремя степенями свободы, приписал каждому осциллятору среднее значение энергии, соответствующее формуле Планка. Им была получена формула, в которой теплоемкость твердого тела является функцией отношения у.
Формула Эйнштейна была проверена экспериментально Нернстом и его сотрудниками. Результаты опытов показали хорошее качественное совпадение теории и эксперимента, однако в количественном отношении формула нуждалась в улучшении. Недостатком теории Эйнштейна было то, что он принимал только один род колебаний осциллятора, не учитывая связи между осцилляторами, в результате которой возникает спектр колебаний. Дебай (1912 г.) рассматривал кристалл как непрерывную упругую среду
§2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
383
и, отождествив согласно идее, высказанной Сузерландом и Маделунгом в 1910 г., упругие и тепловые колебания, рассмотрел все возможные частоты стоячих волн, возникающих в данном объеме при данной частоте колебаний осциллятора. Максимальный обертон этой частоты будет иметь порядок ЗМ, где N — число атомов в данном объеме. При весьма низких температурах теплоемкость тела оказывается пропорциональной кубу температуры. Для энергии тела при абсолютном нуле получается определенный запас «нулевой энергии». Наличие нулевой энергии постулировалось Нернстом, и оно вытекало из дальнейшего развития гипотезы Планка, предположившего, что энергия осциллятора излучается прерывно, а поглощается непрерывно. Что особенно существенно в этом новом варианте гипотезы, это то, что наименьший запас энергии осциллятора не 0, как в первоначальном варианте, a у. Вокруг этой гипотезы о «нулевой энергии» развернулась обширная дискуссия, конец которой был положен развитием квантовой механики, которая с необходимостью приводила к существованию нулевой энергии осциллятора с полуцелым квантовым значением.
В 1911 г. состоялся конгресс физиков и химиков (так называемый «Соль-веевский»), на котором обсуждались проблемы квантовой теории. Именно на этом конгрессе Лорентц показал, что классическая статистика неминуемо ведет к неверном} закону Рэлея—Джинса.
На этом же конгрессе Планк дал новую формулировку теории кванг. Состояние линейного осциллятора, определяемое смещением q и импульсом р, изображается на фазовой плоскости точкой. При движении осциллятора эта точка описывает замкнутую кривую — фазовую траекторию. Планк предполагает, что принцип квантования заключается в том, что не все фазовые траектории возможны, а только те, для которых фазовый интеграл ф pdq, представляющий площадь, охватываемую траекторией, целократен постоянной Планка
(|- pdq - nh.
Это новое развитие теории имело важнейшие следствия Опираясь на этот постулат, Бор в 1913 г. применил теорию квант к атому водорода и впервые дал теоретическое истолкование спектральным закономерностям, эмпирические формулы для которых были найдены Бальмером (1883 г.), Ридбергом и Ритцем. С возникновения теории Бора началась эпоха квантовой теории атомных явлений.
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ И РАДИОАКТИВНОСТЬ
Эпоха атомной физики была подготовлена фундаментальными открытиями конца XIX в.: открытием Рентгена (1895 г.), открытием радиоактивности (1896 г.) и открытием электрона (1897 г.). Из этих открытий вытекала мысль о строении атома, а вместе с тем и задача изучения этого строения. Следует, однако, указать, что идея о сложной структуре атома возникла значительно раньше этих открытий. Еще в 1815 г. Вильям П р а у т (1785—1850 гг.) выдвинул гипотезу, что все атомы состоят из атомов водорода. Однако точные определения атомных весов показали, что они не являются целыми кратными от веса атома водорода, и гипотеза была оставлена. Но мысль о сложном строении атомов вновь возникла после открытия в 1869 г. Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодический системы элементов.
384 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Макс Лауэ
Насколько это открытие стимулировало возникновение гипотез о строении атома, можно видеть на примере замечательного русского ученого-революционера Николая Александровича Морозова (1854—1946). Находясь с 1881 г. в одиночном заключении сначала в Петропавловской, а затем в Шлиссельбургской крепости, он много размышлял над периодическим законом и, основываясь на найденной им аналогии между свойствами химических элементов и некоторых органических соединений, приходит к мысли о структуре атомов. Разрабатывая эту мысль, он приходит к выводу о существовании новой нулевой группы элементов, о наличии заряженных субатомных частиц (их Морозов называл като-дием и анодием) и о возможности распада и превращения атомов. Когда Морозов стал получать литературу, он убедился,
что нулевая группа элементов действительно открыта, что открыты электрон и радиоактивный распад. Им была написана книга «Периодическая система строения вещества», изданная только в 1907 г. после освобождения Морозова из заключения. Замечательные догадки и предвидения Морозова свидетельствовали о том, что закон Менделеева действительно отражает глубокие свойства материи. Сам Менделеев, опираясь на свое открытие, с большей точностью предсказал существование не открытых еще элементов и описал их свойства. Эти элементы действительно были открыты. В 1875 г. был открыт галлий, занявший в таблице место, указанное ему Менделеевым (№ 31), в 1879 г. был открыт элемент скандий (№ 21) и в 1886 г. — германий (№ 32). Энгельс сравнивал предсказания Менделеева с предсказанием Леверье, теоретически открывшего новую планету Нептун. Однако открыть структуру атома средствами химии было невозможно; это хорошо понимал Менделеев, подчеркивавший, что в химическом отношении атомы являются неделимыми индивидуумами. Строение атомов открыла физика, она же раскрыла смысл периодического закона.
Проникновение в мир атомных явлений началось с исследования излучений. К световым излучениям, в том числе ультрафиолетовому и инфракрасному излучению, физики конца XIX в. прибавили новые виды лучей:
1.	Катодные лучи (Гитторф, 1869 г.; Крукс, 1879 г.)
2.	Каналовые лучи (Гольдштейн, 1886 г.)
3.	Рентгеновские лучи (Рентген, 1895 г.)
4.	Радиоактивные лучи (Беккерель, 1896 г.).
Природа катодных лучей была установлена Ж- Перреном (1895 г.) и Д. Д. Томсоном (1897 г.). Последний разработал метод измерения е/т путем изменения отклонений пучка в электрическом и магнитном полях. Э. Вихерт в 1899 г. измерял отдельно скорость лучей и их удельный заряд. М. Склодовская-Кюои показала, что радиоактивные вещества испускают отрицательно заряженные частицы. А. Беккерель в 1900 г. измерил по
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
385
методу Томсона е/m для этих лучей и показал, что они тождественны с быстродвижущимися катодными лучами. Как уже говорилось в предыдущем разделе, Кауфман обнаружил для этих быстрых лучей зависимость массы от скорости.
Труднее оказалось получить отклонение в магнитном и электрическом полях для каналовых лучей. Впервые это удалось Вину в 1898 г., показавшему, что каналовы лучи заряжены положительно и несут массу порядка атомных масс. В 1907 г. Д. Д. Томсон разработал знаменитый «метод парабол» для исследования удельного заряда е/т каналовых лучей. Из этого метода выросла в дальнейшем масс-спектроскопия.
Природа рентгеновских лучей оставалась загадочной, отклонения их
Георгий (Юрий) Викторович Вульф
в электрическом и магнитном полях не
удалось получить, но также не удалось получить и волновых явлений: преломления, интерференции, дифракции, поляризации. В 1897 г. Лармор нашел выражение энергии, излучаемой ускоренно движущимся зарядом. Стокс и Вихерт высказали гипотезу о том, что рентгеновское излучение представляет собой электромагнитный апериодический импульс, возникающий при ударе и торможении электронов. Эту теорию развивал Д. Д. Томсон, применивший ее к явлениям рассеяния и поглощения рентгеновских лучей в веществе. Хага и Винд в 1899 г. наблюдали фотографическим путем прохождение рентгеновских лучей через треугольную щель, сходящуюся до нуля от ширины при основании 0,01 мм. По мере уменьшения ширины щели наблюдалось расширение полосы почернения. А. Зоммерфельд (1900 г.) объяснял это дифракцией рентгеновских лучей. В 1904 и 1905 гг. Баркла, используя картину поля излучения ускоренного электронного пучка, обнаружил поляризацию рентгеновского пучка, рассеянного угольной пластинкой.
Опыт Хага и Винда с клинообразной щелью был повторен с улучшенной фотометрической методикой Вальтером и Полем. На основании этих измерений А. Зоммерфельд оценил в 1912 г. ширину рентгеновского импульса в 4 • 10 9 см.
Но в том же 1912 г. было дано окончательное доказательство волновой природы рентгеновских лучей. Немецкий физик М. Л а у э предложил воспользоваться в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей кристаллом. Опыты, проведенные его сотрудниками В. Фридрихом и П. Книппингом с кристаллом цинковой обманки, дали ясную дифракционную картину. В 1913 г. независимо друг от друга английские физики отец и сын Брэгги и русский физик Ю. В. Вульф (1863— 1925) предложили новый метод рентгеновской спектроскопии, основанный на отражении монохроматического рентгеновского пучка от поверхностей кристалла. Этот же метод оказался чрезвычайно удобным и для
386 Г Л4В4 VII РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917г.
анализа структуры кристаллов (рентгеноструктурный анализ). Спектроскопические измерения рентгеновских лучей показали, что, кроме сплошного спектра торможения, имеется линейчатое характеристическое излучение. Сплошной спектр имеет коротковолновую границу. С повышением напряжения в трубке длина волны, соответствующая этой границе, уменьшается. Наличие коротковолновой границы и закон ее изменения с напряжением не могли быть объяснены классической теорией излучения и, как оказалось, давали новое подтверждение гипотезы квант. Измеряя эту границу, Вагнер в 1920 г. определил постоянную Планка h.
Характеристическое излучение было открыто Баркла (1908 г.) еще до опытов Лауэ из измерений поглощения рентгеновских лучей. Баркла открыл два рода характеристического излучения, более проникающее («жесткое») /(-излучение и менее проникающее («мягкое») L-излучение. В 1913 г. английский физик Мозли установил связь между длинами волн /(-излучения различных элементов и атомным номером этих элементов в менделеевской таблице (закон Мозли).
Таким образом, к 1913 г. была не только установлена волновая природа рентгеновских лучей, но и выяснена их связь со строением атома. На эту связь указывал закон Мозли, а также более раннее (1907 г.) соотношение Д. Д. Томсона, установившего еще на основании классической теории излучения, что отношение коэффициента поглощения, обусловленного рассеянием рентгеновских лучен, и плотности данного вещества пропорционально отношению числа электронов в атоме к атомному весу. В установлении первых закономерностей атомной физики изучение рентгеновских лучей сыграло важную роль.
Однако решающую роль в возникновении и развитии атомной физики сыграла радиоактивность. Открытая вначале Беккерелем как странное свойство з рана и его соединений, она после открытия МариейСклодовской-Кюри аналогичной способности у тория стала рассматриваться как некоторое особое свойство атомных частиц, получившее по предложению Кюри название радиоактивность (1898 г.). Вскоре М. Кюри и ее муж Пьер Кюри открыли новые, до того неизвестные в природе, химические элементы, обладающие сильной радиоактивностью. Это были полоний и радий (1898 г.). В следующем 1899 г. Дебьерк открыл радиоактивный элемент актиний, в 1906 г. Болтвуд открыл ионий.
В 19и0 г. супруги Кюри доказывают, что в составе радиоактивных лучей есть отрицательно заряженные частицы. А. Беккерель измеряет удельный заряд е/m этих частиц и показывает, что они тождественны с электронами.
В том же году Э. Резерфорд (1871—1937) совместное Ф. Со дди устанавливают факт радиоактивности превращения урана в новое вещество, названное им ураном-Х. В 1903 г. они установили аналогичное явление для тория и открыли количественный закон радиоактивного распада. (Еще в 1899 г. Эльстер и Гейтель показали, что число испускаемых радиоактивным веществом частиц уменьшается по экспоненциальному закону.) Этот закон был истолкован в 1905 г. Э. Швейдлером (1873—1948) как статистический закон. Резерфорд впервые разделил радиоактивное из лучение на а- и 8-излучения, в 1900 г. Пауль Виллард открыл 7-лучи. В том же 1903 г., в котором Резерфорд и Содди открыли закон радиоактивного распада, Резерфорд добился отклонения tx-лучей в магнитном поле, доказал, что а-частицы несут положительный заряд и в соответ-

Мария и Пьер Кюри в своей лаборатории.
388 г Л А В A V 1 I. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Эрнст Резерфорд
ствии с их удельным зарядом могут быть либо молекулой водорода, заряженной одним электрическим зарядом положительного электричества, либо атомом гелия с двойным зарядом, либо половиной атома гелия с одинарным зарядом. Рамзай и Содди в 1904 г. обнаружили, что в радиоактивных соединениях имеются следы гелия, а в 1909 г. Резерфорд и Ройдс прямым наблюдением доказали, что в результате а-распада образуется гелий.
В том же 1903 г. П. Кюри и А. Лаборд установили замечательный факт непрерывного выделения теплоты радием в количестве примерно 100 калорий в час на один грамм радия. Так впервые было установлено существование новых источников энергии. В 1908 г. Резерфорд и Гейгер показали, что энергия радия вы
деляется в виде кинетической энергии испускаемых им а-частиц. Эта энергия, согласно высказанной Резерфордом и Содди гипотезе радиоактивного распада, является внутриатомной энергией.
В 1907 г. немецкий химик О. Ган открыл мезоторий. Марквальд и Содди показали в 1910 г., что этот элемент тождествен по своим свойствам с радием. О. Ган и Л. Мейтнер установили, что подобная идентичность в свойствах различных химических радиоактивных элементов не единична, и Содди в том же году установил окончательно факт изотопии среди химических элементов. «Химическая однородность,— писал Содди,— больше не является гарантией того, что данный элемент не есть смесь нескольких элементов разных атомных весов или что любой атомный вес не есть некоторое среднее число».
В 1912 г. Д. Д. Томсон подтвердил эту идею, доказав методом парабол существование двух изотопов неона.
В 1903 г. Крукс изобрел простой прибор для наблюдения а-частиц — спинтарископ. Наряду с ионизационной камерой и фотопластинкой, этот прибор получил широкое применение в экспериментальных исследованиях радиоактивных процессов.
В 1906 г. Резерфорд открыл рассеяние а-частиц при прохождении их через вещество. Гейгер в 1909—1910 гг. систематически исследовал это явление с помощью спинтарископа и нашел, что наивероятнейший угол рассеяния сильно зависит от атомного веса рассеивающего вещества, а также от скорости а-частиц. Кроме того, он вместе с Марсденом обнаружил существование аномально больших углов рассеяния. Для а-частиц, испускаемых радием, при рассеянии в платине получается в среднем одна из 8000 частиц, отклоненная на угол больше 90°. Резерфорд в 1911 г. показал, что этот результат может быть объяснен, если предположить, что атом обладает положительно заряженным ядром, создающим интенсивное электрическое поле, воздействующее на а-частицу, когда она
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г
389
Нильс Бор
проходит вблизи ядра. Он нашел формулу, связывающую угол рассеяния со скоростью частицы, ее «прицельным расстоянием» от ядра и зарядом ядра. Заряд ядра оказался равным номеру элемента в менделеевской таблице. В том же 1911 г. Баркла, проверяя формулу Д. Д. Томсона для рассеяния рентгеновских лучей, показал, что число электронов в оболочке легких ядер равно половине их атомного веса. В 1913 г. Ван-ден-Брек высказал гипотезу, что номер элемента равен числу электронов в атоме и половине атомного веса. Вторая половина гипотезы имеет место только приближенно для легких ядер, физическое же значение номера в менделеевской таблице подтвердилось и законом Мозли.
Факты радиоактивности более чем какие-либо другие .факты физики свидетельствовали о сложной структуре
ядра. К 1905 г. идея о планетарном строении атома уже высказывалась многими физиками (В. Вин, Нагаока), однако эта модель находилась в противоречии с электродинамикой. Д. Д.Томсон разработал статическую модель, предложенную В. Томсоном в 1902 г., согласно которой атом представляет собой положительно заряженную сферу, внутри которой плавают электроны. Но опыты по рассеянию а-частиц противоречили этой модели и Резерфорд окончательно остановился на ядерной планетарной модели. Используя идеи Планка о кванте действия и модель Резерфорда, Нильс Бор (род. 1885 г.), как уже упоминалось, разработал планетарную теорию атома.
К этой модели, к мысли о применении к ней идеи квантования Бор был подведен всем развитием атомной физики. Важнейшим условием этого развития была разработка методики определения атомных констант. Число и масса атомов, скорость их движения, величина элементарного заряда, величина кванта действия — все эти характеристики атомного мира оказались доступными экспериментальному исследованию вопреки предсказаниям энергетиков и позитивистов. Постоянная Планка и постоянная Больцмана входят в формулу излучения Планка. Если вывести из этой формулы законы Стефана—Больцмана и Вина, то величины атомного мира оказываются связанными с постоянными законов Стефана—Больцмана и Вина, так что, измеряя эти последние, можно определить k и /г. Многочисленные экспериментальные проверки закона Планка, в особенности Рубенса, Люм-мера и Прингсгейма и Пашена, уже в начале XX в. дали значения постоянных Планка и Больцмана.
Другим методом определения постоянной Больцмана, а следовательно, и числа Авогадро были методы, основанные на флюктуационных явлениях, в первую очередь на явлениях броуновского движения. Как уже указывалось выше, в 1905 г. теорию броуновского движения дал А. Эйнштейн. Им была найдена зависимость между средним квадратом перемещения
390 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
частицы за данный интервал времени и величиной этого интервала. Средний квадрат перемещения оказывается пропорциональным времени наблюдения, причем в коэффициент пропорциональности входит постоянная k Больцмана. Теория движения броуновских частиц была дана также М. Смолу-ховским (1872—1917) в 1906 г. и П. Ланжевеном в 1908 г.
Исследованиями броуновского движения в эмульсиях занимался французский физик Жан Перрен, проверивший правильность закона Эйнштейна и определивший из своих наблюдений число Авогадро (1908 г.). В 1909 г. Де-Бройль, изучая броуновское движение в газах, подтвердил закон Эйнштейна и определил число Авогадро. Тщательные наблюдения флюктуационных явлений производил в 1913 г. Сведберг. Все эти наблюдения были теснейшим образом связаны с измерениями абсолютного заряда электрона. Американский физик Р. Милликен (1868— 1953) разработал в 1909 г. метод измерения этой величины с помощью конденсатора и доказал, что величина заряда может изменяться на целое кратное заряда электрона. Ввиду возражений, которые встретил этот вывод со стороны австрийских физиков во главе с Эренгафтом, утверждавшим, что он наблюдал заряды, меньшие заряда электрона («субэлектроны»), как сам Милликен, так и другие физики предприняли новые измерения по методу Эренгафта — Милликена. Особенно важные улучшения методики эксперимента были сделаны русским физиком А. Ф. Иоффе (1913 г.). А. Ф. Иоффе заменил капельки масла, заряжаемые в методе Милликена, пылинками цинка. Это давало два важных преимущества: во-первых, цинк не испарялся, как масло, и масса пылинки оставалась постоянной на протяжении всего длительного эксперимента; во-вторых, цинк обладает большой фотоэлектрической чувствительностью. Измерения Иоффе не только подтвердили вывод об атомном строении электрического заряда, но и показали, что фотоэлектрический эффект носит статистический характер, никакого «времени накопления» кванта энергии не существует: облучаемая пылинка может длительно не заряжаться и потом внезапно терять электрон, поглощая квант.
Новый метод определения атомных констант дали радиоактивные явления. Уже спинтарископ давал возможность подсчета а-частиц, а измеряя их суммарный заряд, можно было определить величину заряда отдельной частицы. В 1912 г. атомная физика обогатилась важнейшими приборами, позволяющими наблюдать отдельные частицы: счетчик Гейгера и камера Вильсона. Эти приборы оказали неоценимые услуги атомной физике.
Наконец, важным методом определения атомных констант являются спектроскопические измерения. После того как Нильс Бор в 1913 г. нашел связь между постоянной Ридберга, фигурирующей в выражении спектральных серий, и атомными величинами (постоянной Планка, зарядом и массой электрона), появилась возможность определения атомных констант из спектроскопических данных. Внесенная в дальнейшем Бором поправка на собственное движение ядра дала в руки экспериментаторов методы точного сравнения атомных масс. К 1917 г. Милликен в своей книге «Электрон» мог уже привести сводку экспериментальных данных атомной физики, полученных различными способами и находящихся в хорошем согласии друг с другом. Еще раньше Перрен, сопоставляя данные о числе Авогадро, полученные различными методами, писал: «Нельзя не удивляться, видя, как согласуются между собой результаты исследования столь различных явлений. Если мы вспомним, что одна и та же величина получается в результате варьирования условий и явлений, к которым прилагаются эти методы — мы
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
391
придем к заключению, что реальность молекул имеет вероятность, близкую к достоверности». Милликен же заключает свою книгу словами: «Атомный и электронный миры открылись глазам физиков с чарующей определенностью и стройностью...»
КРИЗИС ФИЗИКИ И ЕГО АНАЛИЗ В. И. ЛЕНИНЫМ
Однако эти миры оказались совершенно необычными: «...их отношение к миру эфирных волн, — писал Милликен, — до сих пор глубокая тайна». Здание механистической физики было до основания разрушено новыми открытиями. Старая, привычная материя Ньютона, с ее основной характеристикой — неизменной массой, представляющей собой сумму масс неизменных атомов, — исчезла. На этом основании заговорили об «исчезновении материи». Махизм, позитивизм, энергетизм вновь воспряли духом. Материализм, как казалось, должен быть окончательно похоронен новыми открытиями в физике, «новейшей революцией в естествознании». С необычайной глубиной эту ситуацию «кризиса в физике» анализировал В. И. Ленин в своем гениальном произведении «Материализм и эмпириокритицизм» (1909 г.).
Ленин прежде всего характеризует суть «кризиса в физике» в философском отношении, которая заключается в том, что «...материалистическая теория познания, стихийно принимавшаяся прежней физикой, сменилась идеалистической и агностической, чем воспользовался фидеизм, вопреки желанию идеалистов и агностиков» \ Там, где старая физика видела отражение объективной реальности, новое течение в физике видит «...только символы, знаки, отметки для практики, т. е. отрицает существование объективной реальности, независимой от нашего сознания и отражаемой им» 1 2.
Ленин показывает, что такие выводы из революции в естествознании несостоятельны. Материя, как объективная реальность, не«исчезла»в результате новых открытий, а стала известной глубже, чем раньше. «Материя исчезает» — это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идет глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными (непроницаемость, инерция, масса и т. п.) и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи. Ибо единственное «свойство» материи, с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания» 3.
Старый механистический метафизический материализм исходил из допущения существования в природе неизменных элементов, «неизменной сущности вещей», вроде атомов Демокрита. Таких неизменных элементов в природе не оказалось. Этот факт, указывает Ленин, свидетельствует в пользу диалектического материализма.
«Неизменно, с точки зрения Энгельса, только одно: это—отражение человеческим сознанием (когда существует человеческое сознание) независимо от него существующего и развивающегося внешнего мира. Никакой другой «неизменности», никакой другой «сущности», никакой «абсолютной субстанции» в том смысле, в каком разрисовала эти понятия праздная профессорская философия, для Маркса и Энгельса не существует. «Сущность»
1 В. И. Ленин,- Сочинения, т. 14, Госполитиздат, 1947, стр. 243—244.
2 Т а м же, стр. 243.
8 Там же, стр. 247.
392 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
вещей, или «субстанция» тоже относительны; они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна, но она бесконечно существует, и вот это-то единственно категорическое, единственно безусловное признание ее существования вне сознания и ощущения человека и отличает диалектический материализм от релятивистского агностицизма и идеализма» х.
Этот исключительно глубокий вывод Ленина о бесконечном развитии познания, о неисчерпаемости электрона, атома, об отсутствии «последней черты» в природе и познании блестяще подтвердился и подтверждается всем дальнейшим ходом развития физики. Ленин указывал, что диалектический материализм настаивает на приблизительном, относительном характере всякого научного положения о строении материи и свойствах ее, на отсутствии абсолютных граней в природе, на превращении движущейся материи из одного состояния в другое, по-видимому, с нашей точки зрения, непримиримое с ним», и это его указание подтверждается на каждом шагу в современной физике элементарных частиц. «Разрушимость атома, неисчерпаемость его, изменчивость всех форм материи и ее движения всегда были опорой диалектического материализма. Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи, — но это нисколько не доказывает, чтобы природа, материя сама была символом, условным знаком, т. е. продуктом нашего ума... Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней, но это не значит, чтобы природа была созданием нашего ума или абстрактного ума, т. е. уордовского бога, богдановской «подстановки» и т. п. 1 2.
Сила диалектико-материалистической мысли Ленина позволила ему увидеть в гуще новых фактов, в ломке понятий, перед которыми растерялись специалисты-физики, грядущие новые успехи науки, увеличивающие власть человека над природой и торжество диалектического материализма. Он предвидел также и шатания в капиталистической физике, которая идет и будет идти «...кединственно верному методу и единственно верной философии естествознания не прямо, а зигзагами, несознательно, а стихийно, не видя ясно своей «конечной цели», а приближаясь к ней ощупью, шатаясь, иногда даже задом» 3. Но именно в овладении этим единственно верным методом и единственно верной философией и лежит ключ к преодолению всех и всяческих кризисов в физике.
ЭЛЕКТРОННАЯ ФИЗИКА
Открытие электрона, свойства которого, как предвидел Ленин, оказались поистине неисчерпаемыми, чрезвычайно существенным образом повлияло на развитие теории электрических и магнитных явлений. Если в максвелловской электродинамике такие свойства тел, как их диэлектрическая и
1 В. И. Ленин, Сочинения, т. 14, Госполитиздат, 1947, стр. 249.
2 Т а м же, стр. 268.
! Там же, стр. 299.
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1517 г.
393
магнитная проницаемость, электропроводность, являлись эмпирическими коэффициентами, то электрическая теория ставит своей задачей вывести эти коэффициенты, исходя из определений о структуре тел. В 1900 г. П. Дру-де, а в 1904—1905 гг. Г. А. Лорентц создали теорию электропроводности, основанную на представлении о существовании свободных электронов в металле. Применяя к этим электронам законы кинетической теории газов («электронный газ»),они получили закон Ома, закон Джоуля—Ленца и закон Видемана — Франца, связывающий теплопроводность металлов с их электропроводностью. Гипотеза существования свободных электронов в металле опиралась на опытные данные и прежде всего на явления термоэлектронной эмиссии. Это явление было открыто Эдисоном и исследовано Ричардсоном в 1900 г. Д. Д. Томсон показал, что удельный заряд испускаемых накаленным катодом частиц совпадает с удельным зарядом катодных лучей. В 1903 г. русский физик В. Ф. Миткевич (1872—1951) показал, что в дуговом разряде важную роль играют электроны, и измерил их удельный заряд. О. Ричардсон применил к явлениям термоэлектронной эмиссии законы кинетической теории газов и вывел зависимость силы термоэлектронного тока от температуры (закон Ричардсона, 1901 г.).
Открытие термоэлектронной эмиссии привело к важнейшим научно-техническим последствиям. В 1904 г. Д. Флеминг сконструировал двухэлектродную лампу (аудион Флеминга) и применил ее для детектирования электромагнитных колебаний при радиоприеме. Де-Форест (1907 г.) изобрел третий электрод—сетку для управления потоком термоэлектронов. Это изобретение открыло широчайшие возможности для применения электронных ламп в научных измерениях и радиотехнике. В 1913 г. Мейснер разработал метод генерирования незатухающих колебаний с помощью трехэлектродной лампы. Усовершенствование техники получения вакуума (Лангмюр) привело к улучшению качества ламп и их широкому распространению. Лангмюр в 1913 г. начал исследование процессов в лампе, выявил влияние объемного заряда на термоэлектронный ток («закон трех вторых»).
Таким образом, было не только доказано существование свободных электронов в металле, но и родилась новая отрасль науки и техники, электроника. Следует, однако, отметить, что наряду с успехами электронной теории электропроводности встретились и серьезные трудности. Так, например, Лорентц улучшил теорию Друде, учтя при выводе закона Видемана— Франца максвеллово распределение скоростей, однако численное значение полученного им коэффициента хуже согласовалось с опытом, чем в упрощенной теории Друде. Особенно необъясним был факт, что электроны, обладающие, согласно теории, своей долей энергии, в соответствии с законом равномерного распределения энергии по степеням свободы, не вносят эту долю в полную теплоемкость металла. Наконец, зависимость сопротивления от температуры (его уменьшение при охлаждении) оказалась не такой, как требовала теория. В 1908 г. Камерлинг—Оннес (1853—1926) в Лейдене обратил в жидкость гелий и получил возможность исследования свойств веществ при температурах ниже 10° абс. Он показал, что у ряда металлов имеется критическое сопротивление, ниже которого оно не падает при дальнейшем охлаждении. В 1911 г. он нашел, что для ртути, свинца, олова и некоторых других металлов по достижении определенной для каждого металла температуры сопротивление внезапно падало скачком до нуля. Так была открыта сверхпроводимость. Все эти явления не могли быть объяс-
394	1 л 4В A VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
Дмитрий Сергеевич Рождественский
йены в рамках классической .электрон-ной теории.
Теория диэлектриков начала развиваться еще до возникновения теории Максвелла. В 1847 г. Моссоти рассматривал механизм поляризации диэлектрика, уподобив его молекулы проводящим шарикам. Полученная им связь между диэлектрической поляпизацией и плотностью среды была в 1879 г. найдена вторично Клаузиусом и получила название закона Клаузиуса — Моссоти. Лорентц в 1880 г. применил к теории диэлектриков идеи электронной теории (до открытия электрона!), рассматривая молекулу диэлектрика как совокупность отрицательных и положительных зарядов, связанных квазиупругими силами. Он получил тот же закон Клаузиуса — Моссоти и, использовав вывод теории Максвелла о связи между диэлектриче
ской проницаемостью и показателем преломления, нашел формулу, выражающую зависимость показателя преломления диэлектрика от его плотности. Та же формула была получена в том же 1880 г. датским физиком Л. Лоренцем и получила название закона Лорентц — Лоренца.
В 1871—1872 гг. Зеллмейер рассмотрел с точки зрения механической волновой теории распространение волны в среде, заполненной квазиупругими вибраторами, и получил формулу, связывающую показатель преломления с частотой световых колебаний. С точки зрения электромагнитной теории дисперсию рассматривали П. Друде (1892 г.), Г. Гельмгольц (1874 г.) и Г. А. Лорентц (1892 г.), М. Планк (1902 г.) и др.
Для экспериментального изучения аномальной дисперсии Пуччинати в 1901 г. предложил комбинацию интерферометра и спектроскопа, так что на вертикальную щель спектроскопа проектируются горизонтальные интерференционные полосы. Русский физик Дмитрий Сергеевич Рождественский (1876—1940) усовершенствовал и развил метод Пуччинати в своем классическом исследовании «Аномальная дисперсия в парах натрия» (1912 г.). Вставляя на пути одного интерферирующего пучка трубку с исследуемыми парами натрия, а на пути другого стеклянную пластинку, он получал характерные изгибы («крюки») в области аномальной дисперсии и поглощения. Этот «метод крюков» позволяет дать оценку точности закона Зеллмейера, которая по наблюдениям Рождественского оказалась справедливой с точностью до 2,5%. Вместе с тем он измерил отношение констант в двучленной формуле Зеллмейера для дублета натрия и нашел, что это отношение в пределах точности эксперимента равно 2. Это означает, что числа вибраторов, соответствующих двум частотам колебания дублетов, кратны между собою (одно число в два раза больше другого). В 1915 г. Рождественский исследовал своим методом и сконструированным им интерферометром спектры других щелочных металлов. Исследования были обобщены в работе «Простые соотношения в спектрах щелочных металлов», составившей предмет докторской диссертации Рождественского. Он нашел
§ 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ С НАЧАЛА XX в. ДО ОКТЯБРЯ 1917 г.
395
целочисленность отношений интенсивностей спектральных дублетов (для щелочных металлов 2),—факт, нашедший свое объяснение в квантовой механике, и подтвердил справедливость закона Зелл-мейера.
Теория электронов дала также первое объяснение эффекту Зеемана, открытому в 1896 г. Для объяснения так называемого «нормального» эффекта Зеемана потребовалось учесть влияние Н магнитной составляющей силы Лорентца на колеблющийся электрон, тогда как в электронной теории дисперсии исследуется влияние на этот электрон электрической составляющей. Но в дальнейшем оказалось, что эффект Зеемана значительно сложнее; как правило, встречается «аномальный эффект Зеемана», в котором спектральные линии расщепляются не на три, а на четыре, шесть и более составляющих. Объясне-
Поль Ланжевен
ния этому эффекту теория электронов не могла дать, так же как она не могла дать объяснения открытому в 1912 г. Пашеном и Бахом эффекту превращения аномального эффекта в нормальный при увеличении напряженности магнитного поля.
В области объяснения магнитных свойств вещества первый крупный успех был достигнут французским ученым Полем Ланжевеном (1872—1946), применившим в 1905 г. электронную теорию к истолкованию диа- и парамагнетизма. В частности, теория парамагнетизма Ланже-вена дала истолкование закону убывания магнитной восприимчивости парамагнетиков с температурой, открытому Пьером Кюри в 1895 г. Тем же Кюри было найдено, что при определенной температуре («точка Кюри») ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства и начинает вести себя как парамагнетик. Еще в 1892 г. русский физик Б. Л. Розинг ввел гипотезу о существовании внутри ферромагнитного вещества особого внутреннего «молекулярного поля», названного им «частичной магнитной силой». В 1907 г. швейцарский физик Пьер Вейсс вновь ввел гипотезу «молекулярного поля», с помощью которой он дал формальное описание ферромагнитных явлений, и, вчастности, описал существование точки Кюри и зависимость восприимчивости от температуры (закон Кюри—Вейсса). В 1910 г Вейсс ввел понятие об элементарном магнитном моменте ферромагнетиков («магнетон Вейсса»).
Однако, несмотря на свои успехи, электронная теория многого не могла объяснить. Она не могла объяснить факта существования самого электрона, факта устойчивости атомов, в которых должны быть заряженные частицы, происхождения спектральных серий, закономерностей рентгеновских спектров, магнитооптических и электрооптических явлений. Здесь начала одерживать победы квантовая теория атома, предложенная Бором в 1913 г. Основная идея Бора о существовании в атоме устойчивых энергетических уровней, вследствие чего атом может излучать и поглощать энергию только
396 ГЛАВА VII. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ОТ СЕРЕДИНЫ XIX в ДО ОКТЯБРЯ 1917 г
прерывными порциями (квантами), блестяще подтвердилась опытами Джемса Франка и Густава Герца, поставленными в том же 1913 г. При дальнейшем развитии этой теории А. Зоммерфельдом было дано истолкование тонкой структуры спектральных линий как расщепления спектральных линий в магнитном поле (эффект Зеемана) или в электрическом поле (эффект Штар-ка). Первое было дано в 1916 г. Дебаем и Зоммерфельдом, второе — в том же году Шварцшильдом и Эпштейном. Но и теория Бора — Зоммерфельда встретилась с непреодолимыми трудностями. Уже теория двухэлектронного атома — атома гелия — не могла привести к удовлетворительным результатам. Вопросы, относящиеся к интенсивности и поляризации спектральных линий, не решались в рамках первоначальной теории и сводились к загадочному «принципу соответствия» между классической и квантовой теорией. Само введение квантовых постулатов носило характер произвольных допущений, не имеющих внутреннего логического обоснования. Наконец, успехи квантовой теории света привели к тягостному противоречию с хорошо установленными фактами волновой оптики. Физики должны были искать выхода из запутанного узла фактов и гипотез. Трудности усугублялись тем, что нормальная научная работа была нарушена мировой войной.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВЕЛИКОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
(1917—1958)
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ и УКРЕПЛЕНИЯ ПЕРВОГО СОЦИАЛИСТИЧЕСКОГО ГОСУДАРСТВА — СССР (1917—1945)
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВЫХ УСЛОВИЙ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
В октябре 1917 г. в России произошла Великая Октябрьская социалистическая революция, в результате которой возникло первое в истории человечества социалистическое государство, а вместе с ним возникли и новые условия развития производительных сил общества, освобожденного от капиталистических противоречий, новые условия для развития техники, этого важнейшего элемента производительных сил.
Молодое Советское государство унаследовало от отсталой царской России слабо развитую и небольшую по объему промышленность с устарелой техникой, низкой производительностью труда, неразвитой механизацией. Перед молодой республикой со всей остротой встала гигантская народнохозяйственная задача, являющаяся и задачей политической: в кратчайший исторический срок догнать по уровню промышленного производства передовые в технико-экономическом отношении капиталистические страны. В решении этой задачи заключалась сама возможность победы вновь возникшего, социалистического, строя, поскольку передовая техника заключает в себе более высокую производительность труда, о значении которой в борьбе старого мира с новым В. И. Ленин писал: «Производительность труда, это, в последнем счете, самое важное, самое главное для победы нового общественного строя» г.
Следовательно, в кратчайший срок Страна Советов должна была прежде всего выйти на уровень капиталистических стран по своему техническому развитию. Это значит, что в Стране Советов должна была быть создана и освоена техника, которой уже располагали капиталистические страны.
Что же это за техника как важнейший элемент производительных сил? Она принадлежит развитым капиталистическим государствам. Значит ли это, что она соответствует капиталистическим производственным отношениям? К ней сознательно устремляется молодое Советское государство, руководимое партией на основе познанных законов развития общества. Значит ли это, что она соответствует социалистическим производсгвенным отношениям?
1 В. И. Ленин, Сочинения, т. 29, Госполитиздат, 1950, стр. 394.
398
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917г.
MANUFACTURE
35
wouldsreqHire an accounting of numerous factors and forces technology, population, ir.it tirnl resources, «'админ- organization. \ssun-db the first of these, technology played an important role in the unfolding Ammcan srcuc.
TOTAL PRODUCTION IN THE UNITED STATES 1803-1937
Frpm “The Structure of the American &эд*«туД! P<5rf J( tfixtnwal ges&utrcest 'CwtHWtfttie
Manufacturing. hive other iields of activity in the post-Civil Wat decade was ths ply mllutmcwi by new inventions and new’developments. I he industrial use. of hieUd nickel. eoUmisrcd'oil, natural gas, rubber, mid gut hi-pen-ha; mid adoption of the rlectrulyjM>, the sevv’tig maebipe., She com-pound Hlr.iin engin< tin* rotary pr’udnig press, hydraul <• crane» and lifts- dhi-se vv<£j but a few of the^vide range <>1 л л .о	,.i. .a ,.i:	..	. ,.r,... i
Фиг. 8—1. Рост общего объема промышленной продукции в США с 1863 по 1937 гг.
Чья она, эта техника мощных электростанций и дальних линий электропередач, техника массового поточного производства и широкой электрификации промышленности и транспорта, техника точного машиностроения и автоматизации производственных процессов? Капиталистическая или социалистическая?
Необходимо вспомнить, что перечисленные выше и все другие качественные характеристики, отражающие конструктивные формы технических объектов и протекающие в них технологические процессы, зависят от объективных законов природы, так как техника создается на основе
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 399
их использования как познанных закономерностей природы. Отсюда вытекает безразличие техники к классам, поскольку законы природы стоят над классами. Так, трактор одной илой же конструкции, определяемой законами термодинамики, механики, сопротивления материалов, может быть использован трактористом для возделывания колхозной земли и фермером для возделывания земли, являющейся его частной капиталистической собственностью.
Соответствие или несоответствие техники как основного элемента производительных сил той или иной общественно-экономической формации определяется не ее техническими формами, а тем, насколько данная общественно-экономическая формация стимулирует или затормаживает раз
витие техники.
Подобную стимуляцию или затормаживание удобно проследить на фактическом материале, собранном в статистических данных. Па фигуре 8—1 показана динамика объема промышленной продукции США с 1863 по 1937 гг. по данным «Комитета национальных ресурсов». Составители диаграммы показали усредненную общую тенденцию развития в виде плавной кривой, охватывающей период с 1879 по 1929 г., т. е. за 50 лет. За эти 50 лет в качественных показателях техники произошли решительные изменения. От паровой машины как универсального двигателя в 1879 г. к 1929 г. техника пришла к турбинам и дизелям, к электростанциям и электрификации, к автомобилестроению и авиастроению; иными словами, техника качественно резко изме-
Фиг. 8—2. Рост объема промышленной продукции в СССР.
нилась, а темпы ее развития за 50 лет
остались постоянными и определялись ежегодным приростом в 3,5%. Это —
свойственный капиталистическому пути развития ежегодный прирост, более чем втрое превосходящий прирост феодального периода, но втрое меньший, чем прирост в условиях социалистического общества; последний
отображен на фигуре 8—2.
Для этой диаграммы средний годовой прирост промышленной продукции составляет в среднем 11 %. Особенно характерным является тот факт, что в первые десятилетия Советского государства, когда его техника
резко отставала от техники капиталистических государств, темпы прироста были те же, новые, высокие, характерные для социалистической системы народного хозяйства. Прежде чем объяснить причину возможности развития с новыми, высокими темпами, обратимся снова к фигуре 8—1. Зубцы-колебания на фактической кривой развития, отражающие чередования
кризисов и междукризисных периодов, постепенно нарастают по величине, пока, наконец, переломный 192$) г. не отбрасывает выпуск промышленной продукции к уровню 1914 г. В дальнейшем, несмотря на рост качества техники, на более мощные станции, на более широкую электрификацию, на более высокие коэффициенты полезного действия, годовой процент
400
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
r-UFt AND РОЖЕ»	W5
How the — re^se m coal projucucn has ассотрчгнг J increase in population. Primary events in the application of coal are indicated in the part of th gr iph before tfijq has been the growmg application of mechanical methods. This Dcgan ahnosi simultaneously with the first Coal Mmes Regulation Act, i§jos which introduced Government inspection. Fortunately levs workings then extended far trom the p:t bottom, and the act’d
Фиг. 8—3. Рост добычи каменного угля в Англии с 1800 по 1949 г. по сравнению с ростом народонаселения.
прироста уже не достигает старого, характерного для капитализма значе-ния 3,5%, составив с 1918 по 1958 г. только 2,9%, а после 1929 г. еще меньше. Капитализм вступил в фазу империализма, в последнюю фазу своего существования, когда его тормозящие силы явно преобладают над силами стимулирующими.
Подобная картина характерна и для других капиталистических стран, для других отраслей техники, как, например, показано на фигуре 8—3 для английской топливной промышленности за период от 1800 до 1949 г., где видно, что к нашему времени английская угольная промышленность не достигла уровня 1913 г.
Подобное положение не случайно, а закономерно и было предсказано еще основоположниками марксистской науки. Для современной техники наиболее характерным показателем ее общего качественного состояния является электрификация. Поэтому оценка значения электри
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 401
фикации является вместе с тем оценкой техники в целом, оценкой соответствия ее с тем или иным общественным строем.
Что означает электрификация для капиталистического общества? Об этом еще в 1883 г. Энгельс писал в связи с опытами Депре над передачей электроэнергии на расстояние как первым звеном грядущей электрификации: «...Совершенно ясно, что благодаря этому производительные силы настолько вырастут, что управление ими будет все более и более не под силу буржуазии» 1.
Что означает электрификация для социалистического общества? Об этом еще в 1920 г., отвечая на вопросы корреспондента английской газеты, В. И. Ленин писал. «Электрификация переродит Россию. Электрификация на почве советского строя создаст окончательную победу основ коммунизма в нашей стране, основ культурной жизни без эксплуататоров, без капиталистов, без помещиков, без купцов» 1 2.
Кривые, приведенные на фигурах 8—1, 8—2 и 8—3, являются прекрасной иллюстрацией правильности прогнозов Энгельса и Ленина.
Рассмотрим более детально причины низких в капиталистических странах и высоких в социалистическом государстве темпов развития производительных сил и их технической базы.
УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ ПРИ ИМПЕРИАЛИЗМЕ
Одну из первых причин снижения темпов промышленного развития в условиях империализма удобно проследить по фигуре 8—4, на которой дана динамика развития мировой энергетики почти за целое столетие
с 1860 по 1953 г. Из графика видно, что развитие энергетики с 1860 по 1913 г., т. е. в условиях капиталистического общества, являвшегося в этот период преобладающим в мировой системе, проходило достаточно плавно и характеризовалось годовым приростом в 4,5%,— более высоким, чем прирост всей промышленной продукции, поскольку энергетика является ведущим звеном в системе промышленного производства. За второй период, начиная с 1913 по 1953 г., общий средний прирост понизился с 4,5 до 2%. Причина снижения очевидна из графика. Рост энергетики неоднократно прерывался, замедлялся, приостанавливался (1913— 1919; 1929—1932; 1939—1945), причем в отдельных случаях развитие отбрасывалось на много лет назад (уровень 1 932 г. равен уровню 1913 г.).
Фиг. 8—4. Рост мирового производства энергии.
1 К. Маркс и Ф. Энгельс, Сочинения, т. XXVII, Партнздат ЦКВКП(б) 1935, стр. 289.
2 В. И. Ленин, Сочинения, т. 30, Госполитиздат, 1950, стр. 343.
14 П. С. Кудрявцев
402	ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Отсюда видно, что первым фактором снижения темпов развития техники при империализме является неравномерность развития, смена кризисных периодов периодами относительной стабилизации, смена мирного развития развитием в условиях мировых войн.
Эта же неравномерность является следствием социальных потрясений, как хорошо видно из фигуры 8—2, где показано влияние забастовок английских шахтеров на продукцию каменноугольной промышленности Англии.
Вторым фактором снижения темпов можно считать непроизводительную трату средств и живого труда на производство вооружения. При этом искусственно поддерживаются такие отрасли промышленности, как металлургия, машиностроение, энергетика, в ущерб производству товаров народного потребления, но главное состоит в том, что военные объекты, в которые вложено так много средств и труда, исключаются из объема производительных сил общества, не создают материальных благ, представляют собой омертвленные материальные и людские ресурсы страны.
Третьим фактором, снижающим темпы развития производительных сил общества в условиях империализма, является тормозящее влияние монополий. К 40-м годам XX в. монополии сконцентрировали колоссальнейшие богатства. Так, в сталелитейной промышленности США господствуют только три монополии: «Юнайтед Стейтс стил», «Бетлэхэм стал» и «Рипаблик стил». В автомобильной промышленности — «Дженерал моторе», «Форд мотор компани» и «Крейслер корпорейшн». В медеплавильной промышленности господствуют четыре треста, в алюминиевой — три, причем один из них выпускает свыше 60% продукции всей страны.
В Германии перед второй мировой войной Стальной трест монополизировал 50% выплавки и проката черного металла, химический трест «И. Г. Фарбениндустри» контролировал всю основную химическую промышленность, два концерна «Сименс» и «АЕГ» занимали господствующее положение в электропромышленности.
Аналогичное положение сложилось в Японии, Англии, Франции, Италии и других капиталистических странах.
В целях сохранения высокого индекса рыночных цен монополии искусственно затормаживают развитие промышленности. Так, например, в 1934 г. американские суперфосфатные заводы произвели только 2,6 млн. тони суперфосфата при производственной мощности заводов в 7 млн. тонн. В 1933 г. американский концерн Дюпона затормозил выпуск связанного азота до 210 тыс. тонн при производственной мощности предприятий в 507 тыс. тонн. В ответ на установление высоких монопольных цен американской алюминиевой промышленностью фирма «Дженерал моторе» отказалась от применения алюминия в ряде автомобильных деталей в ущерб техническому качеству машин. В целях сохранения высоких цен на электроэнергию фирма Моргана длительное время тормозила строительство гидроэлектростанций на р. Миссури и Миссисипи. Длительный и глубокий кризис каменноугольной промышленности привел и приводит к задержке внедрения высокопроизводительных методов добычи угля. Так, патент на угольный струг был выдан в Германии в 1911 г., а его применение началось только в 40-х годах. В 30-х годах был изобретен быстрорежущий сплав «карболой» (карбид вольфрама), на который фирма-изготовитель назначила отпускную цену в 50—60 раз выше издержек производства. Эта высокая цена при загрузке станочного парка США не более чем на 50% привела
<S 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 403
к тому, что до самой войны и сопутствовавших ей военных заказов быстрорежущие сплавы не находили должного применения.
Таких примеров затормаживания развития со стороны монополий, стремящихся к максимальной прибыли, можно привести очень много. Неслучайность этого торможения отмечается рядом исследователей, в частности в самих США. В книге «Монополии и частная инициатива» (1951 г.) сказано: «Там, где введение нового изделия связано для монополиста с понижением доходов от старого, — он будет препятствовать появлению нового». Совершенно откровенно политику компании «Хардфорд Эмпайр» выразил ее секретарь в трех пунктах: 1) защищать машины, изготовляемые компанией, и не допускать подражаний им; 2) препятствовать созданию более совершенных механизмов, пользуясь для этого различными (?!) средствами и 3) приобретать патенты на возможные усовершенствования конкурентных машин и хранить эти патенты у себя. К сказанному можно добавить, что, по официальным данным Временного национального экономического комитета сената США, автомобильная фирма «Джене-рал моторе» использует всего лишь 1 % из имеющихся в ее сейфах патентов!
Четвертым фактором затормаживания темпов роста техники и производительных сил в целом в условиях империализма является частичная и полная безработица. Работа неполную рабочую неделю, работа с искусственно сниженной производительностью и, наконец, полное отсутствие работы у миллионов членов общества лишает его значительной доли продукции, которую могли бы вырабатывать безработные. Действительно, если конкретная производительность труда (т. е. количество продукта, произведенного одним рабочим, работающим в той или иной отрасли промышленности в условиях качественно передовой техники, сопровождаемой «потогонной» системой) в империалистических странах высока и в начальный период сосуществования этих стран с социалистической страной значительно выше, чем в последний, то абстрактная производительность труда (т. е. количество продукта, относимого к общему числу работающих и не работающих рабочих длительный период времени, охватывающий и годы «процветания», и годы кризиса) оказывается ниже, чем в социалистической стране даже в том случае, если она начинает свое существование на более низкой, менее производительной технической базе.
Пятый фактор замедления темпов развития техники — уменьшение заинтересованности рабочих к повышению производительности труда. Конвейерная система производства уничтожает зависимость выработки от личных качеств, квалификации, умения рабочего. Сдельная система оплаты заменяется повременной. Теперь рабочий может повысить производительность труда только за счет крупных изобретений или усовершенствований, не связанных с его повседневным трудом, а поэтому менее для него доступных. Кроме того, он знает, что результаты капиталистической рационализации прежде всего приведут к еще большей интенсификации труда, к увеличению безработицы. Здесь во всей силе сказывается антагонистическое противоречие между классами эксплуататоров и эксплуатируемых, при котором все, что хорошо для одного из этих классов, неизбежно плохо для другого. Техника реализует возможности, открытые наукой. Следовательно, технический прогресс есть результат деятельности ученых, аехников, рабочих. Но ученые и техники империалистических стран —
14'
404	ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1017г.
слуги капиталиста, который терпит и держит их только тогда, когда их деятельность приносит ему прибыль. Но, принося ему прибыль, они являются врагами рабочих, все их открытия и предложения, поскольку они полезны для капиталиста, — вредны для рабочих. Рабочий как деятель технического прогресса исключается. Ему отводится узкая функция придатка конвейера.
Современная техника переросла возможности рационального ее использования в империалистических условиях. В лагере империализма возникает особая идеологическая линия отрицания техники. Отрицательные стороны капиталистических производственных отношений перекладываются на технику, которая «...оказала самое разрушительное влияние на жизнь первичных человеческих групп» (из статьи «Техника и общество» в журнале «Сайентифик мапсли», США), сделала дальнейшее ее развитие «... бесперспективным для отношений между людьми» («Американская социология» проф. Г. Одума), привела к тому, что «...человек теряет работу, ибо он становится ненужным» (Жак Дюбуэн, глава из книги «Французское движение борьбы за изобилие») и «...к рождению стадной, иррациональной психологии, которая делает массы опасными» (М. Хайдеггер).
Итак, во всем виновата техника!
Но эта точка зрения на технику была опровергнута К. Марксом еще целое столетие назад. В письме к П. В. Анненкову в 1846 г. Маркс писал: «Машина так же мало является экономической категорией, как бык, который тащит плуг. Современное применение машин есть одно из отношений нашего современного экономического строя, но способ эксплуатации машин — это совсем не то, что сами машины» Г
УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ ПРИ СОЦИАЛИЗМЕ
Главным и коренным отличием условий развития техники при социализме от развития ее при капитализме является действие объективного экономического закона планомерного пропорционального развития народного хозяйства, возникающего в условиях социализма как противоположность закону конкуренции и анархии производства при капитализме.
Основой этого закона является господство в социалистических странах социалистической собственности в двух ее формах: государственной (общенародной) и кооперативно-колхозной.
Действие закона пропорционального развития вызывает необходимость планирования народного хозяйства, обеспечивающего соответствующие соотношения между отдельными отраслями социалистической экономики. Пропорциональность развития социалистической экономики дает возможность чрезвычайно быстрого роста всего народного хозяйства, максимального использования всех его ресурсов.
Социалистическое планирование решает три главные задачи: I) обеспечивает независимость социалистического хозяйства от капиталистического; 2) закрепляет безраздельное господство социалистической системы.
1 К- М а р к с и Ф. Эн гел ьс, Избранные произведения, т. II, Госполитиздат, 1955, стр. 426.
fS ). РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 405
Фиг. 8—5. Рост выработки электроэнергии в СССР.
хозяйства и 3) недопускает диспропорций в народном хозяйстве.
Социалистическое планирование опирается на следующие принципы:
1) план строится на основе хозяйственно-политических задач, которые ставятся на конкретный период Коммунистической партией и Советским правительством; 2) обобщая итоги прошедшего периода, план служит научным предвидением перспектив движения к коммунизму; 3) план не прогноз, не догадка, а государственный закон, директива, обязательная к выполнению всеми организациями и учреждениями страны; 4) план рассчитывается не на среднеарифметические, а на среднепрогрессивные нормы, равняясь на передовые.
Планирование развития народного хозяйства ведется с учетом планового развития науки и техники в социалистическом обществе.
В 1918 г. в своем «Наброске плана научно-технических работ» В. И. Ленин поставил во всю ширь вопрос об основанной на достижениях новейшей науки, плановой работе по созданию новой техники на базе электрификации. Мало кто верил в подобную возможность в то время. Теперь, исходя из фактического исторического материала, мы имеем возможность судить насколько глубоко и верно сумел Ленин оценить громадные силы победившего класса трудящихся. На фигуре 8—5 представлен график развития советской энергетики как одной из ведущих областей народного хозяйства, первой получившей свое развитие по плану социалистического хозяйства — плану ГОЭЛРО (Государственный план электрификации России, принятый на VIII Съезде Советов в 1920г.). График разделен на две части периодом резкого нарушения нормального процесса развития в годы Великой Отечественной войны. До войны и после войны развитие энергетики идет достаточно плавно, без зигзагов и провалов, характерных для капиталистического развития. Но динамика советской энергетики отличается от динамики капиталистической энергетики тем, что годовой прирост ее в несколько раз превосходит прирост в условиях капитализма (фиг. 8—4, где он равен 4,5 и 2%), будучи равным в среднем 12%.
Некоторые защитники капитализма «объясняют»' быстрый рост техники в СССР тем, что она «начинала с нуля», тем, что легче к рублю прибавить еще один рубль и получить 100% прироста, чем прибавить к миллиарду миллиард. Нелепость подобной аргументации совершенно очевидна. Ведь в экономическом развитии второй рубль нельзя выпросить у соседа, а надо получить его, исходя из «основного капитала» в один рубль. А в таком случае, как говорит и теория и практика капитализма, миллиард скорее принесет миллиард дохода, чем рубль принесет рубль.
В наши дни техника СССР уже не «на нуле». СССР обогнал все капиталистические страны и догоняет самую передовую из них — США. И в этих
406
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
условиях сопоставимых «основных капиталов» наш прирост остается вчетверо выше, чем в капиталистических странах.
Дело прежде всего в том, что в социалистических условиях исчезают помехи и тормозы развитию, показанные в предыдущем параграфе. У нас отсутствует неравномерность развития, у нас нет влияния соперничающих между собою монополий, у нас нет ни частичной, ни полной безработицы. У рабочих ярко выражен интерес к повышению производительности труда, интересы деятелей всех ступеней технического прогресса, от академика до рабочего, не противоречат, а совпадают в одном общем стремлении дать обществу больше благ, сделать жизнь нашего народа лучше, обеспеченнее, счастливее.
Поэтому мы не порицаем технику, а, наоборот, всячески приветствуем ее дальнейшее развитие, видим в ней основу построения материальной базы нового, коммунистического общества. В социалистических условиях нет причин тормозить развитие техники и, наоборот, есть все причины всячески стимулировать ее развитие.
Техника строится людьми, познавшими законы природы. Поэтому в нашей стране были приняты меры к тому, чтобы рост техники не замедлялся из-за недостатка таких людей. В стране организуются отраслевые научно-исследовательские институты, растут кадры ученых. Основываются многочисленные высшие специальные учебные заведения, в которых идет плановая подготовка инженерных кадров высокой квалификации, способных решать самые ответственные, самые сложные задачи развивающейся техники. Количество ежегодно подготавливаемых инженеров в СССР втрое больше чем в США.
Закон об укреплении связи школы с жизнью и о дальнейшем развитии системы народного образования позволит уже в ближайшее время получить миллионные кадры высококвалифицированных, образованных и культурных рабочих, способных в кратчайшие сроки овладеть сложнейшими видами современной техники — это не придатки к конвейеру, не слепые исполнители указаний мастера, а сознательные, передовые строители технической базы коммунистического общества, вносящие прогрессивные методы труда, ломающие старые нормы, быстро и уверенно повышающие производительность труда.
Внедрение новой и новейшей техники не встречает тормоза в условиях социалистического общества, которому не грозит кризис перепроизводства товаров в связи с постоянным ростом благосостояния и покупательной способности широких слоев населения. Наоборот, постоянный рост благосостояния и покупательной способности, о котором заботятся партия и правительство, вызывают к жизни одну из существенных движущих сил развития социалистического общества в форме не антагонистического, а плодотворного противоречия между постоянной растущей потребностью общества в материальных и культурных ценностях и возможностью удовлетворения этих потребностей.
Стремясь к их удовлетворению, общество приветствует и принимает на вооружение своих производительных сил все новое, прогрессивное, способное увеличить производительность труда, дать больше продукции.
Следует отметить еще одно отличие в отношении к технике между капиталистическим и социалистическим обществом. Дело не только в том, что капитализм отвергает технику, не увеличивающую его доходов, как бы
<S I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 407
ни было полезно ее внедрение для общества. Дело еще в том, что капитализм отвергает технику, направленную на облегчение труда, тогда как социализм эту технику стремится использовать в самых широких пределах.
Приведенных материалов вполне достаточно для того, чтобы убедиться, что более высокие темпы развития производительных сил и техники как существенного их элемента при социализме не случайны, не временны, а являются закономерным следствием объективного закона планомерного и пропорционального развития народного хозяйства, действующего в социалистическом обществе.
Из сказанного выше можно сделать два существенных вывода.
Первый заключается в том, что задача догнать и перегнать капиталистические страны, успешно выполняемая в нашей стране, основана на объективных данных, закономерна, и что, обогнав капиталистические страны, наше общество пойдет и дальше, создавая производительные силы, соответствующие коммунистическому обществу.
Второй вывод заключается в том, что социалистическому обществу объективно и закономерно присущи более высокие темпы развития. Подобно тому, как капитализм в свое время победил феодальное общество благодаря более высокой технике, более высокому уровню производительных сил, более высоким темпам развития, — социализм побеждает и победит капитализм, создав в исторически короткий срок такие ценности, высвободив такие силы, которых не создавал капитализм.
Очевидно, что с 1917 г., с образования первого социалистического государства, в мире стали одновременно существовать два условия для развития техники и может показаться целесообразным, начиная с этой даты, изучать параллельно развитие техники в капиталистических и социалистических странах. Но исходя из того положения, что по своим конструктивным формам и технологическим процессам техника подчинена законам природы и не имеет принципиальных отличий в капиталистическом и социалистическом обществах, можно прогресс техники в рассматриваемый период провести по отдельным крупным отраслям техники.
К таким крупным, определяющим развитие производительных сил страны, отраслям техники относятся энергетика, обеспечивающая энергоснабжение всех отраслей техники на базе электрификации; машиностроение, поставляющее машинное оборудование для всех отраслей техники; горная техника, дающая основной материал для всех отраслей техники; техника добычи и переработки топлива, составляющего свыше 90% энергетических ресурсов страны; металлургия, питающая металлом все отрасли техники; транспорт, обеспечивающий обмен материалом, продуктами и полупродуктами между всеми отраслями техники; связь, обеспечивающая постоянную информацию и координацию сложного и распространенного механизма единого социалистического народного хозяйства.
РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИКИ
Развивая учение Маркса, Ленин еще в конце XIX в. сформулировал свои взгляды на техническое и политическое значение электрификации. Он отмечал прогрессивное значение электричества в одной из первых своих работ «Развитие капитализма в России». В связи с предложением о подзем-
408	ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г
вой газификации углей Ленин в 1913 г. писал: «... «Электрификация» всех фабрик и железных дорог сделает условия труда более гигиеничными, избавит миллионы рабочих от дыма, пыли и грязи, ускорит превращение грязных отвратительных мастерских в чистые, светлые, достойные человека лаборатории». Вместе с тем, оценивая политическое значение электрификации, Ленин писал далее: «Техника капитализма с каждым днем все более и более перерастает те общественные условия, которые осуждают трудящихся на наемное рабство» Г
С первых же дней существования молодого Советского государства Ленин поднял вопрос об электрификации как о конкретной программе создания экономической базы социалистического общества. Соответствие развитого, полностью электрифицированного народного хозяйства новым общественным отношениям Ленин выразил в решительной и краткой формуле: «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны» 1 2.
Поэтому вопросы электрификации встали на повестку дня великих работ сразу же после осуществления социалистической революции. В декабре 1917 г. Лениным было дано указание о начале строительства Шатурской районной электростанции, носящей сейчас его имя. В 1918 г. на заседании Совнаркома обсуждался вопрос о строительстве электростанций на Волхове, Свири. В марте 1919 г. была выбрана площадка для строительства Каширской электростанции.
В тяжелых условиях гражданской войны в течение 1918 г. были построены 51 электростанция с мощностью 3500 кет, а в 1920—1921 гг. — 221 электростанция с общей мощностью 12 000 кет. В. И. Ленин говорил: «...Быть может, иностранец, знакомый с американской, германской или шведской электрификацией, над этим посмеется. Но хорошо смеется тот, кто смеется последний». Сейчас, когда наша страна обогнала по объему электрификации все капиталистические страны, кроме одной, которую также, несомненно, обгонит, можно спокойно смеяться над всеми, кто не верил в неисчерпаемые возможности социалистического общества.
В 1920 г. по указанию В. И. Ленина был разработан Государственный план электрификации России, известный как план ГОЭЛРО, охарактеризованный Лениным как вторая программа партии.
План ГОЭЛРО ставил перед собою решение громадной народно-хозяйственной и политической задачи: «Выравнять фронт нашей экономики в уровень с достижениями нашего политического уклада». План охватывал собою главнейшие направления развития народного хозяйства на новой основе: электрификацию, топливоснабжение, использование водной энергии, резкий подъем промышленности, транспорта и сельского хозяйства. План предусматривал рост промышленности на 80—100% по сравнению с довоенным 1913 г По этому плану предусматривалось увеличение выплавки чугуна с 4,2 млн. тонн в 1913 г. до 8,2 млн. тонн; увеличение выплавки стали с 4,2 до 6,5 млн. тонн; увеличение добычи каменного угля с 29,1 до 62,3 млн. тонн; увеличение добычи торфа с 1,7 до 16,4 млн. тонн.
По плану ГОЭЛРО предусматривалась постройка новых 20 тепловых и 10 гидравлических электростанций общей мощностью в 1750 тыс. кет и выработкой 8,8 млрд, квт-ч, что давало увеличение по сравнению с до-
1 В. И. Лен и и. Сочинения, т. 19, Госполитиздат, 1948, стр. 42.
! В. И. Лен и н, Сочинения, т. 31, Госполитиздат, 1950, стр. 484.
<$ I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 409
Фиг. 8—6. Карта электрификации России по плану ГОЭЛРО.
военным уровнем по мощности (по крупным станциям) в 10 раз, а по выработке электроэнергии — в 5 раз.
Планом предусма гривалось рациональное распределение новых станций в стране с учетом местных энергетических ресурсов и потребностей промышленности и транспорта (фиг. 8—6). Это был первый в истории человечества единый народный план научно обоснованного прогресса техники, сознательно намечаемого роста производительных сил нового социалистического общества, свободного от капиталистических пут и анархии.
На VIII Всероссийском съезде советов рабочих и крестьянских депутатов в декабре 1920 г. был заслушан доклад Г. М. Кржижановского «Об электрификации России» и принят ленинский проект резолюции по докладу, поручавший Советскому правительству в кратчайший срок доработать и утвердить план электрификации.
Первое десятилетие существования социалистического государства показало эффективность планового развития народного хозяйства. Развитие энергетики шло невиданными ранее темпами, как это видно из следующей таблицы;
410
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917г.
Годы	Суммарная мощность электрических станций в «/о к 1913 г.	Выработка электроэнергии В °/о к 1913 г.
1913	100,0	100,0
1920	111,0	26,7
1925	132,9	150,4
1926	147,6	180,3
1927	161,6	214,6
Вместе с количеством менялось и качество выработки электроэнергии. Коэффициент использования установленного оборудования увеличился с 28,8 до 34,4%. Расход топлива на единицу выработанной мощности снизился на 16%.
Изменилась структура топливного баланса. Если в 1913 г. все 100% потребляемого станциями топлива (60% нефти и 40% угля) складывались из дальнепривозного, причем в значительном объеме импортного топлива, то в 1927 г. импортное топливо не применялось, дальнепривозное сократилось до 61,0%, местное топливо составило 29,8% и 9,2% электроэнергии было получено за счет водной энергии.
В 1931 г. план ГОЭЛРО был выполнен полностью. По первому пятилетнему плану развития народного хозяйства (1928—1933 гг.) было намечено дальнейшее развитие энергетики и электрификации страны, показанное в следующей таблице:
	1928 г.	1932 г.	1932 г. в %	
			к 1928 г.	к 1913 г.
Мощность электростанций в тыс. кет	 	 Выработка электроэнергии в млн. квт-ч . 			1905 5007 32,0 40,0	4696 1376,3 56,7 68,2	246,5 271,1	427,7 698,0
Доля районных станций в %: по мощности 		 по выработке					
Таким образом, за 15 лет выработка электроэнергии в нашей стране увеличилась почти в 7 раз.
К 1933 г. десятки мощных районных электростанций значительно изменили географию нашей страны.
Совершенствовалось и качество энергетической техники. Если до 1928 г. наиболее распространенные турбогенераторы имели мощность 10 000 кет и работали паром с давлением порядка 20 ат, то за период второго пятилетнего плана мощность турбогенераторов выросла с 24 000 до 50 000 кет, а давление до 33 ат, а на некоторых отдельных станциях до 60 ат.
Возросли мощности и у агрегатов гидроэлектростанций. Так, если первенец советского гидростроительства, Волховская ГЭС, пущенная в 1927 г., имела турбогенераторы мощностью по 7000 кет, то пущенная в 1932 г. крупнейшая в Европе Днепровская ГЭС имени В. И. Ленина имела турбогенераторы мощностью 62 000 кет, причем часть из них была построена уже на отечественных заводах.
$ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 4Ц
Переход на более совершенную технику позволил снизить удельный расход топлива. Так, в 1932 г. на районных электростанциях СССР удельный расход топлива достиг значения 0,715 кг/квт-ч, тогда как в США он составлял 0,78, а в Англии 0,92 кг/квт-ч.
Значительное превосходство показала советская система в области использования установленного оборудования: число рабочих часов в году на советских станциях в период 1928—1931 г. было в 1,5—2,0 раза выше, чем в Англии, Германии, США.
Повысился коэффициент электрификации, т. е. отношение потребляемой электрической энергии ко всей энергии, затрачиваемой в промышленности. За пятилетие (1928—1933) этот коэффициент вырос с 50,9 до 71,2%.
Нельзя не остановиться на именах советских энергетиков, внесших большой вклад в дело технического прогресса нашей страны.
Академик Иван Гаврилович Александров (1875—1936) известен как автор проекта Днепровской ГЭС имени В. И. Ленина, участник разработки плана ГОЭЛРО, автор ряда проектов использования Чирчик-Чаткальского и Ангаро-Енисейского бассейнов, проектов энергетической проблемы Большой Волги.
Роберт Эдуардович Классон (1868—1926) — изобретатель эффективного метода разработки торфяных массивов («гидроторф»), строитель бакинских электростанций, строитель первой в нашей стране районной станции «Электропередача», носящей теперь его имя.
Академик Генрих Осипович Графтио (1869—1949) — проектировщик, главный инженер и начальник строительства первой советской Волховской гидроэлектростанции. По его проекту в необычайно сложных геологических условиях построена Нижне-Свирская гидроэлектростанция, носящая его имя.
Академик Борис Евгеньевич Веденеев (1885—1946) — участник разработки плана ГОЭЛРО, главный инженер строительства Днепровской ГЭС.
Академик Александр Васильевич Винтер (1878—1958) — начальник строительства Шатурской ГРЭС, ее директор, начальник строительства Днепровской ГЭС и всех сооружений Днепровского комбината.
Академик Глеб Максимилианович Кржижановский (1872—1959) ученый-энергетик, коммунист с 1893 г., глава комиссии по электрификации, руководитель Госплана, энергоцентра, Главэнерго, директор Энергетического института Академии наук СССР, носящего его имя.
Второй пятилетний план развития народного хозяйства СССР (1933— 1937 гг.) дал новый скачок в развитии советской энергетики. Основным достижением энергетической техники Советского Союза к концу второй пятилетки явилось высвобождение от импорта энергетического оборудования из-за границы, что видно из следующей таблицы:
Оборудование	1930 г.	1933 г.	1938 г.
Турбины советского производства в %		10,7	41,2	80,4
импортные в %		89,3	58,8	19,6
Генераторы советского производства в ’/о... .	11,6	94,1	100,0
импортные в %		88,4	5,9	0,0
412
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Фиг. 8—7. Одна из первых паровых советских турбин мощностью 3000 кет.
Советские заводы освоили производство энергетического оборудования высокого класса. В 1937 г. завод «Электросила» построил самый мощный в мире по тому времени двухполюсный электрогенератор мощностью 100 000 кет при 3000 об./мин., а в 1939 г. закончил постройку самого крупного в мире гидрогенератора для Рыбинской ГРЭС (55 000 кет, 62,5 об /мин , диаметр 14,4 м, давление на пяту 2100 т!).
В 1933 г. введен в эксплуатацию прямоточный котел конструкции проф. Л, К- Рамзина, дающий 160—200 т пара в час при давлении 140 ат.
К 1937 г. СССР опередил по коэффициенту электрификации все передовые в техническом отношении капиталистические страны, электрифицировав производственные процессы на 82%. По производству электроэнергии СССР обогнал все европейские страны и вышел на второе место в мире.
Советские электростанции стали оборудоваться советскими машинами (фиг. 8—7).
На уровень лучшего мирового турбиностроения вышло советское турби-ностроение. Ленинградский металлический завод в 1937 г. выпустил турбину мощностью в 100 000 кет на 3000 об./мин. своей конструкции (фиг. 8—8), двухкорпусную, тогда как зарубежная практика турбиностроения, начиная с мощности 70 000 —80 000 кет, строила трехкорпусные машины. С 1934 г. вступил в строй Харьковский турбогенераторный завод, который в 1938 г. также выпустил двухкорпусную турбину на 100 000 кет при 1500 об./мин. Строительство паровых турбин было освоено на Невском имени Ленина и Кировском заводах.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 413
Фиг. 8—8. Паровая турбина Ленинградского металлического завода высокого давления мощностью 100 000 кет при 3000 об/мин.
К началу второй мировой войны, за небывало короткий срок — в два десятилетия — советская энергетика вышла на уровень самой передовой энергетической техники мира. Были построены десятки крупнейших станций, освоено производство мощного энергетического оборудования, выросли громадные энергетические системы, высокой степени достигла электрификация промышленности, сложились все материальные предпосылки для дальнейшего совершенствования и роста, для решения новых технических задач, которые не только не решала, по и не могла поставить ограничиваемая капиталистическими условиями техника зарубежных стран.
РАЗВИТИЕ ТОПЛИВНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Владимир Ильич Ленин говорил, что «... Уголь — это настоящий хлеб промышленности...»1, что «... только на минеральном топливе может быть прочная постановка крупной промышленности, способной служить базой для социалистического общества» 1 2.
Исходя из этого партия и правительство всегда принимали все необходимые меры для быстрого развития угольной промышленности нашей страны. Индустриализуется и развивается Донецкий угольный бассейн. Возникают и быстро развиваются новые угольные месторождения. На востоке возникает громадный Урало-Кузнецкий комбинат. Кавказ, Подмосковье, Урал, Караганда, Сибирь, Дальний Восток, позднее Печорский
1 В. И. Лен и н, Сочинения, т. 30, Госполитиздат, 1950, стр. 461.
2 В. И. Ленин, Сочинения, т. 33, Госполитиздат, 1950, стр. 141.
414
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
угольный бассейн обеспечивают быстрое наращивание добычи каменного угля, предусматриваемое пятилетними планами народнохозяйственного развития страны. Если в восстановительный период добыча угля возросла с 29,1 млн. тонн в 1913 г. до 35,5 млн. тонн в 1928 г., то последующее развитие по первому, второму и прерванному войной третьему пятилетним планам подняло добычу угля перед войной до 166 млн. тонн, увеличив ее по сравнению с 1913 г. более чем в 5,5 раза!
Была создана развитая промышленность по переработке топлива. В царской России коксохимическая промышленность, поставлявшая топливо для металлургии, находилась в зависимости от иностранной промышленности и была развита слабо, базируясь только на коксующиеся угли Донецкого бассейна.
С 1928 по 1932 г. были пущены новые, высоко эффективные, построенные по последнему слову техники и широко механизированные коксохимические заводы в Донбассе, Приднепровье, на Урале и в Сибири, полностью обеспечивающие высококачественным топливом выросшие металлургические заводы.
Была заново разработана и широко применена новая техника улавливания и переработки ряда ценнейших химических продуктов коксования. Был значительно повышен выход каменноугольного дегтя, являющегося исходным продуктом для анилино-красочной, фармацевтической и других отраслей промышленности. Улучшен процесс извлечения сырого бензола из газов, разработана новая технология его дальнейшей химической переработки.
До революции газификация топлива была развита слабо, хотя именно русские ученые Д. И. Менделеев, М. А. Павлов сделали очень много для развития теории газификации. Советский период переродил газовую промышленность. Вместо 4—5 видов топлив газификации стали подвергаться около 50 видов, главным образом местное, низкосортное топливо: торф, различные бурые угли, горючие сланцы.
Значительные достижения были сделаны в отрасли топливной промышленности, совершенно не существовавшей в дореволюционной России,— промышленности искусственного жидкого топлива, получаемого из твердого в процессе гидрогенизации.
Наша страна обладает самыми большими в мире запасами торфа. В СССР развернулась большая торфодобывающая промышленность с использованием высокоэффективных методов добычи торфа (гидроторф, фрезерный торф), но торф перестал использоваться только как топливо котельных крупных районных электростанций. Советские ученые разработали методы получения торфяного кокса, который идет для цементации стали, изготовления активированного угля и карбида кальция. Из торфяного дегтя, получаемого при коксовании торфа, вырабатываются соединения для изготовления пластмасс.
Многое сделано по вопросу о промышленном сжигании, переработке горючих сланцев и по использованию получаемых из них химических продуктов. Академик И. М. Губкин образно назвал горючие сланцы «нефтяной рудой», так как из них при термохимической переработке можно получать искусственное жидкое топливо. Исследовав химическую природу горючих сланцев ряда месторождений, советские ученые разработали методы получения из них бензина, керосина, дизельного топлива, а также фенолов и искусственной олифы.
1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 415
Особое значение в нашей стране придавалось развитию нефтяной промышленности. Еще в 1920 г. ЦК партии по предложению В. И. Ленина направил в г. Баку специальную комиссию для ознакомления с состоянием нефтяной промышленности и разработки конкретной программы по
Фиг. 8—9. Схема турбобура:
1 — корпус; 2 — гайка вала; 3 — диск пяты;
4 — подпятник; 5 — кольцо пяты; 6 — статор; 7 — ротор; 8 — корпус; 9 — ниппель; 10 — долото; 11 — вал.
Фиг. 8—10. Долота для турбинного бурения.
Фиг. 8—11. Схема действия турбобура:
1 — статор; 2 — ротор;- 3 — неподвижные лопатки;
4 — лопатки ротора; 5 - поток глинистого раствора.
обеспечению нефтью Советского государства. Выполнение намеченной программы привело к тому, что к 1927 г. восстановленная и технически перевооруженная нефтяная промышленность была уже в состоянии превзойти по добыче нефти 1913 год. С 1927 г. началась широкая и коренная реконструкция нефтяной промышленности. Строительство новых нефтепромыслов и нефтеперерабатывающих заводов позволило к началу второй
416
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
мировой войны добыть 31 млн. тонн, в три с половиной раза превысив добычу 1913 г.
Еще в 1921 г. академик II М. Губкин по указанию Ленина организовал исследование района между Волгой и Уралом. В 1929 г. в Чусовских городках были открыты залежи нефти, ио подлинный расцвет «Второго Баку» начался с переломного для него 1934 г.
XVII съезд партии сыграл решающую роль в этом вопросе, так как на нем было указано на недостаточное внимание к вопросу организации новой нефтяной базы в районах Урала, Башкирии, Эмбы.
Большой вклад в развитие мировой техники нефтедобычи и нефтепереработки был сделан нашей страной. До революции бурение нефтяных скважин глубиной в 1000 м длилось около трех лет, причем на обсадные трубы затрачивалось 300—400 т металла. Советские ученые и инженеры довели срок бурения подобных скважин до нескольких недель с затратой 25—30 тонн обсадных труб.
В 1924 г. в Сураханах началось бурение скважины № 76—49, явившееся началом внедрения в нефтяную промышленность нового советского метода бурения забойным двигателем — турбинного бурения, разработанного чл.-корр. АН СССР М. А. Капелюшниковым. При этом виде бурения бурильные трубы не вращаются, а вращается только ротор турбины (фиг. 8—9), приводящий в движение специальное долото (фиг. 8—10). Ротор турбины движется под действием разности давления нагнетаемого глинистого раствора в бурильной трубе и в затрубном пространстве. Этот метод дает возможность бурить скважины в несколько километров глубиной, бурить наклонные скважины. Последующее развитие методов турбинного бурения привело к высокому его совершенству. Этот метод явился одним из первых достижений советской техники. В 50-х годах США приобрели у СССР лицензию на право использования советского турбобура.
Первый вклад в технику нефтепереработки был сделан еще в 1891 г. В. Г. Шуховым, первенство которого в изобретении крекинг-процесса признано всем миром. Но в царской России метод Шухова не получил применения. Только в 1929 г. был построен нефтеперерабатывающий завод по системе «Советский крекинг» Шухова и Капелюшникова.
Мероприятия партии и правительства по добыче и переработке нефти отразились на громадном росте нефтедобычи в нашей стране. В 1913 г. в России было добыто 9,2 млн. тонн нефти. К концу восстановительного периода добыча нефти составляла уже 11,6 млн. тонн, составив 116% к 1913 г., а перед второй мировой войной добыча нефти возросла до 31,1 млн. топи, превысив добычу 1913 г. в 3,4 раза.
Таким образом, по топливу, как и по энергетике, в исторически короткий срок благодаря высоким темпам развития производительных сил, характерным для социалистического общества, наша страна получила широкую базу для своего дальнейшего развития.
РАЗВИТИЕ ГОРНОЙ ТЕХНИКИ
Горное дело является такой областью промышленности, в которой тяжелее всего сказывались и сказываются черты капиталистического способа производства. В этой области повышение производительности труда в капиталистических странах шло за счет интенсификации тяжелого и опасного труда. Именно в этой области и по настоящее время в развитых
§ I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 417
капиталистических странах (США, Англия, Бельгия, Франция) происходят катастрофы, уносящие жизнь и здоровье рабочих-горняков.
Советское государство начало свою заботу об этой области промышленности не только с повышения производительности труда, но и с его безопасности, с его всемерного облегчения.
Эта забота могла быть разрешена путем широкой комплексной механизации трудоемких процессов горной промышленности, а механизация могла быть, в свою очередь, разрешена только на основе электрификации. Практический путь к механизации лежал через машиностроение, через разработку, постройку и освоение самых разнообразных машин, способных заменить человека на забое, погрузке, откатке и других трудоемких операциях. Для советской горной промышленности характерно стремление к комплексной механизации, охватывающей все стадии процесса добычи полезных ископаемых от забоев до передачи на обогатительные фабрики или металлургические заводы.
Развитие горного дела в нашей стране это прежде всего развитие механизации, значительно выросшей в рассматриваемый период, что можно видеть на материале механизации шахт Донбасса:
Механизированные процессы	1913 г.	1927—1928 гг.	1932 г.	1937 г.	1940 г.
Выемка угля 		0,5	19,4	72,3	90,0	93,5
Доставка угля		нет	25,9	81,8	90,5	94,1
Откатка угля 		нет	нет	17,4	55,7	73,3
Однако достигнутые успехи еще не означали комплексной механизации. Оставался совершенно немеханизированным процесс навалки угля на конвейер. Вставала задача сооружения горного комбайна, который был бы в состоянии одновременно вести зарубку, отбой и навалку на конвейер.
Уже в 1929 г. был предложен проект горного комбайна, разработанный в тресте Донуголь. Позднее было представлено еще несколько проектов, и для подведения первых итогов работы в этом направлении ЦК и ЦБ инженерно-технической секции Союза горнорабочих совместно с газетой «Труд» объявили с 1 января по I июля 1931 г. конкурс на изобретение лучшего горного комбайна. Жюри конкурса не сочло возможным признать ни одно из представленных предложений за законченный ответ на поставленный вопрос.
В 1932 г. шахтер-изобретатель А. И. Бахмутский прислал на отзыв в Донуголь первый образец угольного комбайна Б-1. Испытание, проведенное в августе 1932 г., показало возможность внедрения угольных комбайнов. Первая машина работала исправно, увеличивая производительность труда с 3,7 до 12,5 тонн в час на одного рабочего.
В этом же 1932 г. Всесоюзное угольное научно-техническое общество объявило второй конкурс на изобретение горного комбайна. На конкурс было представлено 34 проекта. По решению жюри ни один из проектов ле отвечал требованиям первой премии; вторая премия была выдана Бах-мутскому.
418
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Фиг. 8—12. Горный комбайн.
Изобретатель постепенно совершенствовал свою машину. Во время одного из испытаний в 1939 г. он получил ранение и скончался. Продолжатели его дела работали над комбайном, и в 1940 г. новая модель Б-6-39 показала возможность работы с производительностью 23,6 тонн в час, т. е. почти в два раза большей, чем у первого образца.
История изобретения угольного комбайна характерна тем, что она показывает преимущества и возможности развития техники в условиях социализма. В угольной промышленности США, например, понадобилось
? 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 419
несколько десятилетий для того, чтобы механизацию зарубки дополнить механизацией погрузки. В СССР привлечение к решению этой задачи большого коллектива изобретателей, ученых, организаций позволило перескочить через этап изолированной механизации отдельных операций выработки, на котором надолго застряла американская горная техника.
Значительный эффект в расширении базы горной техники принесли планово организованные геологоразведочные работы, в результате которых во много раз возросли цифры, оценивающие запасы угля в недрах нашей страны, разведаны многие новые угольные, железорудные и другие бассейны. Железные руды открыты на Восточном Урале, в Горной Шорни, в Курской области, на Южном Урале и Северном Кавказе. На Южном Урале открыты богатейшие залежи хромитов, а в Сибири — марганцевые руды. Среди новых месторождений открыты месторождения никеля, кобальта, олова, сурьмы, висмута, магния и ряд других, не разрабатывавшихся в старой России. Многократно увеличены разведанные запасы меди, свинца, цинка, золота, платины, серебра, ртути. Открыты колоссал1 ные запасы калийных солей и руд магния, бокситов, апатитов и фосфоритов.
Широкое развитие приобрела добыча полезных ископаемых открытым способом. Этому способствовало открытие ряда месторождений неглубокого залегания и выросшая техническая база в виде построенных заводов горного оборудования, дававших продукцию для механизации трудоемких процессов выработки и перемещения громадных масс породы и полезных ископаемых. На открытых выработках широкое применение получила гидромеханизация — размыв грунта струей воды под высоким давлением.
В рудной промышленности советское машиностроение разработало выпуск разнообразных бурильных инструментов и буровых станков. Был полностью реконструирован подземный транспорт. Ручная и конная тяга из забоев заменена конвейерным транспортом. Рельсовый подземный транспорт усилен переходом на большегрузные вагонетки в две, три и более тонн полезного веса, на 10 и 14-тонные электровозы, на движение тяжелых составов с повышенными скоростями.
Большая работа была проведена по новой технике шахтно-рудничного подъема, по вентиляторным и водоотливным установкам на советских рудниках и шахтах.
Электрификация и механизация шахт и рудников достигла такой насыщенности, когда встал вопрос о всемерной автоматизации производственных процессов. Автоматика и телемеханика (управление на расстоянии) все более и более внедряются в сложное техническое оборудование рудников и шахт.
Большой размах приняла в нашей стране техника обогащения полезных ископаемых. Количество обогащаемого сырья почти в 30 раз превосходит обогащение в дореволюционный период. Обогатительные фабрики нашей страны, построенные в разных ее районах, — это крупные высокомеханизированные предприятия, использующие гравитационные, магнитные, электростатические и другие принципы отделения ценных минералов от пустой породы.
Развитие горной науки в СССР перестало быть делом ученых-одиночек. Большие коллективы инженерно-технических работников, тысячи горнорабочих, новаторов, изобретателей вносят свой опыт, свои знания в общее дело подъема материально-технической базы нашей страны на уровень, соответствующий уровню коммунистического общества.
420
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
РАЗВИТИЕ МЕТАЛЛУРГИИ
В результате империалистической воины 1914—1918 гг. и вооруженной интервенции капиталистических государств отечественная металлургия упала до катастрофически низкого уровня: ее продукция составляла только 2,7% по выплавке чугуна и 4,6% по выплавке стали от невысокого уровня 1913 г., составлявшего всего 4,2 млн. тонн.
Молодому Советскому государству предстояло начинать развитие металлургии почти от нуля. И несмотря на это, несмотря на трудности, к 1928—1929 гг. уровень 1913 г. был достигнут.
Для дальнейшего развития металлургии нужно было начать строительство новых заводов, реконструировать восстановленные предприятия с их устаревшим оборудованием и методами работы. Подобное строительство представляло гигантские трудности. Не было опыта, не было кадров, не было достаточной материальной базы. Вместе с тем без достаточного количества металла страна была осуждена на гибель.
С величайшими трудностями были построены гиганты металлургии: Магнитогорский завод, Кузнецкий, Запорожсталь, Азовсталь и другие, являющиеся образцами передовой металлургической техники. «Самой трудной, самой сложной задачей было для нас развитие черной металлургии», — говорил С. Орджоникидзе на VII Съезде Советов в 1935 г.
Особенно тяжелы были первые шаги. В 1932—1933 гг. был пущен ряд домен и мартенов новейшего типа, мощные блуминги на Кузнецком, Магнитогорском, Макеевском заводах и на заводе им. Дзержинского, кузнецкий рельсо-балочный стан, которые сначала, в течение двух-трех лет, давали лишь незначительную долю их полезной производительности. Но через два-три года советская металлургия оставила позади многие мировые нормы. Резко повысилась производительность труда, которая за период первого пятилетнего плана выросла всего на 35%, а в короткий срок с 1933 по 1936 г. — на 120%.
Новые советские доменные цехи стали самыми передовыми в мире. По сравнению с дореволюционными нормами время пребывания шихты в печах сократилось с 14—16 до 7—8 часов, расход кокса па тонну чугуна снизился с 1,05—1,20 т до 0,75—0,85 т. Производительность труда в доменных цехах стала в 5—6 раз выше, чем в дореволюционное время.
Коренным образом изменилась техника выплавки стали. Громадные мартеновские печи новых металлургических заводов, емкостью в 180—450 т, привели к возможности в одном сталеплавильном цехе нового завода выплавлять 40—59% стали, выплавлявшихся во всей России в 1913 г. Съем стали с одного квадратного метра пода печи вырос в 2,0— 2,5 раза.
Заново была создана советская электрометаллургия и производство ферросплавов как база для получения ряда специальных сталей для энергетического, химического, металлургического машиностроения, для производства сталей, потребляемых оборонной промышленностью.
Новые и реконструированные цехи металлургических заводов были оснащены новейшим мощным оборудованием — блумингами, слябингами, чистовыми станами, заготовочными станами, причем введена максимальная механизация, направленная как на увеличение производительности, гак и на всемерное облегчение условий труда. Новая техника метал
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 421
лургии сказалась самым решительным образом: ни один американский блуминг не прокатывает свыше 2 млн. тонн слитков в год, ни один сортовой 300-миллиметровый стан не выпускает в год до 300—400 тыс. тонн готового проката. Годовая производительность советских прокатных станов выше американской от 40 до 100%.
На второе место в мире вышла наша страна по прокату стальных труб.
Черная металлургия — основа индустриализации страны — обеспечила высококачественным металлом все отрасли советской техники. Громадное значение для быстрого развития отечественной металлургии имело строительство Урало-Кузнецкого металлургического комбината, оказавшее решающее значение в победе в войне против гитлеровских захватчиков. К началу войны на Востоке СССР производилось стали на 40% больше, чем ее производила вся металлургия России в 1913 г.
Высокие темпы развития техники социалистического общества отчетливо проявились в развитии советской металлургии. Уже к 1937 г. выплавка стали в СССР превысила выплавку 1913 г. (которая была достигнута после первой войны только к 1928 г.) в 4,2 раза (420%). За девять лет был сделан такой скачок, который далеко позади оставил темпы развития металлургии капиталистических стран, которые с 1913 г., т. е. за 24 года, дали прирост выплавки стали только в следующих размерах: в США —162, в Англии —169, в Германии — 143 и во Франции — 114% от выплавки 1913 г. По выплавке чугуна разница в темпах еще более высока: в СССР — 343, в США — 120, в Германии— 130, в Англии—83 и во Франции—87% от выплавки 1913 г. Еще более значительна разница в темпах роста по основному показателю — производству на душу населения, которое в капиталистических странах возрастало еще медленнее, чем абсолютное количество металла, а во многих случаях даже показало снижение, характеризующее застой, постоянную депрессию производства. Из таблицы выплавки чугуна и стали на душу населения в СССР и в главнейших капиталистических странах видно, как быстро советская металлургия ликвидировала свое отставание в рассматриваемый период.
Страны •	Чугун в кг на душу населения			Сталь в кг на душу населения		
	1913 г.	1937 г.	"/о	1913 г.	1937 г.	%
СССР		30	86	286,7	30	105	350,0
США		326	296	89,6	329	397	120,7
Германия 		203	234	115,2	229	291	127,1
Англия		228	183	80,3	170	279	164.1
Франция		217	189	87,1	167	188	112,6
РАЗВИТИЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ
В царской России машиностроение было развито слабо. К последнему десятилетию XIX в., когда паровая машина была монопольным двигателем производства, ее распределение по отраслям промышленности точно отражало картину их удельного веса в общей промышленности страны. Па фигуре 8—13 показано распределение мощности установленных паровых
422
ГЛАВА VIII.
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
машин, из которого видно, что в России 73,5% мощности затрачивалось на производство продуктов потребления и только 26,5% — на производство средств производства, в числе которого заключается машиностроение. Металлообрабатывающая промышленность по объему потребляемой мощности более чем вдвое отставала от текстильной промышленности. Русский капитализм ради быстрых и высоких прибылей вкладывал средства в легкую промышленность, усиливая зависимость России от иностранного капитала, ослабляя ее оборонную мощь.
2
8U& л. с. Химическая, кожевенная, пороховая и др
7
10
Число паровых машин 727/ Общая установленная мощ-ноет, 187357 и.л.с
17
19
<0
секстильная^
с
10000	20000	30000	20000	50000	60000	70000	80000и л. С.
.	26,5% Производство средств производства
73,5 %
___________I________I__________I__________I_________I__________I__________I________I
10	20	30	20	50	60	70	80 °/о
Фиг. 8—13. Диаграмма распределения установленной мощности стационарных паровых машин в России в 1889 г по отдельным областям промышленного производства.
В 1913 г. в России было выпущено всего 1490 станков наиболее простых, несложных. От выпуска всей тяжелой промышленности царской России машиностроительная и металлообрабатывающая промышленность составляла по стоимости продукции всего только 6,8%. Ряда отраслей машиностроения совершенно не существовало, причем таких существенные, как: тракторостроение, автомобилестроение, самолетостроение, производство автоматических станков, сложных сельскохозяйственных машин, паровых турбин и т. д.
По всей громадной стране можно было выделить только единицы заводов, оборудование и организация труда в которых соответствовали бы уровню мировой техники. Путиловский, Сормовский, Коломенский, Петербургский металлический... На подавляющем большинстве заводов производство было единичным и мелкосерийным при самой примитивной технологи» и организации труда.
В исключительно короткий срок от конца восстановительного периода до второй мировой войны в СССР были построены крупные и хорошо обо
§ 1. РАЗБИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 423
рудованные машиностроительные заводы: Уральский и Ново-Краматорский заводы тяжелого машиностроения, Уральский машиностроительный завод, шарикоподшипниковые и машиностроительные заводы в Москве и Горьком, тракторные заводы в Сталинграде, Харькове, Челябинске, станкостроительные заводы в Москве, Новосибирске и Горьком, турбогенераторный и электромеханический заводы в Харькове, Ворошиловградский и Красноярский паровозостроительные заводы, Ростовский и Ташкентский заводы сельскохозяйственного оборудования; инструментальные заводы «Фрезер» и «Калибр» в Москве, Челябинский абразивный завод и многие другие. Ряд старых заводов, в том числе Путиловский (теперь завод им. С. М. Кирова), Ленинградский металлический, «Электросила» и многие другие, были коренным образом реконструированы.
Характерна динамика машиностроения в нашей стране.
В 1913 г. выпуск машиностроительной промышленности составлял всего 1 млрд, руб., в 1929 г. — 2,5 млрд., в 1932 г. — 9,4 млрд., в 1937 г. — 30 млрд., а в 1940 г. — 50 млрд, рублей. В 1940 г. СССР по объему машиностроительной промышленности вышел на второе место в мире.
Машиностроение, обеспечивающее машинами все другие области производства, развивалось невиданно быстрыми темпами. Если вся промышленная продукция СССР с 1913 г. выросла к 1940 г. в 12 раз, то за это же время машиностроение — в 50 раз, составив по своему объему первое место среди других отраслей промышленности (36,3%).
Вот краткие характеристики развития отдельных отраслей машиностроения.
Станкостроение развивалось за счет освоения более современного оборудования, из года в год наращивая объем своей продукции, как показано в таблице:
Годы	1913	1928	1932	1937	1938	1940
Количество выпущенных станков 		1490	2000	19 700	48 400	55000	свыше 60 000
В царской России производились преимущественно токарные и сверлильные станки невысокого класса точности. Советское станкостроение освоило выпуск фрезерных, револьверных, шлифовальных, полуавтоматических и автоматических станков. В 1930 г. началось производство шлифовальных станков, в 1931 г. — расточных, в 1933 г. — зуборезных, в 1934 г.— протяжных. Начавшееся в 1933 г. производство станков — автоматов и полуавтоматов — к 1939 г. выросло до выпуска 2000 станков ежегодно.
Параллельно с развитием производства станков растет выпуск режущего инструмента, обеспечивающего быстро растущий станочный парк.
Авиастроение явилось отраслью машиностроения, не существовавшей в дореволюционной России. На базе передовой отечественной теории в СССР были сконструированы и поставлены на производство самолеты высокого класса, не уступавшие образцам мирового самолетостроения. Замечательные самолеты «Крылья Советов», «Страна Советов» осуществили
424
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Фиг. 8—14. Самолет АНТ-25 (1933)-
иерелеты в Рим, в Нью-Йорк, а в 1937 г. на самолете конструкции A. II. Туполева (фиг. 8—14) летчики Чкалов, Беляков и Байдуков осуществили перелеты Москва — Петропавловск — остров Удд (ныне о. Чкалов), а затем Москва — Северный полюс— Ванкувер (США).
Автомобилестроение, не существовавшее в царской России, началось выпуском в 1924 г. десяти автомобилей марки АМО (фиг. 8—15). В 1925 г. начал изготовлять автомобили Ярославский завод. Но выпуск машин был мал; оба завода в 1929 г. выпустили всего 1546 автомашин. С постройкой автозавода в Горьком, полной реконструкцией Московского завода, затем реконструкцией Ярославского выпуск автомашин начал увеличиваться, и к 1937 г. в СССР было выпущено уже 200 000 автомобилей, причем по производству грузовых автомашин, столь необходимых для развития нашего хозяйства, СССР вышел на второе место в мире.
Тракторостроение — также совершенно новая отрасль машиностроения (фиг. 8—16), начавшаяся в СССР на Путиловском (ныне им. Кирова) заводе в Ленинграде, а затем па специально построенных Сталинградском и Харьковском тракторных заводах. Перед войной тракторный парк СССР превысил по мощности 10 млн. л. с. Были освоены новые типы колесных и гусеничных машин, дизельные тракторы, сокращен расход горючего.
Сельскохозяйственное машиностроение в дореволюционной России ограничивалось производством конного и ручного сельскохозяйственного инвентаря, причем и в этой области потребность в значительной степени покрывалась импортом из-за границы. В советских условиях необходимо было налаживать производство прицепного инвентаря к тракторам. Затем были разработаны сложные машины — комбайны, производство которых началось с 1929 г. Уже в 1937 г. СССР вышел на первое место в мире по производству комбайнов.
Энергетическое машиностроение царской России ограничивалось производством паровых машин, небольших котлов, двигателей внутреннего сгорания, гидравлических турбин малой и средней мощности. Произвол-
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 425-
Фиг. 8—14а. Самолет-«Амфпбия»-Ш-2».
ство мощных котлоагрегатов и паровых турбин было совершенно не развито. То же относится и к производству электрических генераторов. По производству этих энергетических агрегатов, как уже указывалось выше в разделе, посвященном развитию энергетики, к 40-м годам наша страна вышла на уровень достижений мировой техники.
Транспортное машиностроение было достаточно развито в России, покрывавшей потребность в паровозах продукцией своих заводов. В советский период прежде всего встала задача постройки новых, более мощных типов паровозов, способных удовлетворить возросшим в 6 раз уже к 1938 г. тонна-километрам грузовой работы транспорта. С 1927 г. началось тепловозостроение и электровозостроение — совершенно новые области машиностроения, позволившие постепенно создать материальную базу для отказа от малоэкономичных паровозов.
Металлургическое оборудование и горнорудное оборудование было освоено путем пуска гигантского Уральского завода тяжелого машиностроения, выпускавшего в год несколько комплектов оборудования доменных печей, прокатных цехов. Ряд заводов стал производить оборудование для разнообразных горных работ: врубовые машины, горные комбайны, перфораторы, экскаваторы и т. д.
В сильной степени изменилась технология на машиностроительных заводах нашей страны. Введена автоматизация производственных процессов, повышены скорости резания и подачи, расширено производство кузнечного и прессового оборудования, введен метод закалки токами высокой частоты, введены покрытия (хром, никель), значительные успехи сделаны в области электросварки металлов, разработан принципиально новый электроискровой метод обработки металлов.
Значительно улучшилась организация технологических процессов машиностроительных заводов. Во всех отраслях производства принят поточный метод, который в условиях социалистического общества не делает рабочего придатком машины, а, наоборот, предусматривает повышение квалификации рабочего, становящегося в условиях усложненного произ-
426
ГЛАВА VI!'. Г. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ !017 г.
Фиг. 8—15. Автомашина АМО.
Фиг. 8—16 Цех завода, выпускающего тракторы.
водства все в большей степени командиром машин, наладчиком, контролером их автоматического действия.
Большая работа проведена в области развития науки, исследующей вопросы машиностроения. Достижения этой науки во многом способствовали успеху советского машиностроения.
<S 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 427
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ТРАНСПОРТА
Намечая план восстановления народного хозяйства молодой советской республики, В. И. Ленин писал: «Нам нужно восстановить оборот земледелия и промышленности, а чтобы его восстановить нужна материальная опора. Что есть материальная опора для связи между промышленностью и земледелием? Это есть транспорт железнодорожных и водных путей» Ч На громадной территории царской России протяженность железных дорог составляла всего 70 000 км, т. е. 3,2 км на 1000 кв. км территории, шоссейных и мощеных дорог было всего 27 000 км, т. е. 6% от общей сети дорог, пригодных для транспорта только зимой или в сухую погоду. Из огромной водной сети использовалось лишь 60 000 км. Тоннаж морского флота России составлял только 2,1% мирового тоннажа.
Воздушного транспорта совершенно не существовало.
В 1926 г. восстановительный период железнодорожного транспорта был завершен, и объем перевозок превзошел объем 1913 г. В 1926 г. был осуществлен удачный опыт постройки первой электрифицированной дороги Баку — Сабунчи, явившейся школой для дальнейшего развития электрификации железных дорог. С 1924 г. начал создаваться автомобильный транспорт. В 1923 г. была открыта первая в стране регулярная воздушная линия Москва — Горький. В 1924 г. был создан четырехместный пассажирский самолет АК-1 с деревянным фюзеляжем и скоростью 145 км/час, а также самолет АНТ-2 трехместный цельнометаллический со скоростью 170 км. час.
Фиг 8—17. Пассажирский паровоз ИС.
Железнодорожный транспорт по протяженности вырос к 1945 г. от 70 до 113 тыс. километров, связав основные промышленные, энергетические и сырьевые узлы страны и обеспечив этим развитие промышленности.
1 В. И. Лени н, Сочинения, т. 32, Госполитиздат, 1950, стр. 260.
-428
ГЛАВА V I I I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Тяговый состав пополнился более эффективными и экономичными паровозами серий СО, ФД и ИС (фиг. 8—17), последние из которых явились самыми мощными паровозами в Европе. Были построены электровозы «ВЛ» (фиг. 8—18), началось внедрение тепловозов (фиг. 8—19). Улучшен вагонный парк введением большегрузных вагонов, саморазгружающихся хопперов, гондол грузоподъемностью в 50—60 тонн. Введены разработанные советскими конструкторами (Матросов, Казанцев) автотормозы, автосцепка, разработаны и внедрены системы автоблокировки, увеличившие пропускную способность путей.
К 1940 г. грузонапряженность советских железных дорог достигла 4,5 млн. тонна-километров на 1 км эксплуатационной протяженности, что в 4 раза выше, чем в 1913 г. В этом же году грузонапряженность железных дорог была: в США — 1,5 млн., в Англии — 1,2 млн. тонна-километров на 1 км пути.
Резко улучшилось использование подвижного состава. В 1940 г. для выполнения одного миллиона тонна-километров железнодорожных перевозок в СССР требовалось в 3 раза меньше вагонов, чем в США. К этому же времени техническая скорость движения грузовых поездов повысилась более чем в 2 раза, средний вес поездов — в 2,3 раза и среднесуточная погрузка — в 3,5 раза по сравнению с 1913 годом.
Водный транспорт подвергся решительной реконструкции. Гидротехнические сооружения повысили транзитные глубины водных путей Волги, ликвидировали пороги Днепра. Беломорско-Балтийский канал и канал имени Москвы, Днепро-Бугский водный путь значительно расширили сеть водных путей, создали новые транспортные коммуникации. Вместе с освоением нешлюзованных рек реконструкция водных путей к 1940 г. увеличила их протяженность в 1,8 раза по сравнению с 1913 годом. Было развито портовое хозяйство с механизацией, охватившей к 1940 г. около половины объема погрузо-разгрузочпых операций.
Решительным образом изменилась техника подвижного состава флота. Были введены строившиеся сериями мощные буксирные пароходы по 1200 л. с., освоена постройка сухогрузных самоходных судов с двигателями внутреннего сгорания грузоподъемностью 2200 и 3600 тонн, движущихся со скоростями вдвое большими, чем у буксирных караванов. Целыми сериями строились громадные нефтеналивные баржи, вмещающие по 800 железнодорожных цистерн жидкого топлива.
К 1941 г. число самоходных судов на реках СССР увеличилось в 2,2 раза, а несамоходных — в 2,7 раза.
Морской флот обогатился реконструированными портами с высокой механизацией. Ленинград, Одесса, Владивосток, Новороссийск, Архангельск, Николаев стали первоклассными портами.
Была решена задача, возникшая более четырехсот лет тому назад,— освоение Северного морского пути.
Изменился состав судов морского флота. Старые тихоходные суда с поршневыми паровыми машинами вытесняются турбинными с вдвое меньшим расходом топлива. Начали распространяться турбоэлектроходы и дизель-электроходы.
Перед войной внешнеторговые перевозки нашей страны уже на 40% обеспечивались советским морским торговым флотом.
Автомобильный транспорт, не существовавший в дореволюционной России, возник и быстро развивается в Советском Союзе. Громадный мае-
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ ССОР 429
Фиг. 8—19. Тепловоз ТЭ1Й Харьковского завода транспортного машиностроения.
430
ГЛАВА VIII.
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
штаб дорожного строительства, в СССР, позволил к 1941 г. ввести в эксплуатацию 147 000 км дорог с твердым покрытием, что в 5,5 раза превысило длину такого типа дорог в 1913 г. Было построено 200 000 км улучшенных грунтовых и 250 000 км профилированных грунтовых дорог.
Эта работа обеспечивалась транспортным машиностроением, выпускавшим грейдеры, катки, бульдозеры, скреперы, гудронаторы, смесители и другие машины.
Значительно улучшились конструктивные, теплотехнические и тяговые качества автомашин, повысилась их грузоподъемность, техническая скорость, экономичность. Автомобильный транспорт вносит громадный вклад в работы по освоению окраин, сооружению промышленных комбинатов, мощных электростанций.
Воздушный транспорт, успешно развивавшийся на базе отечественного машиностроения, выпускавшего все более совершенные самолеты, к 1940 г. охватывал сеть линий воздушного сообщения длиной в 115 000 км. Было проведено большое аэродромное строительство, проложены воздушные трассы в самые отдаленные углы нашей громадной страны. Большое значение сыграл воздушный транспорт в' организации научных баз и экспедиций, в освоении далеких окраин, в скорой технической и медицинской помощи. Постепенно складывалась прочная основа для современных достижений советского воздушного транспорта, вышедшего по своим замечательным самолетам на первое место в мире.
Специальные виды транспорта — промышленный, трубопроводный, городской — получили в СССР широкое развитие. Внешний и внутренний промышленный транспорт обогатился новыми техническими объектами: подвижным составом специального назначения, рельсовыми, канатными дорогами, аккумуляторными тележками, кранами, самопогрузчиками, ва-гоноопрокидывателями, конвейерами, рольгангами, пневматическими устройствами, шнеками, наклонными лотками и другими видами оборудования.
Трубопроводный транспорт от первого русского нефтепровода, построенного по проекту В. Г. Шухова между Баку и Батуми в 1896—1906 гг. протяженностью в 833 км, к 1941 г. развился до трубопроводной сети протяженностью в 5000 км. Но это был только первый подступ к дальнейшему колоссальному строительству нефте- и газопроводов, развернувшемуся в нашей стране уже после Великой Отечественной войны.
Городской транспорт необычайно вырос и количественно и качественно. Число городов, оборудованных трамвайными линиями, в дореволюционной России было 35. В СССР их стало 73. Число перевезенных пассажиров увеличилось в 7,7 раза, достигнув перед войной громадной цифры, свыше 7 миллиардов человек. Для того чтобы обеспечить такой пассажиропоток, были внедрены (кроме улучшения трамвая) новые виды городского транспорта — автобусы и троллейбусы, перевезшие к 1940 г. около 400 млн. пассажиров.
В 1935 г. была пущена в эксплуатацию первая очередь лучшего в мире Московского метрополитена.
Перед войной советский транспорт во всех его видах достиг такого уровня, что дальнейшее его послевоенное развитие шло на прочной научной и технической основе, которая все чаще и чаще давала ему возможность выхода на первые места мировой транспортной техники.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 431
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ СВЯЗИ
Громадное развитие промышленности и транспорта, рост городов и населенных пунктов, возросший товарооборот и связь между городом и деревней вызвали развитие всех видов средств связи в СССР.
Реконструирована почта, введена авиапочта, специальные виды почтовых отправлении. Выросла телеграфная связь, включившая в свою систему много новых прогрессивных методов, позволивших многократно увеличить количество передаваемых сигналов, дальность и точность передачи; широко внедрялись буквозаписывающие системы. Широкое распространение получила автотелефонная связь, вышедшая за пределы городов, позволяющая свободно разговаривать по телефону на расстоянии в тысячи километров.
Особенное развитие приобрела радиосвязь.
В первые же годы Советского государства В. И. Ленин, высоко оценивая значение радиосвязи, издал два декрета «О централизации радиотехнического дела» (июль 1918 г.) и «Положение о лаборатории и мастерской НКПиТ» (декабрь 1918 г.) Второй декрет привел к созданию в Нижнем Новгороде (ныне Горький) первой крупной научно-исследовательской организации по технике радио — «Нижегородской радиолаборатории» — во главе с М. А. Бонч-Бруевичем, которому Ленин писал в феврале 1920 г..
«Многоуважаемый Михаил Александрович!
...Пользуюсь случаем, чтобы выразить Вам глубокую благодарность и сочувствие по поводу большой работы, которую Вы делаете. Газета без бумаги и без расстояний, которую Вы создаете, будет великим делом. Всяческое и всемерное содействие обещаю Вам оказывать в этой и подобных работах.
С лучшими пожеланиями
В. Ульянов (Ленин)» 1
В 1922 г. Нижегородская радиолаборатория по инициативе В И. Ленина получила крупную финансовую поддержку.
В Нижегородской радиолаборатории, кроме М. А. Бонч-Бруевича, автора ряда ценных изобретений в области радиотехники, закрепленных за ним 60 патентами, работали В. П. Вологдин, внесший большой вклад в науку и технику в области конструирования высокочастотных машин, выпрямителей для питания ламповых передатчиков высоким напряжением, и В. К. Лебединский, выполнивший большое количество научных исследований, обогативших радиотехнику.
Многое внес в новую область науки и техники М. В. Шулейкин, давший математический анализ процессов радиотелефонирования и уравнения расчета распространения радиоволн вдоль поверхности земли.
Большое значение и в настоящее время имеют труды Л. И. Мандельштама, явившегося автором одного из основных принципов работы важнейшего современного прибора научных исследований — катодного осциллографа, и Н. Д. Папалекси, создателя первой в нашей стране радиолампы, исследователя прохождения радиоволн в Арктике, способствовавшего освоению Севера.
1 Журнал „Телеграфия и телефония без проводов", № 23, 1924, стр. III.
432
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Фиг. 8—20. Радиомачта Шаболовской радиостанции в Москве.
С 1921 г. начал свою работу в области радио Б. А. Введенский, давший в 1928 г. формулу распространения ультракоротких волн до горизонта, позднее разработавший теорию огибания радиоволн вокруг Земли и распространения их за линией горизонта.
Забота Советского государства о развитии радиотехники и наличие в нашей стране ученых, заложивших научные основы этой области техники, способствовали быстрому ее развитию.
Особое значение в нашей стране получило радиовещание. В 1921 г. в Москве на Шаболовке была введена в действие первая мощная радиовещательная станция. Ее 160-метровая мачта, сооруженная по проекту и под личным руководством В. Г. Шухова (фиг. 8—20), стала символом советской радиотехники.
Одновременно с развитием техники радиосвязи и радиовещания проводилась большая работа, начинавшая и подготавливавшая применение радиоволн в самых различных областях техники и науки, которая привела к возникновению новых отраслей науки; радионавигации, радиолокации, радиогеологии, радиоастрономии и др.
Вместе с радиотехникой возникает и быстро развивается крупная отрасль современной промышленности — радиопромышленность.
§ 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ И УКРЕПЛЕНИЯ СССР 433
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	С 1917 г. в первом социалистическом государстве возникают новые условия для развития техники. Начинается период исторического перехода от капитализма к социализму, когда техника по своему материальному содержанию качественно одинакова в странах капитализма и в стране социализма, но условия ее развития в этих странах меняются с ее ростом: растущая техника все меньше соответствует капиталистическому обществу и все больше соответствует социалистическому обществу.
2.	Развитие техники в империалистических государствах все более и более затормаживается вследствие неравномерности процесса развития, непроизводительной затраты труда на вооружение, пагубного влияния монополий, неполной занятости работоспособного населения, антагонизма между представителями технической науки и представителями труда.
3.	Развитие техники в социалистическом государстве идет небывалыми темпами вследствие действия закона планомерного пропорционального развития, научного планирования, заинтересованности всех без исключения членов общества в быстром росте техники, отсутствия застоев и кризисов, внедрения машин для облегчения условий труда.
4.	Развитие энергетики определяется планом ГОЭЛРО, а позднее пятилетними планами — законами развития народного хозяйства. В исторически короткий срок СССР выходит на второе место в мире по выработке электроэнергии, на первое место по коэффициенту электрификации производственных процессов.
5.	Громадное развитие получает топливная промышленность. Многократно выросла добыча горючего. Разведаны колоссальные топливные ресурсы. Освоены новые виды топлива. Налажено производство широкой гаммы специальных видов горючего.
6.	Горная техника в условиях планового развития быстро растет количественно и качественно. Во много раз возросла добыча полезных ископаемых. Широко внедряется комплексная механизация труда, облегчающая его и повышающая его производительность.
7.	Металлургия в своем развитии ознаменовалась созданием мощных металлургических заводов-комбинатов с передовой техникой: Магнитогорского, Кузнецкого, Запорожского, Азовского. Создана электрометаллургия высококачественных ферросплавов.
8.	Машиностроение к 1940 г. выросло в 50 раз по выпуску продукции и стало в промышленности всей страны занимать первое место, достигающее 36,3% против 6,8% в 1913 г. Построены новые заводы. Громадное развитие получили станкостроение, авиастроение, автомобилестроение, тракторостроение, сельхозмашиностроение, строение энергетического, горного, металлургического, химического и транспортного оборудования.
9.	Вырос и совершенно обновился транспорт. Возросла сеть железных и грунтовых дорог, удвоилась протяженность внутренних водных путей. Построены новые транспортные агрегаты: мощные паровозы, тепловозы, электровозы, самоходные и несамоходные суда. Реки соединены каналами в системы. Построены механизированные речные и морские порты. Возник новый авиатранспорт.
10.	Развилась техника связи, особенно радиосвязь, породившая радиовещание и крупную радиопромышленность.
'/J4 П. С. Кудрявцев
434
ГЛАВА VII I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОИНЫ (1945—1959)
Как следует из всего представленного материала, процесс развития техники не протекает плавно. На известных участках этого процесса наблюдаются преимущественно количественные изменения. Растет число применяемых машин, растет количество выпускаемых продуктов, растет экономичность машин, растет число вспомогательных механизмов, но характер технического вооружения остается в основном одним и тем же. Это объясняется главным образом тем, что в данный период используется один и тот же качественный уровень развития науки, который питает технику этого периода. Так, например, становлению механики в ее начальной форме статики твердых тел соответствует применение в технике машин и механизмов, основанных на законах статики: рычагов, подъемных машин, воротов, блоков и т. п. В отдельных случаях возникающие на основе производственной практики машины и механизмы предъявляют счет науке и заставляют ученых искать ответа на те или иные вопросы. В других случаях, наоборот, открытия науки, сделанные в процессе экспериментальных или теоретических исследований поставленной практикой проблемы, приводят к открытию новых законов природы, которые техника принимает на вооружение.
Но в период преимущественно количественного развития качественная характеристика техники остается в основном неизменной. Так, например, в течение XIX в. суммарная мощность паросиловых установок выросла от нескольких тысяч до 120 млн. л. с., но вся эта мощность обеспечивалась исключительно паровыми машинами.
Переход к новому качеству является своеобразным скачком в развитии техники. Так, например, переход от ручных технологических машин к машинам, работающим без участия рук человека, и переход к приводу этих машин от универсального двигателя явился переходом к качественно другому способу выполнения основного назначения техники: производства материальных благ. Это был переход от ручного производства к машинному, которое быстро, революционными темпами, сложилось в комплекс нового качества техники в целом. Это был промышленный переворот XVIII в., за которым последовал переворот политический — капитализм пришел на смену феодализму.
Наше время, середина XX в., характеризуется наличием и углублением всех признаков громадного качественного скачка, по сравнению с которым все предшествующие качественные скачки кажутся очень скромными.
Вот они, эти скачки прошлого: освоение огня, т. е. вооружение общества энергией неорганической природы; переход от камня к металлу; использование механической энергии неорганической природы в виде энергии водных потоков и ветра; промышленный переворот как переход к машинному производству; становление комплексной энергетики с максимально возможным получением от природы теплоты и механической энергии рек для переработки в транспортабельную и гибкую электрическую энергию.
Эта последняя качественная ступень возникла на грани XIX и XX вв. Символом ее возникновения может служить электростанция в Эльберфельде (1899 г.), в которой паровая турбина и трехфазный переменный ток соприкасались в единой установке — турбогенераторе.
S 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ 435
Первая половина XIX в.—это период количественного развития техники, техники, основанной на электрификации промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта.
К середине XX в. эта техника в известной степени достигла своего «потолка». Этот «потолок» в количественном отношении определяется наличием энергетических ресурсов. Уже в первые десятилетия XX в. ученых и техников начал беспокоить вопрос о запасах энергетических ресурсов нашей планеты, становящихся все более и более соизмеримыми с потребностями в энергии. Невосстановимые энергетические ресурсы — накопленная в течение многих миллионов лет солнечная энергия в виде залежей горючего топлива: угля, нефти, сланцев, торфа—учитывались по данным геологических разведок, подсчитывались статистиками, обсуждались на мировых энергетических конференциях. Проблема энергетического голода на нашей планете становилась вс< острее.
Вскоре выяснилось, что казавшаяся панацеей от энергетического голода проблема использования восстановимых источников энергии — водных потоков, ветра, солнечной радиации — уже далеко не является решающей в вопросе об энергоснабжении. Было подсчитано, что в середине второй половины XX в. всей энергии всех водных потоков мира будет явно недостаточно для удовлетворения растущих потребностей общества в энергии. Ветер и радиация Солнца, полное использование которых невозможно, так как ими определяется комплекс условий существования растительного и животного мира, неудобны.
Не случайно 20-е и 30-е годы XX в. характеризуются большим количеством проектов, направленных на разрешение приближающегося энергетического голода (утилизации морского прибоя, утилизации разности температур на поверхности океана и в его глубинах, утилизации разности температур над песками пустынь, проекты полярных теплосиловых станций, использующих разность температур между глубоководными зонами Ледовитого океана и морозами, царящими над вечными льдами околополюсных районов).
Такая активность ученых и изобретателей вполне понятна на фоне резко возрастающей потребности в энергии, достигшей к середине XX в. колоссальной величины — 30 000 млрд, квт-ч в год и продолжающей возрастать еще сильнее. Нехватка — стимул к экономии. И поэтому деятельность ученых и изобретателей направлена на изыскание более рациональных, более экономных способов расходования энергии. И в этом отношении достигнуто многое. Коэффициенты полезного действия современных гидравлических турбин, паровых турбин, паровых котлов, электрических двигателей и генераторов, линий электропередач всего этого основного энергетического оборудования — превзошли 90%, дальнейшее их повышение крайне затруднительно и ограничено природой явлений. Есть еще известный простор в повышении термического к. п. д. тепловых двигателей, достигающего теперь 55— 60%, но это повышение может быть осуществлено на основе разрешения другого кризиса современной техники — кризиса материалов, способных выдерживать колоссальные усилия, температуры и другие виды статических и динамических нагрузок.
Таким образом, современная техника, техника электрификации как наиболее гибкого энергоснабжения промышленности и транспорта, сель
436	ГЛ АВ А V I II. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
ского хозяйства и быта, вступает в период кризиса. Этот кризис выражается в противоречии между возрастающими потребностями в энергии и возможностями удовлетворить эту потребность, ограничиваемыми, с одной стороны, наступающим исчерпанием используемых энергетических ресурсов нашей планеты и, с другой стороны, почти предельным совершенством утилизации используемых в современной технике законов природы.
Сущность назревающего кризиса, таким образом, состоит в том, что существующая техника, качественное состояние которой наиболее полно определяется электрификацией производственных процессов на основе использования топливных и гидравлических ресурсов нашей планеты, начинает становиться неспособной решать задачу удовлетворения растущего энергопотребления. В связи с этим она неизбежно должна быть заменена новой техникой, способной использовать новые энергетические ресурсы в соответствующей их качеству новой технической форме, вытекающей из утилизации закономерностей природы, раскрытых современной наукой.
Так в середине XX в. возникает задача перехода к качественно новой технике. Каковы возможности решения подобной задачи?
Маркс писал: «...человечество ставит себе всегда только такие задачи, которые оно может разрешить, так как при ближайшем рассмотрении всегда оказывается, что сама задача возникает лишь тогда, когда материальные условия ее решения уже существуют или, по крайней мере, находятся в процессе становления» X
Существуют ли в настоящее время материальные условия перехода к качественно новой технике или они находятся в процессе становления? Каковы эти условия?
11аша задача — показать использование новых открытых наукой закономерностей как основы новой техники в отдельных главнейших ее частях: энергетика, машиностроение, материалы.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
27 июня 1954 г. войдет в историю как день начала новой энергетики. В этот день в СССР вступила в строй первая в мире промышленная электростанция на атомной энергии.
На фигуре 8—21 представлена схема этой электростанции.
Топливные элементы, представляющие собой стержни из радиоактивного урана 235, пропущены в отверстия в графитовой кладке реактора. Во время реакции деления ядер урана 235 возникают быстрые нейтроны, которые замедляются в графите. Часть возникающих нейтронов уходит из реактора наружу, часть поглощается ядрами урана 238 и примесями, имеющимися как в графите, так и в самих топливных элементах, не принимая участия в цепной реакции распада. Только некоторая часть нейтронов, вновь попадая в ядра урана 235, дает продолжение цепной реакции. Реакция находится в состоянии подвижного равновесия. Уменьшение числа нейтронов, вызывающих цепную реакцию, вызывает ее затухание, а увеличение может вызвать лавинообразное нарастание реакции — взрыв. Процесс необходимо очень точно и притом автоматически регулировать. Для этой цели служат стержни из какого-либо вещества, способного сильно поглощать нейтроны,
’K-Маркс, К критике политической экономии, Госполитиздат, 1У53, стр 8.
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
437
например из кадмия. По сигналу от измерителя числа нейтронов, возникающих в реакторе, кадмиевый стержень либо поднимается (при ослаблении потока нейтронов), либо опускается (при усилении), поддерживая постоянным заданный режим реакции.
Теплота, выделяющаяся при ядерной реакции, передается воде, находящейся под давлением 100 ат для того, чтобы последняя не закипала, будучи нагретой до температуры в 300°. При столь высокой температуре вода поступает в теплообменник — парогенератор, где отдает свою теплоту
Фиг. 8—21. Схема атомной электростанции:
/ — урановые трубы; 2 — трубы циркулирующего теплоносителя первого цикла; 3 — графитовый замедлитель; 4 — регулирующий стержень; 5— счетчик интенсивности излучения; 6 — реле, принимающее сигналы счетчика и направляющее ток к двигателю 7, поднимающему или опускающему регулирующий стержень; 8 — бетонный защитный слой; 9— котел-теплообменник, в котором теплоноситель первого цикла испаряет рабочее тело второго цикла; 10— паровая турбина; 11 — генератор электрического тока; 12 — конденсатор.
циркулирующей по змеевику воде при более низком давлении, превращая ее в пар, а затем, уже охлажденная, снова подается насосом в реактор. Пар из теплообменника парогенератора поступает в паровую турбину, приводящую в действие электрогенератор, вырабатывающий электрический ток. Отработанный пар поступает из турбины в конденсатор, где конденсируется и вновь подается насосом в теплообменник — парогенератор.
Атомные станции могут иметь и иное устройство. Радиоактивное тело может быть взято в жидком виде в смеси с замедлителем реакции ядер-ного распада. Промежуточным носителем энергии может быть не вода, а, например, легкоплавкий металл или сжиженный газ. Могут быть и другие варианты.
Однако есть нечто общее для возможных вариантов атомных электростанций. Этим общим является то, что ядерную энергию во всех случаях получают в форме теплоты, т. е. молекулярного движения. А дальнейшее состоит в уже освоенной технике преобразования теплоты в
х/215 11, С. Кудрявцев
438	ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
U?35,
/ И
Фиг. 8—22. Схема энергоциклов атомной станции:
/ — первый тепловой цикл; II — второй тепловой цикл; III — получение механической энергии; IV — получение электрической энергии.
1 — ядерный реактор; 2 — котел-теплообменник; 3 — тепловой двигатель; 4 — электрогенератор.
механическую работу на валу турбины с тем, чтобы за счет механической работы получить на зажимах электрогенератора электрическую энергию.
Из этого факта следует прежде всего то, что получившее распространение название «атомный двигатель» является неверным. Ведь двигатель — это машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. Такая машина есть на фигуре 8—21. Это теплосиловая установка с ее котлом и турбиной, отличающаяся от обычных только тем, что в данном случае котел получает теплоту не от сгорания топлива, а от распада ядер радиоактивного урана 235.
Следовательно, атомная силовая установка является комплексной установкой, в теплообменнике — парогенераторе которой соприкасаются в процессе эпергообмеиа два энергетических цикла: цикл преобразования энергии ядерного распада в теплоту и цикл преобразования теплоты в механическую работу (если не рассматривать третий цикл — преобразования механической работы в электрическую энергию).
Схематически станцию на атомной энергии можно представить так (фиг. 8—22).
В генератор теплоты — ядерный реактор 1 подается ядерное «горючее» в форме загрузки реактора радиоактивным ураном 235. В теплообменнике —
парогенераторе 2 происходит только передача теплоты, не являющаяся принципиальным актом атомной установки, так как в принципе пар можно получать непосредственно в реакторе и направлять в турбину (слить цикл теплового потока / с циклом II на фиг. 8—22). Передача теплоты от первого второму циклу необходима из соображении безопасности — для отделения теплоносителя цикла 1, содержащего продукты распада, от теплоносителя цикла II. Генератор механической энергии— двигатель — в форме паровой турбины <3 передает механическую энергию на вал III генератору электрической энергии 4, которую затем направляют потребителю IV.
Вслед за первой советской атомной станцией, позволившей на практике решить ряд сложнейших проблем новой ядерной энергетики, последовало строительство новых атомных станций на ядерной энергии не только в Советском Союзе, но и за рубежом.
В Чехословацкой Республике с помощью советских ученых строится крупная атомная станция мощностью 150 тыс. кет, строительство которой будет закончено в 1960 г.
Германская Демократическая Республика в содружестве с СССР приступила к постройке атомной станции мощностью 100 тыс. кет
В США начато строительство пяти атомных станций разного типа с мощностью от 60 до 180 тыс. кет, намеченных к пуску в период до 1962 г.
Две атомные электростанции строятся во Франции одна мощностью 40 тыс. кет, вторая — более мощная.
Опытная атомная станция мощностью 20 тыс. кет сооружена в Канаде.
Англия, находящаяся в области энергетики в более остром кризисе, уже пустила в октябре 1956 г. станцию мощностью 130 тыс, кет. К 1961 г. в Англии
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОИНЫ
439
предполагается довести общую мощность атомных станций до миллиона киловатт, а к 1975 г. перевести на атомную энергетику четверть вырабатываемой электроэнергии.
И это — только начало. Причем начало, резко отличное от начала первых тепловых электростанций, мощность которых исчислялась десятками киловатт. Новая энергетика сразу начинает с сотен тысяч киловатт на одной станции.
Когда-то Маркс оценивал универсальность теплового двигателя по одному из существенных его признаков: независимости его местонахождения от тех или иных локальных условий. Эта независимость вытекала из транспортабельности горючего. Действительно, по масштабам энергетики того времени нетрудно было на простых подводах обеспечивать горючим заводскую силовую установку мощностью в 20—30 лошадиных сил. Для питания горючим современной станции мощностью в 100 тыс. кет нужно доставлять в сутки 1200 тонн угля или 3000 тонн торфа. А сейчас мощность одного блока котел — турбина — генератор выросла до 300 тыс. кет и вскоре вырастет до 600 тыс. кет.
Подвозка горючего к станциям такой мощности—сложное и дорого стоящее дело. Пе менее сложна и дорого стоит передача энергии электрического тока при постройке станции в районе топливного бассейна.
Задача совершенно снимается с повестки дня при переходе к атомным станциям, потребляющим на 100 тыс. кет около 0,4 кг ядерного горючего. Это значит, что годовой запас ядерного горючего можно сделать, совершив один рейс на автомашине или самолете!
Высокоемкое ядерное горючее особенно перспективно для развития транспортных установок. Один килограмм лучшего угля при лучшем его использовании может дать не более 8 кет-ч работы, тогда как один килограмм урана 235 при достигнутом к. п.д. атомных установок 35% и содержании в нем энергии в 20 млн. квт-ч может дать 20 000 000 X 0,35 = 7 000 000 квт-ч, или почти в миллион раз больше, чем каменный уголь. Эта разница в весе обычного и ядерного горючего позволяет атомным транспортным объектам проходить колоссальные расстояния без пополнения горючим.
Так, например, атомный паровоз может, использовав всего два килограмма урана, проехать безостановочно вокруг земного шара.
Атомный самолет на одном килограмме урана может пролететь со скоростью 1300 км/час путь в 100 000 км, т. е. облететь вокруг земли два с половиной раза без посадки.
Атомное судно освобождается от необходимости везти с собой десятки тысяч тонн топлива. Заменив его атомным горючим, оно в состоянии будет годами плавать без захода в порты. Теперь длительность плавания будет ограничиваться запасом пищи для команды, а не запасом энергии.
Эта возможность уже реализуется на практике. В 1959 г. спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин». Это — громадное судно, водоизмещением в 16 000 тонн, с мощной установкой в 44 О00 л с., с обогревом корпуса, с гидромонитором в 100 ат.
Несмотря на громадные возможности, открывающиеся вместе с использованием атомной энергии в настоящее время, —это только начало, указывающее на новые, еще большие возможности.
Что атомная энергетика находится в периоде своего становления, видно на фигуре 8—23. Здесь сопоставлены схемы конструктивных форм 1 .,15*
440
Г Л А В A V I I I. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
перехода от старой энергетики к новой в середине XVIII и в середине XX веков.
В левой части рисунка дана схема комбинированной установки XVIII в. (см. фиг. 2—28), в которой новая энергетика представлена паровым насосом 1, а старая — водяным колесом 2. Комбинация совмещала независимость от местных условий установки 1 в силу высокой энергоемкости топлива с универсальностью установки 2, способной равномерно вращать вал любой машины-орудия. Комбинацию установок применяли потому, что не умели получать вращение вала непосредственно от тепловой установки, чему научились позднее. В комбинации роль тепловой установки заключалась в том, что она преобразовывала теплоту в вид энергии, используемой в водяном колесе,— потенциальную энергию разности уровней воды Я,—Н„. Таким образом, «новая» энергия применялась для того, чтобы в любом месте
Фиг. 8—23. Комбинированные универсальные установки XVIII и XX веков
создать источник «старой» энергии, используемой знакомыми, освоенными путями.
В правой части рисунка дана схема комбинированной установки XX в. (см. фиг. 8—21), в которой «новая» энергетика представлена атомным реактором /, а «старая» — паросиловой установкой 2. Комбинация совмещает еще большую, чем раньше, независимость от местных условий установки 1 в силу исключительно высокой энергоемкости ядерпого горючего с универсальностью установки 2, способной равномерно вращать вал электрогенератора, а через него колесо локомотива, винт судна, вал любой машины-орудия. Комбинацию установок применяют потому, что ещё не решена задача получать вращение вала непосредственно от ядерного реактора. В комбинации роль атомной установки заключается в том, что она преобразует энергию ядер атомов урана 235 в вид энергии, используемой в теплосиловой установке,— в разность температур Т{ — Т%. Таким образом, «новая» энергия применяется для того, чтобы в любом месте создать источник «старой» энергии, используемой знакомыми, освоенными путями.
Сущность приведенной аналогии состоит в том, что как в XVIII в., так ив XX в. произошел скачок к новой первичной энергии, резко отличной
§ 2 РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ 44I
от старой по энергоемкости. Действительно, водяные колеса XVIII в. работали с напором в 5—10 м, т. е. 1 кГ воды как энергоносителя содержал 5—10 кГм работы. Переход к горючему с его средней энергоемкостью в 3 млн. кГм/кг означал (при учете к.п.д. установок) скачок в среднем в 10 000 раз. Переход к атомному горючему от топлива с энергоемкостью 3 млн. кГм/кг к 8 млн. кГм/кг означает при примерно равном к.п.д. установок скачок порядка 2,5 млн. раз.
Несомненно только одно, что, если в XVIII в. обращение к теплоте послужило одной из основ перехода к новой, машинной технике, в процессе промышленного переворота, — переход к ядерной энергии является несомненной основой нового, еще более грандиозного перехода техники на качественно новый уровень, основой нового промышленного переворота.
Изыскания новых методов использования энергии атомных ядер представляют только одну линию современных исканий. Вторая линия исканий направлена на освоение энергии реакции синтеза ядер легких элементов — энергии, получившей наименование термоядерной.
Значение этой проблемы состоит не столько в высокой энергоемкости термоядерного «горючего», сколько в том, что в данном случае в качестве исходных материалов можно использовать не природные запасы урана итто-рия, а тяжелый водород, который можно получать из обычной воды, а это для человечества означает наличие практически неограниченного источника энергии.
Осуществление управляемой термоядерной реакции, происходящей в природных условиях на Солнце, означает коренное изменение в области энергетики, выходящее за рамки всех предшествующих изменений в ее историческом развитии.  Какой бы вид энергии человек ни использовал в своей борьбе с природой, он пользовался в конечном счете одной только энергией, которую природа давалаему в ограниченных дозах. Это —энергия солнечного излучения: теплота сгорания угля и нефти, биологическая энергия животных и человека, движение воды и ветра—все это видоизмененная, преобразованная энергия солнечной радиации. Солнце — вот неисчерпаемый источник жизни на Земле.
Современная наука установила, что ежеминутно Солнце излучает в пространство массу фотонов в 500 миллионов тонн. Установлено также, что из этой массы Земля ежеминутно получает ... 250 кг. Это значит, что Земля получает от «щедрого» Солнца только одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии.
Сейчас наращивание мощностей и выработка электроэнергии на основе использования энергии топлива и водных потоков идет чрезвычайно высокими темпами.
На фигуре 8—24 показана перспективная оценка производства электроэнергии в СССР в млрд, квт-ч, из которой „идно, что в 1970—1975 гг. предполагается вырабатывать электроэнергии 1500 млрд, квт-ч, т. е. в 8,8 раза больше, чем в 1955 г., а к 2000 г. вырабатывать 10000—15000 млрд, квт-ч, т. е. в 10 раз больше, чем в 1970—1975 гг.
На фигуре 8—25 показаны перспективы развития энергетики в США. Здесь нет той точности, как в предыдущем примере, так как темпы развития капиталистической энергетики сильно колеблются в зависимости от множества факторов. Поэтому авторы прогноза, представленного на фигуре 8—25, наметили целую серию возможных вариантов, в очень сильной степени отличающихся один от другого (от 3 до 8%).
15 II. С. Кудрявцев
442	ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Сопоставление приведенных прогнозов представлено на фигуре 8—26. Здесь линия / соответствует росту выработки электроэнергии в СССР (линия представлена в виде прямой так же, как и в случае учета возможностей роста американской энергетики на фигуре 8—25, поскольку в обоих
Фиг. 8—24. Перспективная оценка производства электроэнергии в СССР (млрд, квт-ч).
Масштаб по оси ординат вправо от пунктирной линии меньше масштаба по оси ординат влево от пунктирной линии в 50 раз.
случаях принята полулогарифмическая шкала, в которой графики изменений, происходящих по закону геометрической прогрессии, представляются прямыми). Линия 2 — продолжение линии / при сохранении того же темпа прироста (в 1,88 раза за пять лет). Линия 3 — крайние варианты американских прогнозов. Из диаграммы следует, что 1970—1975 гг. являются возможным периодом выхода энергетики СССР на первое место в мире.
Наращивание установленных мощностей и выработки электроэнергии, в котором роль атомных станций пока еще совершенно незначительна, идет
§2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
443
906	ENERGY
I
with many people for many syears. There seems, however, to be no real sign of abatement-r-certainly for the next five years-—-when the present
fig. 5—hsrimifed Annua, Electric Utility G ««roPow Year 1970—United States. Broken ! ве. jAo» mnuni growth races of 3 to 8%, as applied to the 1950 gereralion of 329x10' Kwhrs. Solid lines shot growth fates as related to population growth as follows:
C neve A: From Me extrapolated per capita cons-jn.pt.oi trend of the last three decades.
Curve 8: From ,he same per capiti onsumptien growth as prevailed during the 1940-50 decade. Curve C: From the average t>«- capita comumps on ct the .a«f three decades.
The use of constant growth rates like 3% or 8% annually is unreal in many respects so that effort: have been made better to prognosticate the future by adding three other curves,, A. H, and C to Fig. 6. Each of these I ' । curves attempts to relate the growth in electric energy use to the population ol fhe United States and to the ponalatinji growth. Curve < uses tb< exlra-wih'fcr.	мй<пичг<||>Лв пл '	'«ut* ь, m. u a>
Фиг. 8—25. Перспектива выработки электроэнергии в США.
за счет паротурбинных электростанций, которые за последнее время достигли высокого совершенства и громадных мощностей.
Если для 20-х годов XX в. были характерны электрические тепловые станции мощностью в 50—100 тыс. кет с турбинами мощностью в 25—50 тыс. кет, с котлами, дающими 50—60 т пара в час давлением 20—30 ат и температурой 375—400°, то в настоящее время все эти показатели значительно изменились.
Мощности тепловых станций выросли в настоящее время до 500 тыс. — . 1 млн. кет с соответственным увеличением мощности оборудования. Тур-15*
444
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Фиг. 8—26. Сопоставление перспектив выработки электроэнергии в СССР и США.
бины мощностью 150 тыс. кет распространяются все шире, причем работают с давлением 130—170 ат и температурой пара 500— 600°. В СССР уже построена паровая турбина мощностью в 200 тыс. кет и генератор к ней, освоенные Ленинградским металлическим заводом и заводом «Электросила». Строится турбогенератор на 300 000 кет, ведется проектирование турбогенератора на 400 тыс. кет, разрабатываются данные к проекту турбогенератора в 600 тыс. кет. Соответственно растет паропроизводительность паровых котлов. Освоен котел, дающий 400 т пара в час, в недалеком будущем будут выпущены котлы с производительностью 600— 800 т пара в час. Осваивается так называемая «блочная» система, при которой паровой котел и турбина с электрогенератором представляют собой единый «блок» с полным соответствием производительности котла и потребления пара турбиной. Изложенное положение современной энергетики показывает, что она находится на переломе. Подобно
тому как в XVIII в. возникла и в течение почти столетия осуществлялась своеобразная «эстафета» перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике, так в середине XX в. возникла и осуществляется быстрыми темпами передача «эстафеты» от старых форм первичной энергетики—тепловой и гидравлической — к новой форме — ядерной энергетике.
Этот переход носит особый характер. Все предыдущие переходы — от биоэнергетики к гидроэнергетике, от гидроэнергетики к теплоэнергетике,
а также использование вторичной электрической энергии, не выходили за
рамки использования одного и того же общего всем первичного источника энергии в виде солнечной радиации. Переход энергетики середины XX в. на новую ступень выходит за рамки использования солнечной радиации,
развиваясь в направлении осуществления солнечного процесса на земле под контролем и управлением человека.
В одной из основных отраслей техники — в энергетике совершенно ясны и очевидны громадные качественные перемены, являющиеся основой одного из направлений совершающейся в наше время грандиозной промышленной революции.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
Давая общую картину развития машин, Маркс писал: «Простые орудия; накопление орудий, сложные орудия; приведение в действие сложного орудия одним двигателем — руками человека, приведение этих инструментов в действие силами природы; машина; система машин, имеющая один двигатель; система машин, имеющая автоматически действующий двигатель, — вот ход развития машин» \
К- Маркс и Ф. Энгельс, Сочинения, т. 4, Госполитиздат, 1955, стр. 156.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОИНЫ
445
Развитие техники подошло к последнему пункту предусмотренной Марксом картины развития машин, который он сформулировал как «систему машин, имеющую автоматически действующий двигатель».
Первые автоматические устройства возникли еще в работах Леонардо да Винчи, были применены Ползуновым и Уаттом для паровых машин, получили теоретическую основу в работах И. А. Вышнеградского, но подлинное развитие автоматизации производственных процессов могло наступить и действительно наступило в середине XX в., когда развитие радиотехники вызвало к жизни электронику и вместе с нею разнообразные электронные приборы и аппараты исключительной точности и гибкости, свободные от инерции механических устройств.
Электронная автоматика сейчас уже привела к осуществлению полностью автоматизированных энергетических и технологических комплексов. У нас в СССР имеются гидростанции, работающие «на замке», т. е. без присутствия на этих станциях обслуживающего персонала. В нашей же стране сооружены и успешно работают заводы-автоматы, в которых расположенный определенным образом комплект технологических машин и соединяющих их транспортных машин без участия человека производит изготовление автомобильных поршней — от получения сырого материала до укупорки готовой продукции.
Широко внедряемая комплексная автоматизация освободила рабочего от выполнения производственного цикла в качестве «соучастника» машин. Человеку остаются только функции контролера машин, их «опекуна» и наладчика, в связи с чем от него уже не требуется ни особой ловкости рук, ни физической силы и тренировки, но зато необходим новый уровень знаний, приближающийся к уровню знаний инженера.
Широкое внедрение автоматики стало совершенно неизбежным на современном уровне развития техники. Отмеченная в начале книги интенсификация технических процессов в особенности увеличение скоростей, сделали в ряде случаев совершенно неосуществимым контроль за производственными процессами, основанный на показаниях органов чувств человека. Техника уже давно начала заменять органы чувств в тех многочисленных областях, где эти органы оказались несостоятельными. Их несостоятельность начала прежде всего проявляться в неточности оценок тех или иных явлений. Оценка температуры «на ощупь» была заменена оценкой на глаз по положению уровня столбика ртути в термометре. Оценка «на слух» вызвала к жизни камертон. Оценка «на ощупь» твердости, мягкости, упругости давно была заменена рядом приборов, сводящих оценку этих состояний тел к оценке на глаз по стрелкам на шкалах приборов.
Постепенно техника овладевала новыми процессами и явлениями, совершенно недоступными непосредственному восприятию. Величина тока, его напряжение, направление, плотность магнитного или электростатического полей и т. д. непосредственно не могут восприниматься органами чувств человека. Поэтому и контроль за изменением этих величин осуществляется по показанию стрелки, движущейся по шкале измерительного прибора. Но с ускорением течения процессов, с ускорением их изменения в зависимости от ряда других явлений, с осложнением этих зависимостей, даже глаз человека оказывался все более и более не в состоянии выполнять контрольные функции.
А потребности контроля все возрастали. Для их удовлетворения механические приборы заменялись электронными.
446	ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Наука нашла методы «метить» атомы несмываемой меткой и посылать их на глубокую разведку в самые недоступные области: в глубь толщи металла через толстую стальную стенку, в почву, в расплавленный металл, в растения, в живой организм.
Это так называемые «меченые атомы».
Свойства «меченых атомов» открывают новые возможности в области научных исследований и в области технического контроля и автоматизации. С их помощью можно организовать автоматическую дефектоскопию — обнаружение дефектов в толще металлических конструкций. Можно легко контролировать уровень жидкости в замкнутом сосуде. Можно вести автоматический контроль за составом содержания грунта в грунтово-водяной смеси (пульпе) землесосных снарядов. Можно организовать автоматический контроль не только толщины стальной ленты, выходящей с громадной скоростью из валков прокатного стана, но даже контроль толщины оловянного покрытия жести, непрерывной лентой выходящей из машины, автоматически покрывающей ее оловом. Можно организовать автоматический контроль за выгоранием футеровки доменной печи, работающей при температурах свыше 1000°. Можно наблюдать за ростом пленки ржавчины на внутренней стенке парового котла, давление пара в котором выше 100 ат и температура около 600°.
Слово «автоматический», неоднократно повторенное в указаниях на возможности, открываемые «мечеными атомами», говорит о том, что эти возможности заключаются не только в контроле — констатации, но и в контроле — управлении, когда контролирующая система не только следит за изменениями заданной величины, но сама, без участия людей (а это и называется — автоматически) изменяет режим установки так, чтобы возвратить отклонившуюся величину к заданному значению.
В середине XX в. открылось чрезвычайно широкое поле деятельности для ученых и техников в области замены контрольных функций работающего человека контрольными машинами, машинам, сочетающими контроль с управлением — автоматическими машинами. В этом отношении формулировка Маркса о «системе машин, имеющей автоматически действующий двигатель» полностью оправдывается. Правда, действительность ушла дальше предвидения Маркса. Автоматическим стал не только двигатель, т. е. машина энергетическая, автоматически поддерживающая заданный ей режим работы. Автоматической стала и транспортная машина, как например, ряд транспортных устройств, автоматически передающих детали и изделия со станка на станок. Автоматической стала и технологическая машина, как, например, упоминавшийся стан холодного проката, автоматически выдерживающий толщину прокатываемой ленты с точностью до сотых долей миллиметра. Иными словами, автоматической стала та сложная система машин, которую Маркс называл «развитой совокупностью машин», состоящей из двигателя, передаточного механизма и рабочей машины.
Комплексная полная автоматизация энергетических и технологических процессов — второе новое качество возникающей в середине XX в. новой техники (фиг. 8—27).
Но в современном машиностроении, кроме того, возникает и быстро развивается принципиально новое направление — построение машин, выполняющих наиболее сложные функции человека—логические функции.
Возникновение и использование процессов, протекающих с исключительной быстротой, потребовало принципиально новых методов управления
S2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
447
Фиг. 8—27. Автоматическая линия.
и контроля. Использование быстродействующих электронных приборов, усложнение их комбинаций, возникновение целых сложных систем,—привело к открытию новых возможностей. Сначала машина начала считать. Но это были не костяшки счетов, не рычажки и зубчатые колесики арифмометров. Электроника создала машины, не помогающие человеку в процессе счета, а заменяющие его. Здесь, как это ни парадоксально, ограниченные возможности человека перестали тормозить почти неограниченные возможности машины, и освобожденная машина начала производить тысячи, десятки и сотни тысяч вычислений за секунды и минуты. Одна счетная машина заменяет большой коллектив счетных работников и выполняет работу быстрее и точнее, чем этот коллектив.
Это напоминает имевшую уже место в истории замену искусных рук человека и нас теперь не удивляет, что машина может сделать в тысячи раз больше предметов, чем человек. А в свое время технологические машины удивляли людей не меньше, чем теперь нас удивляют электронные машины, выполняющие логические функции. Они удивляют нас тем, что заменяя человека в процессе труда, высвобождают не мускулы, не руки, а мозг человека.
Развитие счетнорешающих машин позволило освоить решение сложных дифференциальных уравнений высшей математики при помощи так называемых интеграторов. Развитие счетнорешающих машин все сильнее и сильнее отходило от помощи человеку, приближаясь к его замене, как это было и в случае развития других машин, например технологических. В конечном счете и в тех, и в других машинах, роль человека сведена к распорядителю, дающему машине задание и наблюдающему за ее работой, вне зависимости
448	ГЛАВА VIII РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
от того, задано ли машине изготовление автомобильных поршней (технологическая машина) или решение сложных дифференциальных уравнений (счетнорешающая машина).
Развивающаяся счетнорешающая техника начинала постепенно вторгаться в выполнение более сложных логических функций. Машине было поручено запоминание уже очень далекое от ранних форм в виде записи или откладывания косточек. Машина начинала запоминать не только числа, но и сложные комбинации чисел, формулы и уравнения. А ведь в каждом уравнении заключено понятие, выражена та или иная связь, та или иная взаимозависимость.
За запоминанием новые машины начали осваивать выполнение таких логических функций, как отбор, систематизация, классификация, а усложнение этих функций дало возможность поручать машине такие о, ерации, как перевод текста с одного языка на другой, сочинение стихов. Так, усложненная машина начинает показывать наличие некоторых черт суждения и знания, начинает выбирать наикратчайшие пути при повторении раз сделанной операции и, таким образом, в процессе своей работы создает в известной степени свои правила. Для выполнения подобных логических функций такого рода машины должны содержать и содержат в себе большое количество информации, сведений, или отрывочных знаний, одни из которых придаются машине извне, другие возникают в процессе работы машины, а, возникнув, запоминаются навсегда, но так, чтобы при первой необходимости их можно было использовать.
Практика построения машин, выполняющих логические функции человека, развивалась параллельно с теорией их действия, сложившейся в новую науку — «кибернетику» (от греческого слова «кибернео», что значит — рулить, управлять), науку управления. Один из основателей этой науки, американский ученый Н. Винер в своей книге «Кибернетика» показал, что новая отрасль математики, называемая «теорией и нс] ормации»,объединяющая математику, электронику и технику связи связана с физиологией нервной системы и с самой психологией человека.
Середина XX в. характеризуется возникновением и начальным развитием новой области применения машин. Машине поручаются логические функции человека. Таким образом, во второй из главнейших отраслей техники — в машиностроении — возникает громадная качественная перемена, заключающаяся в широкой автоматизации и внедрении кибернетических машин. И в этой отрасли назрело и начинает проявляться новое качество как одна из сторон великого промышленного переворота середины XX в.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Вопрос о возникновении техники получения легированных сталей и специальных сплавов, а также алюминия уже освещался в предыдущих главах поскольку в настоящее время производство этих материалов не возникает, а развивается, возникнув в предыдущие периоды.
Наше время характеризуется возникновением нового в форме получения синтетических материалов как переход от частных возможностей получения искусственным путем того или иного материала (каучука, диэлектриков, пластмасс и т. п.) к общей возможности получения материалов с наперед заданными свойствами.
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ 449
Современная химия каталитического синтеза прежде всего дала возможность получения химических продуктов, получавшихся ранее путем переработки природного сырья: натурального каучука, хлопка, нефти и т.д. Современная химия получила возможность вырабатывать ряд веществ в большем количестве, чем это возможно за счет природных сырьевых ресурсов. К таким веществам относятся высококалорийное горючее, искусственный каучук, значительное число пластических и волокнистых материалов.
Все эти вещества за небольшим исключением являются так называемыми полимерами, состоящими из своеобразных цепочек молекул, связанных друг с другом в вызываемой катализаторами цепной реакции Цепная реакция полимеризации не носит характера взрыва, как это имеет место в некоторых цепных реакциях окисления или ядерного расщепления, оно протекает под управлением человека и вызывает по его желанию образование цепочки молекул, вытянутой в одном направлении, или образование разветвленной цепочки. В первом случае образуются волокнистые вещества, во втором — так называемые пластмассы (смолы).
Лауреат Нобелевской премии академик Н. Н. Семенов и Мельвиль сумели раскрыть природу механизма цепных реакций и явления полимеризации, положив теоретические основы возникновению новой широкой отрасли химической промышленности — промышленности искусственного волокна и пластических масс.
По меткому выражению английского физика Джона Бернала, современная химия дает возможность сознательно «делать молекулы на заказ» с свойствами, определяющими потребные качества готовой продукции, такие как прочность, эластичность, вязкость, упругость и т. д.
Древняя техника делила материалы на прочные и непрочные, легкие и тяжелые и т. д. Становление теплотехники привело к необходимости различать теплопроводные материалы от нетеплопроводных. Становление электротехники привело к потребности отличать проводники электрического тока от непроводников.
Со становлением электроники, основанной на управлении потоками электронов, возникла необходимость выделить особый класс материалов, так называемых полупроводников. К этим материалам относится большинство минералов, неметаллических элементов, ряд оксидов, сульфидов и др. Эти элементы почти не использовались в технике до становления электроники, а сейчас они начинают получать все более широкое применение (полупроводниковые диоды и триоды, фотосопротивления, фотоэлементы, термисторы).
Таким образом, в области производства и использования новых материалов с новыми качествами в середине XX в. также происходит глубокое изменение, эквивалентное по своим последствиям промышленному перевороту.
Но синтетические волокна и пластические массы, полупроводники и смолы — это только начало в области создания новых молекул, когда современная химия успешно создает то, что имеется в природе. Следующий этап даст возможность на основе развивающейся теории производить синтез материалов такими путями и методами, чтобы получать свойства, не существующие в природе.
Новые машины, новая энергетика, новые материалы — вот черты громадного промышленного переворота второй половины XX в., последствия которого приведут к такому колоссальному росту производительных сил
450
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
общества, которому в состоянии соответствовать только наиболее совершенная его организация, свободная от скудности и неравенства, от лишений и эксплуатации, от войн и невежества, организация, по природе своей основанная на максимально высокой производительности труда, лишенная каких бы то ни было элементов, способных в той или иной форме тормозить дальнейший рост этой производительности. Эта организация общества, предусматривающая свободный труд каждого члена общества по его способностям и распределение создаваемых в исключительном изобилии продуктов по потребностям каждого члена общества, — коммунизм.
ДОСТИЖЕНИЯ ТЕХНИКИ В СССР
В начале главы на ряде конкретных примеров и на статистических данных было показано как условия империалистических стран все более и более тормозят развитие техники и как, наоборот, условия в социалистических странах всячески способствуют развитию техники. Эти условия приводят к разным темпам промышленного и технического прогресса в странах капитализма и социализма. Они же, эти условия, неизбежно предопределили осуществление научного предвидения В. И. Ленина о быстром развитии производительных сил в нашей стране, где в 1917 г. осуществились наиболее прогрессивные производственные отношения. Задача «догнать» капиталистические страны как в общем, так и в душевом потреблении совершенно ясна, как задача выполняющаяся ежедневно, ежечасно на наших глазах. Это задача количественного порядка, в решении которой техника СССР должна больше строить, больше производить, давая нашему обществу возможность больше потреблять.
Но развитие техники имеет и качественные изменения. Эти качественные изменения, отмеченные в предшествующих главах в основных областях техники: энергетике, машиностроении и производстве материалов, возникали в силу развития познания природы как в капиталистических, так и социалистических странах. Тем не менее существовало убеждение в несомненном и закономерном первенстве капиталистических стран в деле технического прогресса. Но, как говорится, молодое растет, а старое старится. Естественно и закономерно приходит такое соотношение молодости, зрелости и старости, когда молодое начинает обгонять старое не только по накоплению познаний и умения, но и по возникновению новых познаний, нового умения.
В этом отношении настоящее время является характерным для такого положения, когда СССР, выйдя на второе место по объему промышленной продукции, успешно догоняя капиталистические страны по душевому потреблению, начинает выходить на первое место по новым техническим достижениям, по новому качеству развивающейся техники социалистического государства.
С этой точки все отдельные проявления технических достижений СССР качественного порядка представляют интерес в том смысле, что они являются не случайными находками тех или иных одаренных ученых и инженеров, техников и изобретателей, а закономерными показателями зрелости нового общества, его выхода на принадлежащее ему по праву исторического развития первое место.
Поэтому целесообразно дать краткий перечень отдельных технических достижений, не связанных с собой целевыми и тематическими характер исти-
Фиг. 8—28. Синхрофазотрон на энергию 10 млрд, электрон-вольт.
452
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Фиг. 8—29. Сборка высокопроизводительного револьверного станка.
ками, проявляющихся в самых разнообразных областях техники, поскольку это разнообразие говорит за то, что возникновение этих достижений — не случайно.
Прежде всего следует остановиться на некоторых достижениях машиностроения в области техники, определяющей возможности ее прогресса. Один обозреватель в США, сопоставляя темпы развития советской и американской промышленности, писал, что в США выпускается больше автомобилей, но на каждый американский автомобиль в СССР выпускается три станка. Эти данные он справедливо объяснял тем, что не автомобили строят станки, а, наоборот, станки строят автомобили. Советское станкостроение добилось выдающихся успехов. Станки высокой производительности (фиг. 8—29), станки-гиганты (фиг. 8—30, 8—31, 8—32), станки высшего класса точности, станки с программным управлением и многие другие позволяют создавать уникальные машины.
Выше уже упоминалось одно из первых достижений—создание турбобура для бурения нефтяных скважин большой глубины. Лицензия на советский турбобур была приобретена США.
За два года (1956 и 1957 г.) достижения советской техники начали становиться все более и более частыми.
По проектам и под руководством советских ученых в нашей стране был сооружен синхрофазотрон — мощная установка для получения частиц высоких энергий до 10 миллиардов электрон-вольт. Диаметр кольцевого магнита синхрофазотрона (фиг. 8—28), для которого сооружено специальное здание, достигает почти 60 метров. Вес кольцевого электромагнита 36 000 тонн. Для питания этого гиганта необходима электрическая энергия
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
453
Фиг. 8—30. Гигантский карусельный станок КУ 1591 (высота 13 м).
мощностью 140 000 киловатт. Сооружение подобной установки под силу далеко не любому государству. Оно возможно лишь при наличии высокой технической культуры и крупной машиностроительной промышленности. Советский синхрофазотрон стал одним из научных объектов построенного в г. Дубне Московской обл. «Объединенного института ядерных исследований», созданного на основе Соглашения одиннадцати социалистических государств, принятого на Международном совещании в Москве в марте 1956 г.
Затем последовала серия достижений в области авиации. В этой области первенство в постройке и эксплуатации крупных многомоторных пассажирских самолетов принадлежало США и Англии. Однако наступала эра не
454
Г J1,A BA VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Фиг. 8—31. Станок-гигант 7288-Ф для фрезерования и расточной обработки крупных изделий.
только больших, но и скоростных самолетов. Естественно, что их начали строить в этих странах. Английский крупный реактивный самолет «Комету» преследовали несчастье за несчастьем. Погибла «Комета I», «Комета II», много неполадок было с «Кометой III», только «Комета IV» с весны 1960 г. выйдет на линию Лондон — Москва, где ТУ-104 курсирует с 1956 г. Французская «Каравелла» только в самое последнее время поставлена на линию. США. построившие множество реактивных бомбардировщиков, в области пассажирского самолетостроения еще не вышли на путь замены пропеллерных самолетов реактивными.
Поэтому появление в 1956 г. ТУ-104 как проверенного серийного самолета явилось решительным выходом СССР на передовое место в области авиационной техники. И это не случайно. Еще в предвоенные годы у нас проводились испытания самолетов, имевших, кроме основных поршневых двигателей, дополнительные воздушнореактивные. За «ТУ-104» (фиг. 8—33) последовали реактивные «ТУ-104, А» и «ТУ-104, Б», являющиеся самыми быстроходными пассажирскими самолетами дальнего радиуса.
Освоение в СССР мощных самолетных газовых турбин привело к выпуску ряда пассажирских турбовинтовых самолетов: «АН-10», «ИЛ-18» и самого крупного пассажирского турбовинтового самолета «ТУ-114». В ноябре 1959 г. советской авиацией были завоеваны новые мировые рекорды: самолет «201 М» поднял груз 55 тонн на высоту 13 км, самолет «103 М» с коммерческим грузом в 27 тонн достиг скорости свыше 1000 км{час. Большое достоинство новых самолетов, являющихся достижением мирового класса, состоите том, что при возможности поднимать одновременно 150—220 пассажиров и при высокой экономичности турбо-
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
455
Фиг. 8—32. Сборка громадного прокатного стана на Уральском заводе тяжелого машиностроения.
466
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
Фиг. 8—33. Скоростной реактивный пассажирский самолет ТУ-104. винтовых установок, эти самолеты снижают уровень стоимости проезда в них до уровня стоимости проезда по железной дороге, становясь тем самым широко доступным массовым и скоростным видом транспорта. Для нашей страны с ее громадной территорией этот транспорт является исключительно ценным и удобным.
Со стапелей советской судоверфи спущен на воду и вышел в плавание первый атомный ледокол «Ленин», о чем упоминалось в предшествующей главе (фиг. 8—34).
В СССР впервые осуществлена электростанция, работающая на газе от подземной газификации углей. Подземная газификация, выдвинутая впервые Д. И. Менделеевым, затем английским ученым Рамзаем и отмечавшаяся В. И. Лениным как громадное достижение, была реализована в СССР. В нашей стране пущена в эксплуатацию Шатская газотурбинная электростанция, топливо которой горит глубоко под землей в природных пластах и дает горючий газ, питающий турбины Шатской электростанции.
Великие речные водные пути нашей страны получили от советской техники ценные подарки. Сормовский судостроительный завод в г. Горьком выпустил самый мощный речной дизель-электроход «Ленин», мощность которого 2700 л.с. Реки зарубежных стран не знают таких мощных, быстрых и комфортабельных судов.
На Волге же получило свое первое рождение особое судно «Ракета» (фиг. 8—35), движущееся на подводных «крыльях», напоминающие самолетные, но меньшие по размерам в связи с разностью в плотности воздуха и воды. При быстром движении это быстроходное судно уже не «плывет», а под действием подъемной силы, действующей на крыло, корпус судна поднимается, при этом значительно уменьшается сопротивление — судно летит.
Большие высотные и скоростные достижения были показаны в полете новых советских высотноскоростных самолетов, движимых реактивным
« 2 РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
457
Фиг. S—34. Атомный ледокол «Лепин».
двигателем в стратосфере со скоростью, в несколько раз превосходящей скорость звука. В октябре 1959 г. на реактивном самолете «Е-66» была достигнута рекордная скорость полета свыше 2500 км!час.
Были также опубликованы и зафиксированы в качестве официального мирового рекорда достижения нового газотурбинного двухмоторного одновинтового советского вертолета-гиганта «МИ-6» (фиг. 8—36). Эта замечательная машина подняла груз в 12 000 кГ на высоту 2400 м, вдвое превзойдя американский рекорд на машинах этого класса. Двухвинтовой «летающий вагон» ЯК (фиг. 8—37) также держит мировой рекорд.
Особенно выдающимися оказались успехи советской техники в освоении межпланетного пространства.
Фиг. 8—35. Судно на подводных крыльях «Ракета».
458
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917г.
Фиг 8—36. Вертолет «МИ-6».
Фиг. 8—37. Вертолет «летающий вагон».
§ 2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
459
Сообщение ТАСС о запуске баллистической ракеты было встречено за границей с недоверием, поскольку, несмотря на большие усилия и еще большую рекламу в этой области, попытки запуска такой ракеты в США успеха не имели.
Неопровержимым доказательством нашего успеха в этой области явился запуск первого в мире искусственного спутника Земли. Спутник-1, летавший по своей орбите три месяца, весивший 83,6 кГ, посылавший радиосигналы и видимый невооруженным глазом, решительно опроверг миф об отставании советской науки и техники.
Когда же месяцем позднее был запущен Спутник-2 весом в 508,3 кГ, со сложной аппаратурой, подопытной собакой Лайкой, — преимущество Советского Союза в такой сложной области техники явилось совершенно неопровержимым. В мае 1959 г. третий советский спутник весом 1327 кГ отпраздновал свой юбилей — 5000 оборотов вокруг Земли.
Как писала английская газета «Дэйли Уоркер» запуск советских спутников Земли явился следствием трех причин, показанных образно на рисунке в виде трех ступеней мощной ракеты: плановая экономика, производственная база, система образования.
Последующая неудача с запуском широко разрекламированного американского спутника «Авангард» весом всего в 1,5 кГ, взорвавшегося на старте, явилась символической для нашего времени. Образно три ступени этой ракеты можно было бы назвать: анархия производства, влияние монополий, устаревшая система образования.
В январе 1958 г. в США выведен на орбиту спутник «Эксплорер», а в марте «Авангард», но оба эти спутника по весу, объему, размерам значительно уступают советским спутникам. В начале 1959 г. СССР поразил весь мир новым научно-техническим достижением — запуском первой космической ракеты, которая прошла по намеченной трассе и стала спутником Солнца, неся на себе вымпел с гербом Советского Союза. Вторая космическая ракета доставила вымпел с гербом Советского Союза на Луну, а третья — облетела вокруг Луны, сфотографировав невидимую с Земли часть Луны. Фотография Луны была передана на Землю по радио.
Можно констатировать на основе первых громадных достижений социалистического общества, что середина XX в., характерная развивающимся промышленным переворотом, вместе с тем характерна также переходом ключевых, передовых позиций в науке и технике от дряхлеющего капитализма к выросшему и окрепшему социализму.
КРАТКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.	Современная техника находится в кризисном состоянии, характерном для предстоящего перехода техники на качественно новый уровень научно-технического переворота.
2.	В энергетике кризис выразился в наступающем исчерпании естественных энергетических ресурсов нашей планеты. Возможности разрешения этого кризиса обращением к новым источникам энергии лимитируются уровнем машиностроения и наличными материалами.
3.	С пуском в СССР в 1954 г. первой в мире атомной электростанции возникает новая энергетика. Началось строительство атомных станций в СССР и в ряде других стран.
460
ГЛАВА VIII. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 1917 г.
4.	Высокая энергоемкость ядерного «горючего» придает ценные качества атомному транспорту. В СССР построен атомный ледокол «Ленин». В США построена атомная подводная лодка. Разрабатываются проекты атомных локомотивов, самолетов.
5.	Современная атомная энергетика характеризуется комбинацией из ядерного реактора, выделяющего теплоту, и теплового двигателя, преобразующего теплоту в механическую работу.
6.	Ведется большая работа в области освоения управляемых термоядерных реакций, которое совершенно освободит человечество от энергетических ограничений.
7.	Современная энергетика развивается быстрыми темпами. Вводятся в строй крупнейшие станции, возрастают мощности турбин и генераторов, используются высокие давления и температуры, чем достигается высокая экономичность работы станций.
8.	Темпы развития энергетики в СССР выше, чем в капиталистических странах. Перегнав все страны по выработке электроэнергии, кроме США, при существующих темпах развития энергетики в этих двух странах в период 1970—1975 гг. СССР в состоянии обогнать США по выработке электроэнергии.
9.	Возникает новое машиностроение. Первая характерная черта нового машиностроения состоит в сооружении комплексно-автоматизированных энергетических, транспортных и технологических машин, создании целых заводов-автоматов.
10.	Вторая характерная черта нового машиностроения — возникновение кибернетических машин, выполняющих логические функции.
11.	Возникает производство новых материалов. На основе каталитического синтеза осваиваются процессы полимеризации — управляемых цепных реакций, позволяющих получать у материала желаемые свойства.
12.	Возникает техника полупроводников.
13.	Возникает принципиальная возможность использования ядерных и полимерических процессов для получения материалов с наперед заданными свойствами.
14.	Развитие техники в СССР достигает зрелости и все чаще и чаще ознаменовывается достижениями мирового значения, обгоняя зарубежную технику капиталистических стран не только в количественном, но и в качественном отношениях.
15.	Особенные достижения в СССР относятся к области освоения космоса: запуск искусственных спутников Земли и космических ракет, явившиеся показателем начала перехода научного и технического первенства от лагеря империализма к лагерю социализма.
16.	Со второй половины XX в. развитие техники вошло в период промышленной революции как перехода техники на качественно новую ступень, обеспечивающую изобилие продуктов, соответствующее коммунистическому обществу.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ВЕЛИКОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
(1918— 1958)
Великой Октябрьской социалистической революцией начался новый период в истории общества. Новые общественные условия оказали огромнее влияние на развитие науки в нашей стране. Успехи отечественной науки в настоящее время поражают весь мир.
Империализм стремится использовать науку прежде всего в военных целях. Самым ужасным и самым опасным в развитии науки является ее милитаризация. Так, например, величайшее завоевание науки — освобождение ядерной энергии, было применено впервые в военных целях.
Известно также влияние «холодной войны» на развитие послевоенной науки и техники. Одним из результатов этого влияния является то, что в настоящий момент невозможно воссоздать полную картину научных достижений. Вместе с тем наука развивается столь стремительно, что изложение ее истории в послеоктябрьский период становится весьма трудной, если не невозможной задачей. В силу этого в настоящей главе мы ограничимся только кратким очерком развития советской науки в довоенный период, столь же кратким очерком развития атомной физики до открытия атомной энергии и, наконец, кратким очерком послевоенной физики. Основной фактический материал этой главы составляет содержание современных курсов общей и теоретической физики, к которым и отсылаем читателя за подробностями.
§ 1. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918—1940 гг.
Дореволюционная Россия дала немало замечательных физиков, обогативших своими открытиями мировую науку. Мы уже говорили об А. Г. Столетове, Д. И. Менделееве, П. Н. Лебедеве, Н. А. Умове, А. С. Попове, Б. Б Голицыне, В. А. Михельсоне, А. А. Эйхенвальде и многих других отечественных ученых, чьи работы содействовали прогрессу физической науки.
Александр Григорьевич Столетов родился 29 июля (10 августа по новому стилю) 1839 г. во Владимире в купеческой семье. Один из его старших братьев Николай был прославленным генералом, героем Шипки. Память его и поныне свято чтит болгарский народ. Сам Александр Григорьевич после окончания Владимирской гимназии поступил в Московский университет на математическое отделение физико-математического факуль-
462
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
Александр Григорьевич Столетов зависимости намагничивания от с
тета. Окончив в 1860 г. факультет одним из первых, он был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию. В 1862 г. он уезжает за границу, где работает у Магнуса в Берлине и в Гейдельберге у Кирхгофа. Кирхгоф высоко отзывался о способностях Столетова. С 1866 г. начинается научная и педагогическая работа Столетова в Московском университете, продолжавшаяся без перерыва до самой смерти, последовавшей 14 (26) мая 1896 г. В 1869 г. Столетов защитил магистерскую диссертацию «Общая задача электростатики и ее приведение к простейшему случаю». В 1872 г. он защищает докторскую диссертацию «Исследование о функции намагничения мягкого железа». Здесь Столетов разработал баллистический метод измерения магнитных свойств вещества на образцах, имеющих форму кольца. Он впервые обнаружил нелинейный характер поля («кривая Столетова»),Как пра-
вильно указывал Столетов, исследования магнитных свойств веществ имеют для электротехники такое же значение, как исследования упругости паров и газов для теплотехники.
В 1872 г. Столетов организовал при Московском университете физическую лабораторию и тем самым положил начало важнейшему делу подготовки научных кадров по физике в Московском университете. Из лаборатории Столетова вышел ряд выдающихся работ, он подготовил для русских университетов немало физиков. Р. А. Колли, П. А. Зилов, Н. Н. Шиллер и многие другие физики России вышли из школы Столетова. У Столетова начал свою научную деятельность в Москве Петр Николаевич Лебедев, ставший продолжателем его дела.
В 1881 г. Столетов участвует в работах 1-го Международного конгресса электриков в Париже. Он принимает активное участие в Комиссии единиц, в которую входили такие физики, как В. Томсон, Гельмгольц, Рэлей, Кирхгоф, Клаузиус, Беккерель, Липпман, Этвеш и другие. Именно Столетов отстоял имеющую важное научное значение систему CGS, сохранив обе ее ветви: электромагнитную и электростатическую, для того чтобы напоминать о той связи, какая существует между электричеством и светом. Принятие предложения Столетова при наличии крупных разногласий в вопросе о единицах между английской и немецкой делегациями свидетельствовало об уважении, которым пользовался Столетов среди зарубежных физиков. Его знали и уважали крупнейшие физики Европы: Максвелл, Джоуль, Рэлей, В. Томсон, Д. Д. Томсон, Стокс, Эндрюс и другие английские физики, Гельмгольц, Кирхгоф, Больцман, Камерлинг-Оннес, Маскар, Липпман и
§ 1. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918—1940 п-.
463
многие другие физики Германии, Австрии, Голландии, Франции. На втором конгрессе электриков его избирают вице-президентом физической секции.
Большим уважением пользовался Столетов и среди физиков России. Когда освободилась академическая вакансия по физике в Академии наук, то его кандидатура на эту вакансию была поддержана единодушно. Однако «августейший президент» академии отвел кандидатуру Столетова. Инцидент с академическими выборами Столетова был не первым и не последним. До Столетова не прошла кандидатура Менделеева, несмотря на гневные протесты русской научной общественности, причем в письменном протесте профессоров Московского университета принимал активное участие Столетов. Кандидатура знаменитого кристаллографа Е. С. Федорова (1853— 19'19) также была забаллотирована, и только позже в 1901 г. его избрали
Петр Николаевич Лебедев
адъюнктом. Однако условий для научной работы Федорову не создали,и он в знак протеста вышел из Академии.
Эти неприглядные отношения между Петербургской Академией наук и русской научной общественностью сложились не случайно. Они были отражением того печального положения, в котором находилась русская наука и культура в условиях самодержавия. Особенно тяжелое положение для физики создалось перед революцией в связи с разгромом Московского университета и преждевременной смертью Петра Николаевича Лебедева.
П. Н. Лебедев родился в Москве в 1866 г. Учился он в реальном училище и, по существовавшим в царской России законам, не имел права поступить в университет, как лицо, не имеющее законченного классического образования. Он поступил в Московское техническое училище, но скоро понял, что его истинное призвание — физика. Чтобы иметь возможность заниматься этой наукой, он уехал в Германию в Страсбург, где директором физического института был известный физик Август Кундт (1839— 1894). В Германии Лебедев закончил свою докторскую диссертацию, посвященную экспериментальной проверке формулы Клаузиуса—Моссоти для диэлектриков. Докторскую степень он получил в 1891 г. и в том же году по приглашению Столетова переехал в Москву, приняв должность лаборанта в лаборатории Столетова. Здесь он с головой уходит в научную работу. Его интересует проблема электромагнитной теории света. Приняв вывод Максвелла о том, что электромагнитное излучение создает отталкивательную силу давления, он производит расчет, какую роль играют отталкивательные силы во взаимодействии абсолютно черных тел макроскопических размеров, в частности во взаимодействии космических тел с Солнцем. По расчетам Лебедева, с уменьшением размеров тела роль отталкивательных
464
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
сил становится заметной по отношению к силам тяготения и, в частности, может объяснить отталкивание кометных хвостов от Солнца. Лебедев рассмотрел и общий случай взаимодействия двух шаров в космическом пространстве и показал, что два таких шара при 0° С, имея плотность 10 г/м3 и радиусы по 4 мм каждый, не будут ни притягиваться, ни отталкиваться, так как тяготение уравнивается силами светового давления. Отсюда Лебедев подходит к более общей проблеме: выяснение роли лучеиспускания в молекулярных силах.
Попутно Лебедев занялся повторением и развитием опытов Герца для ультракоротких электромагнитных волн. Уменьшая размеры вибратора, Лебедев получил рекордно короткие волны — 6 мм длиной. Эбонитовая призма для этих волн имела высоту 1,8 см, ширину 1,2 см и весила менее 2 г, тогда как вес призмы в опытах Герца достигал 600 кг. С этими волнами Лебедев наблюдал двойное преломление в кристаллической сере.
Классические исследования Лебедева в связи с этим носят название «О двойном преломлении лучей электрической силы» (1895 г.).
В течение ряда лет (первая часть работы была опубликована в 1894 г., последняя в 1897 г., полностью работа была опубликована в 1899 г. и составила предмет диссертации Лебедева на русскую степень доктора) Лебедев занимался проблемой действия волн на резонирующие системы. Эта проблема должна была, по замыслу Лебедева, уяснить природу молекулярных сил. Так как молекулы излучают электромагнитные волны, то они являются электромагнитными вибраторами и в качестве таковых оказывают механическое действие друг на друга. Изучение этого действия и составляет задачу исследования. В первой части исследования изучалось действие электромагнитных волн на резонирующую электромагнитную систему, причем выяснилось, что в зависимости от настройки резонаторов силы могут быть как притягательными, так и отталкивательными, достигая максимального значения вблизи резонансной частоты и переходя через нуль для этой частоты.
Во второй части изучалось действие гидродинамических волн на резонирующую систему, и результаты оказались аналогичными с электромагнитными резонаторами.
В последней части рассматривалось действие акустических волн. Если излучатель и резонатор таких волн находятся на близких расстояниях, то их взаимодействие совершенно аналогично взаимодействиям электромагнитных и гидродинамических вибраторов. Однако если волны плоские (излучатель удален на бесконечно большое расстояние от вибратора), то они производят только отталкивательное действие, достигающее максимума при резонансе. Лебедев показал, что подобное же явление должно иметь место и для электромагнитных волн при достаточном удалении резонатора от излучателя.
Теперь Лебедев перешел к измерению сил светового давления. Его классическая работа «Опытное исследование светового давления» была доложена в 1899 г. в Швейцарии, затем на Парижском конгрессе 1900 г. и опубликована в 1901 г. Она явилась не только опытным доказательством идеи Максвелла о световом давлении, но и по сути дела первой экспериментальной проверкой связи между массой и энергией (Е = тс2). Работа эта принесла Лебедеву мировую известность.
В 1909 г. Лебедев закончил «Опытные исследования давления света на газы» (опубликовано в 1910 г.). Что такое давление должно существовать, Лебедев видел из своих исследований действия волн на резонаторы: плоская
§ 1. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918 -1940 гг.
465
волна отталкивает вибраторы, каковыми являются молекулы. Чтобы обнаружить и измерить это давление, Лебедев преодолел колоссальные экспериментальные трудности (достаточно сказать, что опыт Лебедева не был до сих пор никем повторен). За это исследование Лебедев был избран почетным членом Лондонского Королевского общества. Затем Лебедев приступил к исследованию магнитных явлений, вызываемых вращением тел, надеясь таким путем найти ключ к решению проблем космического магнетизма. Но закончить эти интересные исследования ему не удалось. В 1911 г. в знак протеста против реакционных действий министра просвещения Кассо группа профессоров Московского университета ушла в отставку. Ушел и Лебедев со своими учениками. Это был большой удар для русской науки вообще и физики в особенности. С чувством огромной горечи писал Лебедев в одной из своих последних статей, посвященной памяти Ломоносова: «...надо было бы спросить тех, кто близко знает ломоносовские условия, в которые поставлены русские ученые исследования и с которыми должна бороться за свое существование русская ученая школа, чтобы поверить, какое число уже начатых интересных исследований, как и у Ломоносова, неожиданно обрывается, какое число людей с несомненными проблесками таланта гибнет благодаря им и для науки и для страны: числа эти ужасающие» (подч. Лебедевым).
Сам Лебедев не перенес разгрома университета. 1 (14) марта 1912 г. сердечная болезнь унесла его в могилу. «Волна Столыпинского «успокоения» докатилась до Московского университета и унесла Лебедева на вечный покой», — писал великий русский ученый К. А. Тимирязев в статье «Смерть Лебедева». Он указывал в этой статье на тяжелые последствия для русской науки и страны от этой потери:
«Успокоили Лебедева. Успокоили Московский университет. Успокоят русскую науку. И это в то время, когда цивилизованные народы уже сознают, что залог успеха в мировом состязании лежит не в золоте только и железе, даже не в одном труде пахаря в поле, рабочего в мастерской, но и в делающей этот труд плодотворным творческой мысли ученого в лаборатории».
Но это значит, что труд ученого, как и труд пахаря и рабочего, не мог быть плодотворным в ужасающих условиях самодержавия.
Как пахари и рабочие России, так и ее ученые нуждались в революции. Октябрь освободил русскую науку.
Лучшим доказательством благотворного влияния Октябрьской революции на науку является изумительный, кажущийся почти чудесным, размах научной работы в Советской России в самые тяжелые годы ее существования. А. К. Тимирязев в брошюре «Наука в Советской России за пять лет» писал:
«Прежде всего, казалось бы, что при том разорении, которое было вызвано четырехлетней войной, блокадой и опустошениями, произведенными с помощью «союзников» разнообразными «патриотами своего отечества» в ожесточеннейшей гражданской войне, нам едва-едва под силу поддержать те немногие научные институты и лаборатории, какие у нас были. Однако в первые же годы существования Советской республики, почти еще в полосе фронта гражданской войны — это в буквальном смысле относится к Петербургу — один за одним стали строиться новые научные ячейки, новые институты и лаборатории» 1.
1 А. К- Тимирязев, Наука в Советской России за пять лет, изд. «Красная новь», Главполитпросвет, М., 1922, стр. 4.
466
ГЛАВА IX РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г
В 1918 г. в Петрограде открылись оптический, рентгенологический и радиологический институты. В Москве в то же время начал работать институт биологической физики и ряд научно-технических лабораторий, в Нижнем Новгороде открылась знаменитая Нижегородская радиолаборатория, сыгравшая важную роль в развитии радиотехники и радиофизики в СССР. Молодая Советская власть с исключительным вниманием и заботой поддерживала новые учреждения. В годовщину основания оптического института (в 1919 г.) Д. С. Рождественский указывал, что это учреждение «открывает как для техники, так и для самого отвлеченного научного эксперимента такие возможности, о которых нам, университетским работникам, не приходилось и мечтать» Говоря о трудностях, встретившихся при создании института, Рождественский, между прочим, сказал:
«У нас не было в достаточном количестве необходимых приборов. Вследствие закрытия границ наш сотрудник проф. В. А. Анри не мог привести в Петроград все, что было заказано за границей. Но часть приборов мы создали собственными средствами, помогая своими еще не вполне организованными мастерскими не только своей работой, но и работой других ученых учреждений. Часть приборов ревностные и настойчивые сотрудники института разыскали в России. Все это мы могли осуществить только благодаря энергичной поддержке Комиссариата народного просвещения. Он пошел навстречу идее научно-технического учреждения не только большими, подчас выходящими из всякой нормы средствами, но и активным содействием, в котором фактическое осуществление ставилось всегда выше нормы, буква закона преступалась, если от этого выигрывало дело. Мы должны принести искреннюю благодарность Комиссариату за то, что он дал нам возможность в короткий срок увидеть воплощение дорогой для нас мысли» 1 2.
Хорошо известно указание В. И. Ленина об ассигновании сверхсметных средств в сумме 100 тысяч рублей золотом на поддержку Нижегородской лаборатории 3. При полной поддержке правительства активизировалась научная общественность. В 1919 г. была создана Ассоциация русских физиков. В 1920 г. Ассоциация созвала в Москве первый в истории русской физики съезд физиков. В нем приняло участие около 500 человек. В следующем 1921 г. съезд был созван в Киеве. Трудности сообщения сделали этот съезд сравнительно малочисленным: число участников составило 278 человек, докладов было 50. Третий съезд происходил в сентябре 1922 г. в Нижнем Новгороде, в нем приняло участие 239 человек из 22 городов. Несмотря на сравнительно небольшое число участников, на съезде было заслушано 95 докладов. В 1924 г. происходил четвертый съезд в Ленинграде, на котором было уже 628 участников и прочитано 173 доклада. На пятом съезде, происходившем в 1926 г. в Москве, было около 900 участников и заслушано 168 докладов.
Но не только цифрами характеризуется размах научной работы в молодой Советской республике. Гораздо важнее цифр тот исключительный энтузиазм, который отмечался всеми, кто соприкасался с научной жизнью Советской России. Вот, например, что говорил немецкий физик П. С. Эрен-фест в 1924 г. на IV съезде русских физиков:
«Впечатления о виденном у вас незабываемы. Никогда не забыть этой великой страны труда, — труда радостного и творческого. Я не знаю, где
1 Труды ГОИ т. I, вып. 6, ГИЗ, 1920, стр. 3.
2 Т а м же, стр. 4.
3 В И. Л е н и н, Сочинения, т. 33, Госполитиздат, 1950, стр. 323—325.
§ 1. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918—1940 гг.
467
еще так много работают во всех областях жизни, на всех поприщах труда, как в Советской России. И в каких условиях работают! Да, у нас в Лейденском университете тоже умеют работать, но разве можно сравнить условия, в которые поставлены иностранные ученые, не испытывающие никакой нужды в своих научных учреждениях и лабораториях, — с русскими. Там лаборатории поражают своей роскошью, а здесь — радостным творчеством.
В Советской России так много работают, что становится страшно. Не надорвутся ли эти люди? И двигает их высокий мотив труда и творчества. Ведь не цели же наживы они преследуют!?
Я бесконечно поражаюсь русской молодежи. Какая жажда, бескорыстная жажда знаний. Юноши без обуви и не заботясь об одежде, рвутся к родникам
знания. Я верю, что если народится новый Менделеев, то он выйдет из стен русского университета»
Было бы, однако, неправильно думать, что все ученые Советской республики сразу и безоговорочно стали на путь поддержки Советской власти, на путь честной и бескорыстной работы. История первых лет советской науки знает и ожесточенную классовую борьбу и саботаж со стороны реакционной профессуры. Но не это было главное. Главное было в том, что русская наука, как бы получив извне мощный импульс, быстро пошла вперед,несмотря на все препятствия. Фундамент современной могучей советской науки был прочно заложен в эти трудные незабываемые годы.
Перейдем к конкретным достижениям советской физики за первый десятилетний период ее существования. Как говорилось выше, уже в первый год после Октябрьской революции в республике образовались три новых центра физической науки: два в Петрограде и один в Москве. В Петрограде таким центром были оптический институт, руководимый Д. С. Рождественским и физико-технический отдел Рентгеновского института, руководимый А. Ф. Иоффе, в Москве — институт биологической физики, руководимый П. П. Лазаревым. Принцип научных школ, настойчиво выдвигаемый П. Н. Лебедевым, после Октября получил полное признание среди советских физиков, и коллективы физиков, руководимые Д. С. Рождественским, А. Ф. Иоффе, П. П. Лазаревым, развернули интенсивную и плодотворную работу.
Какие задачи стояли перед физикой в 1917—1926 гг.? Это, конечно, прежде всего проблема атома. После успешного решения Бором задачи о водородном атоме на очередь стала задача изучения электронных оболочек сложных атомов. Эту задачу с успехом решал оптический институт и физико-
1	В. Д. Кузнецов, Физика в СССР за десять лет, Речь на торжественном заседании секции научных работников при Томском Окпросе 9 ноября 1927 г., Газета «Красное знамя* № 274, 1 декабря 1927 г.
468
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
технический отдел рентгеновского института. Д. С. Рождественскому удалось нащупать правильный подход к изучению спектров щелочных металлов, он открыл водородно-подобный характер внешних орбит валентного электрона и выдвинул замечательную идею о происхождении дублетов и триплетов спектральных линий: «дублеты и триплеты спектральных линий получаются вследствие воздействия электронов атома друг на друга магнитными силами»
Именно идея такого рода привела в 1925 г. Юленбека и Гаудсмита к открытию спина электрона, этого важнейшего свойства элементарных частиц. Теоретики (Ю. А. Крутков и др.) разрабатывали старый вариант квантовой теории, в частности теорию адиабатических инвариантов. Но уже ясно ощущался кризис этой теории. Рождественский в 1919 г. предчувствует, что квантовые условия «представляют из себя неизвестное пока для нас общее свойство атомов и только атомов» 2. Пока же «наше непонимание мы прикрываем непонятными квантовыми условиями» ®. Должна была быть создана такая теория, в которой квантование явилось бы общим, естественным свойством микрочастиц. На IV съезде физиков О. Д. Хвольсон во вступительной речи выразил надежду, что скоро явится тот Ньютон, который даст долгожданный синтез корпускулярных и волновых представлений в оптике. На этом же съезде А. Ф. Иоффе доложил о классических опытах, проведенных им вместе с Н. И. Добронравовым, красноречиво вскрывающих квантовую природу излучения. Эти опыты ныне вошли во все учебники. Поэтому вполне естественно, что идеи новой квантовой механики Гейзенберга—Шредингера—Дирака (1925—1928) быстро были подхвачены советскими теоретиками, которые со своей стороны способствовали развитию новой теории. Достаточно указать на метод вторичного квантования В. А. Фока, предложенный им для расчета многоэлектронных атомов. Советская физика в первый период своего развития оказалась вполне подготовленной для решения сложных экспериментальных и теоретических задач атомной физики.
Также смело и решительно заявила она о себе и в связи с другой сложной теоретической системой современности: общей теорией относительности. А. А. Фридман в 1922—1923 гг. существенно дополнил и исправил выводы Эйнштейна, заменив его статическую картину замкнутого мира с постоянной кривизной, кинематикой пространства переменной кривизны. И. Е. Тамм разрабатывал релятивистскую электродинамику изотропных и кристаллических сред, Г. А. Гринберг написал релятивистские уравнения гидродинамики.
Следует отметить, что двадцатые годы были годами широкого обсуждения философских проблем теории относительности. Передовая марксистская философская мысль дала отпор мутному потоку идеалистической литературы, тем, кто по выражению Ленина, хотел «уцепиться за Эйнштейна» в классовых интересах реакционной буржуазии.
Проблема атомного ядра изучалась в радиевом институте. Здесь следует указать на работу Л. В. Мысовского, начавшего исследования космических лучей под водой Ладожского озера и разработавшего замечательный метод исследования ядерных реакций с помощью толстослойных фотографических пластинок. Уже в 1926 г. на V съезде физиков Л. В. Мысовский докладывал (совместно с П. И. Чижовым) об изучении рассеяния альфа-
1	Труды ГОИ, т. I, вып. 6, ГИЗ, 1920, стр. 82.
2	Т а м же, стр. 17.
3	Там же, стр. 31.
§ 1. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918—1940 гг.
469
частиц в специальных мелкозернистых толстослойных пластинках. «При наблюдении следов альфа-частиц в таких пластинках удалось заметить характерные черты прохождения альфа-частиц через материю, наблюдавшихся ранее в менее резкой форме лишь в камере Вильсона» Е Доклад заканчивался утверждением, что «изучение следов альфа-частиц может дать новый метод для исследования различных свойств альфа-частиц» 1 2. Общеизвестно, какие услуги оказывает сегодня ядерной физике метод, впервые примененный Л. В. Мысовским и П. И. Чижовым. Что касается космических лучей, то измерения Мысовского и его сотрудников в 1925 г. дали коэффициент поглощения в воде в 5—7 раз меньший (2 • 10 3), чем для гамма-лучей (3—4 • 102), и тем самым поколебали выдвинутую Милликеном гипотезу о том,что космическое излучение представляетсобой жесткое коротковолновое излучение. В 1927 г. Д. В. Скобельцын впервые обнаружил с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, заряженные частицы высоких энергий, входящие в состав космического излучения.
Современная наука и техника немыслима без электроники. Электроника образует существенную основу переживаемой нами научно-технической революции. Первые годы советской физики отмечаются широким интересом к проблемам электроники и чудесному прибору, преобразовавшему весь физический эксперимент: электронной или, как тогда говорили, катодной лампе. Ей были посвящены специальные курсы в университетах, статьи и книги русских и зарубежных авторов. Великолепным теоретическим достижением электронной физики этого периода явилась работа безвременно скончавшегося физика Московского университета Сергея Анатольевича Богуславского «Пути электронов в электромагнитных полях», законченная им в 1921 г. (предисловие написано 31 января 1922 г.), но изданная, к сожалению, только в 1929 г. Результаты Богуславского не потеряли значения и по настоящее время для расчета магнетронов и других электронных приборов.
Существенные результаты в области исследования механизма электропроводности газов и твердых тел были получены в Ленинградском физико-техническом институте в работах Н. Н. Семенова, А. Ф. Иоффе и их сотрудников. Особенно следует отметить обширные исследования по фотоэффекту П. И. Лукирского и его сотрудников, а также работы самого А. Ф. Иоффе, положившие начало исследованиям полупроводников.
Наиболее актуальной была проблема применения электронных ламп в радиотехнике. Во время первой мировой войны произошла перестройка радиотелеграфии и переход ее с искровой на электронную технику. Работа велась по условиям военного времени в обстановке секретности, и в блокированной Советской республике надо было самостоятельно решать вопрос о переводе радиотехники на новую базу. Эта задача была решена Нижегородской радиолабораторией. Нижегородская радиолаборатория была основана в 1918 г. На третьем съезде физиков, происходившем в Нижнем Новгороде 17—21 сентября 1922 г., проф. В. К. Лебединский сделал обзорный доклад о деятельности лаборатории, из которого мы заимствуем приводимые ниже сведения.
«В виду крайней важности для того времени изготовления катодного реле как для усилителей, так и для гетеродинного приема, радиолабораторией, при первых зачатках ее общего оборудования, было устроено
1 V съезд русских физиков, Перечень докладов, ГИЗ, 1926, стр. 7.
! Там же, стр. 8.
470
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
временное помещение для стеклодувной и вакуум-мастерской, и 15 марта 1919 г. было выпущено первое катодное реле типа, разработанного М. А. Бонч-Бруевичем».
«В том же году была пущена в ход 3-киловаттная машина высокой частоты В. П. Вологдина и начались опыты по радиотелефонии. Тогда же началась постройка ламповых генераторов незатухающих колебаний Бонч-Бруевича, с которыми в декабре были проведены первые опыты радиотелефонной передачи Москва—Нижний...»
«Все эти начинания к настоящему времени значительно подвинуты вперед. Усилительных ламп выпущено около 5000 штук, и изготовление их приближается к заводскому. Катодные генераторы изготовлены в нескольких стах экземплярах. Ими оборудована новая мощная (ок. 10 кв) отправитель-ная радиостанция в Москве, с ними произведены опыты по радиотелефонии на расстоянии в тысячи километров. Машина высокой частоты мощностью в 50 кв (20 000 пер. в сек.) пущена в ход; приступлено к сооружению такой же машины в 150 кв. Кроме того, проф. Вологдиным в 1926 г. разработан тип ртутного выпрямителя, столь важного в радиотехнике настоящего времени, и трансформатор частоты оригинальной конструкции, оба изготовленные мастерскими РЛ».
«С 1921 г. в РЛ разрабатывается быстродействующая радиопередача на пишущих приборах Бодо и Витстона по схеме А. Ф. Шорина. Работа уже закончена,и РЛ переходит к аппарату Сименса. В то же время А Ф. Шорин производит удачные опыты телеграфирования по проводам токами большой частоты (Владимир — Нижний) и конструирует аппарат управления 16-ю механизмами на расстоянии (по проводам или радио)».
...Молодым сотрудником нашим О. В. Лосевым было близко изучено интересное свойство кристаллического детектора генерировать незатухающие колебания. Наконец, можно упомянуть, что в ближайшее время предвидится окончание разработки громкоговорящего телефона, радиотелескопа и мощного генератора незатухающих колебаний ультрарадиочастоты (Бонч-Бруевич)» *.
По поводу двух последних абзацев следует заметить, что лабораторией, а также физиками Москвы было сделано в эти годы великое государственное дело. Телеграфная связь после войны находилась в ужасном состоянии. Линии, находившиеся в более или менее сносном состоянии, должны были быть использованы до отказа, чтобы обеспечить необходимую связь. Поэтому был применен смелый опыт повышения пропускной способности линии путем передачи высокочастотных сигналов. Так возникла своеобразная новая техника радиотелеграфия... по проводам.
Что же касается опытов Лосева, то все их значение выяснилось только в наше время. Это был первый транзистор.
Радиолаборатория издавала журнал «Телеграфия и телефония без проводов», сыгравший важную роль в развитии радиофизики в России. Постановлением ВЦИК от 19/Х 1922 г. Нижегородская радиолаборатория награждена орденом Трудового Красного Знамени и особо были отмечены заслуги проф. Вологдина, Бонч-Бруевича и инженера Шорина. На съезде с докладами от лаборатории выступали, кроме В. К. Лебединского, Д. А. Рожанский, В. П. Вологдин и другие.
1 Труды третьего съезда Российской ассоциации физиков в Нижнем Новгороде, Нижний Новгород, Типография Нижегородской лаборатории, 1923, стр. 8—9.
§ 1. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918 — 1940 гг.
471
Замечательной чертой съезда было внимание, уделенное ультракоротким волнам и микроволнам. Так А. И. Данилевский сообщил о генераторе метровых волн с пентодом, построенным в 1921 г. Нижегородской лабораторией и сконструированным докладчиком. Пентод генерировал волны от 5 до 2 ж, а в измененной схеме — до 20 см. Значительным событием был доклад А. А. Глаголевой-Аркадьевой о генерировании наиболее коротких электромагнитных волн методом массового излучателя. Глаголевой-Аркадьевой удалось перекрыть область между герцовыми и инфракрасными лучами. Другим методом наиболее короткие электромагнитные волны были получены М. А. Левицкой.
Таким образом, молодая советская радиофизика не только с успехом решала насущные задачи дня, но и прокладывала пути в будущее, к технике ультравысоких частот, полупроводников и фотоэлементов.
С большой активностью советские физики начали изучение свойств твердых тел: механических, электрических, магнитных. Электрическая теория кристаллической решетки разрабатывалась теоретически Я. И. Френкелем. Открытый Лауэ, отцом и сыном Брэггами и русским физиком Г. В. Вульфом метод рентгеноструктурного анализа стал широко разрабатываться русскими физиками Г. В. Вульфом, Г. В. Курдюмовым, М. И. Корсунским и другими. Большой интерес вызвали работы А. Ф. Иоффе и его сотрудников по изучению механических и электрических свойств кристаллов. Опыты по измерению механической прочности кристаллов каменной соли получили мировую известность. Мы уже говорили об изучении электропроводности диэлектриков, положивших начало физики полупроводников.
Обширные исследования твердого тела, продолжающиеся и до настоящего времени,велись в Томске под руководством профессора В. Д. Кузнецова. Эта область физики была одной из первых, получившая широкое применение. Металлографический и рентгеноструктурный анализ вошли в практику заводских лабораторий.
Связь физики с техникой была характерна и для работ Оптического института. Россия не имела собственной оптической промышленности, и даже театральные бинокли импортировались из-за границы. В Оптическом институте плодотворно сочетались глубокие теоретические исследования (Д. С. Рождественский, Ю. А. Крутков, В. А. Фок, И. В. Обреимов, А. Н. Теренин и др.) с исследованиями, имеющими важное практическое значение. Работы А. Н. Тудоровского, В. С. Игнатовского, Г. Г. Слюсарева по расчету оптических систем, И. В. Гребенщикова по оптическому стеклу, А. А. Лебедева по отжигу стекла дали замечательные результаты. Советская наука и промышленность получили свою первоклассную оптику.
С большим энтузиазмом велась работа и в Москве, в институте биологической физики (П. П. Лазарев), в Московском университете, в Государственном электротехническом институте. Биофизические исследования П.П. Лазарева и его учеников, работы по магнетизму В. К. Аркадьева и его учеников, фотохимические исследования С. И. Вавилова, А. С. Предводителева, В. Л. Левшина, исследования по молекулярной физике Б. В. Ильина, В. С. Семенченко, П. А. Ребиндера, исследования С. Н. Ржевкина, И. Н. Андреева, исследования по электронике и радиофизике (В. И. Романов, Н. А. Капцов), геофизические исследования (в особенности исследования курской магнитной аномалии) Г. А. Гамбурцева и В. В. Шулейкина и многое другое характеризует научную атмосферу Москвы. С 1925 г. начал работу в Московском университете Л. И. Мандельштам, вокруг которого сгруппиро
М7
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
валась большая школа молодых теоретиков: И. Е. Тамм, М. А. Леонтович, А. А. Андронов, С. Э. Хайкин и др.
Невозможно обрисовать со сколько-нибудь достаточной полнотой достижения советской физики за первый период ее существования. Однако совершенно ясно и четко вырисовываются ее основные черты. Советская физика становится наукой сплошного фронта, охватывающей все проблемы физики от сложных теорией атома до процессов в живом организме. Атомная физика, теоретическая физика, акустика, оптика, твердое тело, магнетизм, молекулярная физика, теплофизика, электроника, радиофизика, геофизика, биофизика и все многообразные отрасли физического знания разрабатываются в той или иной степени в советской физике в первое же десятилетие ее существования.
Второй особенностью советской физики является ее стремление связаться с жизнью, с практикой. Научно-исследовательская работа идет не только в университетах и чисто научных учреждениях. Она идет и в научно-технических институтах и непосредственно в заводских лабораториях. Связь науки и техники становится девизом дня.
В том же направлении шла перестройка преподавания в высшей школе; организация физико-механического факультета в Ленинградском политехническом институте, практических уклонов в Московском университете имеют целью всемерное сближение науки с практикой.
Третья особенность советской физики — ее демократический характер, выход за стены узких академических учреждений. Характерно, что академия наук, на которой особенно тяжело сказалась кастовость и влияние правящей дворянской верхушки, в первые годы не принимала активного участия в процессе бурного развития советской науки. «Старое недоверие университетских кругов к Академии выразилось довольно отчетливо в первые годы революции», — писал С. И. Вавилов. Однако празднование двухсотлетия Академии наук в 1925 г. уже показало возросший авторитет Академии наук в научной общественности и послужило началом последующего развития Академии наук в высший научный центр страны. Демократический характер советской науки выражался в огромном размахе популяризаторской работы, в организации публичных лекций, рабочих университетов, в выпуске научно-популярных книг. Несмотря на исключительно напряженное положение с бумагой и полиграфической базой, за эти годы было выпущено большое количество отечественной и переводной научно-популярной литературы по физике.
С 1918 г. в Москве начал выходить журнал «Успехи физических наук», систематически знакомящий читателей с важнейшими результатами физики в виде обзорных и оригинальных статей как отечественных, так и зарубежных авторов.
Годы предвоенных пятилеток социалистического строительства были не только годами дальнейшего развития советской науки, но и годами ее первого боевого испытания как социалистической науки, науки нового типа. Перед советской наукой встала задача: активно включиться в процесс социалистического переустройства страны, перестроить всю работу на новых началах, подчинить развитие науки единому народнохозяйственному плану. Перед партией стояла задача убедить деятелей науки в необходимости такого пути ее развития, сломить сопротивление консерваторов и реакционеров, вовлечь в провесе научного творчества советскую молодежь. Надо было создать новые кадры специалистов социалистической формации. Лозунг
§ 1. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918—1940 гг.	473
партии «Большевики должны овладеть техникой» нашел горячий отклик среди партийной и комсомольской молодежи. Прием в 1928—1929 гг. в университеты парттысячников и профтысячников, учреждение института выдвиженцев из рабочих и крестьян для поступления в аспирантуру, реорганизация рабфаков в направлении приближения их выпускников к будущей специальности, постановление СНК РСФСР 8 июня 1931 г. «Об организации в республике новых университетов» и, наконец, постановление ЦИК СССР от 19 сентября 1932 г. «Об учебных программах и режиме в высшей школе и техникумах» — вот те меры, с помощью которых решалась поставленная партией задача. Итоги этой работы можно видеть на примере Московского университета. Если в 1928 г. рабоче-крестьянская прослойка среди студентов МГУ составляла 41,5%, то в 1932 г. она составила уже 73,7%. Если в 1928 г. число членов партии и комсомольцев составляло 46,2%, то в 1932 г. оно было уже 68,8%. В 1930 г. в МГУ было 114 аспирантов, в 1932—410, из них 67% рабочих и крестьян.
Вскоре в науку вошли молодые кадры. Одной из первых кандидатских диссертаций по физике, защищенных в МГУ в конце 1933 г. начале 1934 г., была диссертация аспиранта Д. И. Блохинцева, посвященная вопросам теории металла. Диссертанту была присуждена степень доктора. Ныне Д. II. Блохинцев — лауреат Ленинской премии, один из создателей первой в мире атомной электростанции, руководитель объединенного международного института ядерных исследований в Дубне.
В годы первых пятилеток шло интенсивное строительство новых научных центров. В Харькове в 1929—1930 гг. был организован Украинский физико-технический институт, перьым руководителем которого был И. В. Об-реимов. В Свердловске в 1931 г. был организован Уральский физико-технический институт (первый руководитель Я. Г. Дорфман); в 1930 г. был организован Сибирский физико-технический институт (руководитель В. Д. Кузнецов) в Томске; в 1931 г. в Горьком был организован физико-технический институт, главным направлением которого стала разработка теории колебаний под руководством А. А. Андронова. Были созданы физические институты и в ряде союзных республик.
Меняется и общая организационная структура советской науки. Ее центром становится реорганизованная и усиленная Академия наук СССР. В 1934 г. Академия наук переезжает в Москву. Здесь в системе Академии наук организуются два физических института: физический институт имени П. И. Лебедева, руководимый С. И. В а в и л о в ы м, и институт физических проблем, руководимый П. Л. Капицей. Ленинградский физико-технический институт был реорганизован в 1930 г. в три института: физико-технический (руководитель А. Ф. Иоффе), электрофизический (руководитель А. А. Чернышов) и институт химической физики (руководитель Н. Н. Семенов).
Академическая физика получила за эти годы новое пополнение. Если в первом десятилетии она была представлена А. Ф. Иоффе и И И. Лазаревым, ведущими свою работу вне Академии, то теперь ее кадры непрерывно расширяются и вместе с тем центр физической науки в СССР перемещается в Академию. В 1929 г. в Академию наук избирается Л. И. М а н д е л ь ш т а м (1879—1944), Д. С. Рождественский (1876—1940), В. Ф. Мит-к е в и ч, в 1932 г. в Академию избирается С. И. Вавилов (1891—1951), в 1939 г. академиками избираются И. Л. К а п и ц а, В. А. Ф о к, Н Д. П а-палекси, В. П. Линник, А. И. Алиханов, И. В. Курчатов,
474	ГЛАВ А IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
Сергей Иванович Вавилов
А. А. Лебедев, Б. А. Введенский. С. И. Вавилов назвал эти годы переломными в Академии наук.
«В XX веке, — писал С. И. Вавилов, — академическая наука, в том числе физика, начала явно уступать в качественном отношении таким научным центрам, как лаборатории П. Н. Лебедева, Д. С. Рождественского, А. Ф. Иоффе, П. П. Лазарева. В первое революционное десятилетие это отставание уровня академической физики по сравнению с внеакаде-мической становилось все более резким. Вместе с тем начинается и следующая фаза этого сложного, поистине диалектического процесса развития нашей науки. Внеакаде-мическая наука постепенно проникает в Академию, сначала в форме специальных конференций и совещаний всесоюзного значения, на которых Академия играет руководящую и организаторскую в частности сильно увеличивается число
роль. Состав Академии растет, академиков-физиков за счет академических учреждений и очень большое конкретное влияние в научной жизни Академии приобретают ее многочисленные члены-корреспонденты. Наконец, внеакадемические институты, занимающиеся исследованием широких принципиальных вопросов, переходят в Академию. Таков, например, переход Ленинградского физико-технического института, руководимый А. Ф. Иоффе» *.
Эта характеристика диалектического перехода советской науки к единому руководящему центру в Академии наук иллюстрируется данными о съездах и конференциях по физике в этот период. Шестой съезд советских физиков проходил в Москве и приволжских городах Горьком, Казани, Саратове в августе 1928 г. Летом 1930 г в Одессе проходил VII съезд. Взамен съездов появляются конференции по отдельным проблемам физики. В 1929 г. Харьковский физико-технический институт созывает первую всесоюзную конференцию по теоретической физике, в 1931 г. созывается первая всесоюзная конференция по физике колебаний, за ней следуют конференции по другим разделам физики: по полупроводникам, магнетизму, спектроскопии, люминесценции, фотографическим процессам, созывавшиеся в различных городах Советского Союза. В 1933 г. в Ленинграде состоялась первая конференция по физике атомного ядра. С 1937 г. такие конференции созываются каждую осень. Последняя, 5-я конференция по физике ядра состоялась в Москве 20—26 ноября 1940 г. 6-я конференция,
1 Очерки по истории Академии наук, Физико-математические науки, 1945, стр. 24—25.
§ I. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918—1940 гг.
475
назначенная на осень 1941 г., не со
Леонид Исаакович Мандельштам
стоялась, нормальное развитие советской науки было прервано войной с фашистскими захватчиками.
Во всех этих конференциях организационная и руководящая роль принадлежала Академии наук. Академия наук СССР становится штабом советской науки. В этом отношении показательна мартовская сессия Академии наук 1936 г'., посвященная физике и плану работ Академии на 1936 г. В обсуждении докладов А. Ф. Иоффе, Д. С. Рождественского, С. И. Вавилова и Г. М. Кржижановского приняли участие ученые и техники представители всех научных и технических учреждений Советского Союза.
Мы остановимся только на некоторых наиболее существенных результатах, достигнутых советскими физиками в период 1928—1941 гг.
До начала тридцатых годов советская физика обогатилась такими
фундаментальными исследованиями, как комбинационное рассеяние света, открытое одновременно Мандельштамом и Ландсбергом в Москве и Раманом в Калькутте. В 1928 г. Л. И. Мандельштамом была разработана интересная теория этого явления, основанная на идеях радиотехники. В эти же годы А. А. Андронов и другие ученики академика Мандельштама начали разработку нового направления физики колебаний: физики нелинейных колебаний, играющей исключительно важную роль в современной радиотехнике и теории автоматического регулирования. В 1928—1929 гг. Д. В.Скобельцын применил к исследованию космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле, и обнаружил следы заряженных частиц большой энергии. Метод Скобельцына оказался исключительно ценным и привел в 1932 г. к открытию новой частицы — позитрона — американским физиком Андерсоном, а в 1937 г. — к открытию мезона тем же Андерсоном и Неддермейером.
В том же 1928 г. А. Н. Теренин и Л. И. Добрецов, сотрудники Д. С. Рождественского, открывают сверхтонкую структру линий натрия. В последующих теоретических работах С. Э. Фриша и других выяснилось, что эта гонкая структура обязана своим происхождением взаимодействию излучающего электрона с магнитным моментом ядра. Так началось изучение новой важной характеристики ядра: его механического и магнитного момента.
В том же 1928 г. важные успехи были достигнуты в теории магнетизма. Я. И. Френкель, Я- Г. Дорфман объясняли ферромагнетизм как результат взаимодействия магнитных моментов электронов. Н. С. Акулов открытием закона магнитной анизотропии пролил свет на происхождение кривой намагничения, впервые полученной Столетовым, и петли гистерезиса.
Больших успехов добились советские теоретики. Квантовая теория электропроводности и теория магнетизма Я. И. Френкеля, метод вторичного
Hi
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
Игорь Евгеньевич Тамм
П. А. Черенков
Илья Михайлович Франк
квантования В. А. Фока, работы Л. Д. Ландау, Д. Д. Иваненко,И. Е. Тамма и других советских теоретиков дали богатый материал для первой конференции по теоретической физике, созванной в Харькове в 1929 г. Центральной проблемой конференции была дискуссия релятивистского квантового уравнения электрона, положившая начало современной квантовой электродинамике.
Наряду с этим обсуждались проблемы общей теории относительности и единой теории поля. Через два года состоялась вторая конференция по теоретической физике, на которой обсуждались проблемы теории магнетизма, теории металлов и теории полупроводников. Следует отметить, что в 1930 г. И. В. и Б. В. Курчатовыми было открыто важное свойство сегнетовой соли, которая оказалась в отношении электри ческих свойств аналогом ферромагнетикам. На Первой всесоюзной конференции по колебаниям, происходившей в 1933 г., в центре внимания были проблемы теории нелинейных колебаний, автоколебаний, параметрического резонанса, разрабатываемых Л. И. Мандельштамом, И. Д. Па-палекси, А. А. Андроновым и другими. В разработке этих проблем советская физика заняла ведущее место в мировой науке.
В том же 1933 г. состоялась первая конференция по ядерной физике. В работе конференции приняли участие выдающиеся иностранные ученые Ф. Жолио-Кюри, П. Дирак и другие. В центре внимания конференции были новые открытия в ядерной физике: открытие позитрона и нейтрона, новая теория строения атомного ядра, предложенная Д. Д. Иваненко в СССР и В. Гейзенбергом в Германии.
В следующем, 1934 г..состоялась третья конференция по теоретической физике, в которой принял участие известный датский физик Н. Бор. В центре внимания были проблемы теории ядер-ных сил. Важные результаты были получены И. Е. Таммом, Д.Д. Иваненко и другими, показавшими, что ядерное взаимодействие может быть объяснено с помощью обмена частицами между нуклонами, образующими ядро. Вместе с тем И. Е. Тамм показал, что известные тогда частицы электрон и нейтрино не могут объяснить количественно ядерные взаимодействия, так как дают силы порядка в 1010 раз меньших фактически наблюдаемых.
Этот расчет побудил японского физика Юкава высказать в 1935 г. важную гипотезу
§ 1. СОВЕТСКАЯ ФИЗИКА В ПЕРИОД 1918—1940 гг.
477
о существовании неизвестных частиц с массой промежуточной между массой протона и электрона.
В том же, 1935 г. в лаборатории академика Вавилова, его аспирантом П. А. Черенковым было сделано выдающееся открытие нового вида излучения, возникающего при движении быстрых электронов в среде. Это «свечение Вавилова-—Черенкова» было теоретически объяснено И. Е. Таммом и И. М. Франком. Оно играет важную роль в современной ядерной физике. С по-мощью«счетчиков Черенкова» были открыты новые частицы — антипротоны. В 1958 г. П. А. Черенкову, И. Е. Тамму и И М. Франку была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие и исследование этого свечения
В 1937 г. Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси разрабатывают новый радио-интерференционный метод определения расстояний.
В 1938 г. П. Л. Капица открывает сверхтекучесть жидкого гелия. Теорию явления перехода жидкого гелия в новое сверхтекучее состояние разработал Л. Д. Ландау. В конце 1938 г. в мировой физике совершается важное событие: открыто расщепление урана (О. Ган, Штрассман, Л. Мейтнер).
Вопрос о расщеплении урана обсуждается на конференции по ядерной физике 1939 г. Теория этого нового явления была дана советским физиком Я- И. Френкелем, а также Бором и Уиллером. Обсуждается вопрос о возможности цепной реакции. В 1940 г. советские физики Флеров и Петр-жак открывают спонтанный распад урана. На совещании по ядерной физике 20—26 ноября 1940 г. в Москве было заслушано свыше 40 докладов по вопросу о природе мезона, о взаимодействии быстрых электронов и жестких фотонов с веществом, о ядерной изомерии, открытой в 1935 г. И. В. Курчатовым, Л. В. Мысовским и Л. И. Русановым, о расщеплении урана и взаимодействии нейтронов с веществом, о ядерных реакциях внутри звезд, с применении радиоактивных изотопов и технике ускорителей. С большим докладом о возможности осуществления цепной реакции выступил И. В. Курчатов. Материалы совещания показывают, что советская физика стояла на правильном пути в области получения и использования атомной энергии в мирных целях. Советские физики приступили как к работе над получением цепной реакции, так и к работе над получением радиоактивных изотопов Известный советский физик Н. Добротин в статье, посвященной итогам конференции, писал:
«Подводя итоги работ совещания, следует подчеркнуть, что совещание со всей наглядностью показало, какой большой шаг по пути к лидерству в мировой науке сделала советская ядерная физика за истекшие годы. В то время как в капиталистической Европе научная работа в теоретических областях резко сокращена, в Советском Союзе, наоборот, ядерная физика развивается все более быстрыми темпами. Многие из работ, доложенных на совещании, свидетельствуют о ярком успехе советских ученых. Проводимая сейчас реконструкция экспериментальной базы нашей ядерной физики — постройка новых установок для создания мощных пучков частиц с очень большими энергиями — даст нашим ученым возможность для того, чтобы уже в ближайшие годы занять ведущее место в мировой науке» С
Через три месяца после того как были опубликованы эти строки,мирное развитие советской науки было прервано войной.
Война изменила весь нормальный строй жизни и работы советских людей, перед которыми встала одна задача: отстоять Родину от фашистских
1 Н. Добротин, Совещание по физике атомного ядра, ПЗМ, 1941, № 2, стр. 140.
16 II. С. Кудрявцев
478	ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г
захватчиков, разгромить врага. Этой задаче была подчинена и деятельность советских ученых. «За годы войны, — писал С. И. Вавилов, — этой (т. е. советской. —П. К.) науке пришлось выдержать вдвойне трудное испытание. Перед наукой возникли совершенно новые, иногда очень сложные, правда, разнообразные задачи, в срочном порядке выдвигавшиеся фронтом, военной промышленностью и тылом. Вместе с тем работать пришлось в необычных, иногда очень тяжелых условиях». Упомянув о трудностях, ставших перед учеными в годы войны. Вавилов продолжает:
«Несмотря на тяжесть таких лишений, советская наука за годы войны с честью выполнила стоявшие перед ней задачи. Положительные результаты этой науки выразились в новых видах артиллерии, в ракетных снарядах, в постоянном усовершенствовании самолетов и авиационных моторов, в разработке новых сортов брони и бронебойных снарядов против «тигров» и «фердинандов», в достижениях советского радио, в безукоризненной работе военной оптики всякого рода, менявшейся и развивавшейся на ходу, в высокой постановке военно-санитарного дела, в спасении советской военной медициной сотен тысяч раненых бойцов, в борьбе с инфекциями и эпидемиями на фронте и в тылу».
«Победа Советской Армии была частично и победой советской науки», — делает вывод С. И. Вавилов 1.
§ 2. РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ФИЗИКИ ДО ОТКРЫТИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ (1918—1945)
Идея квант, получившая глубокое применение в теории атома Н. Бора (1913 г.) и в теории фотонов Эйнштейна (1917 г.), вскоре получила новые экспериментальные подтверждения. В 1923—1924 гг. А. X. Комптон открыл эффект рассеяния рентгеновских лучей, носящий его имя, теоретическое истолкование которого полностью подтверждает представления о фотоне, как частице, обладающей импульсом и энергией. Мы уже упоминали об опытах А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова (1924 г.), доказавших справедливость идеи об «игольчатом» излучении.
Идея квантования внесла новый вклад и в развитие теории магнитных явлений. В 1920 г. В. Паули (1900—1958) уточнил теорию парамагнетизма Ланжевена, используя представление о магнетоне. Опыты В. Герлаха и О. Штерна (1921 г.), изучавших отклонение пучков атома серебра в магнитном поле, подтвердили существование магнетона. Но дальнейший анализ этих опытов показал, что магнитный момент должен быть приписан не самому атому, а электрону. Представление о магнитном и механическом моменте («спине») электрона, введенное Юленбеком и Гаудсмитом в 1925 г., оказалось чрезвычайно важной идеей атомной физики. Поведение частицы существенно зависит от ее спина. Частицы, обладающие целым спином (в единицах и/2к), подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, открытой индийским физиком Бозе в 1924 г. и развитой Эйнштейном, а частицы с полу-целым спином подчиняются статистике, развитой Э. Ферми (1901—1954) и П. Дираком в 1925 г., на основе «принципа запрета» В. Паули (1925 г.;. Принцип Паули дал ключ к теоретическому истолкованию периодической системы Д. И. Менделеева.
1 С. И. Вавилов, Собр. соч., т. III, изд. АН СССР, стр. 844—845.
§ 2. РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ФИЗИКИ ДО ОТКРЫТИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
479
Таким образом, в период 1918—1925 гг. квантовая физика добилась существенных успехов. Эти успехи отмечены и международным признанием важности квантовых исследований. В 1918 г. Нобелевскую премию по физике получил Макс Планк «за его вклад в развитие физики открытием элементарного действия», в 1921 г. Нобелевскую премию получил Альберт Эйнштейн «за его вклад в математическуюфизику и, в частности,за его открытие закона фотоэлектрического эффекта», в 1922 г. Нобелевскую премию получает Нильс Бор «за его исследования структуры атомов и их излучения» и в 1925 г. Джемс Франк и Густав Герц «за их открытие закона, управляющего столкновением электрона в атомах». Артур Комптон «за открытие эффекта, носящего его имя», был удостоен Нобелевской премии в 1927 г. Гораздо дольше пришлось дожидаться Нобелевской премии В. П а у л и, она была присуждена ему «за открытие принципа исключения, так называемого принципа Паули» через 20 лет после открытия этого принципа, в 1945 г.
Однако успехи и признание квантовой теории не могли затушевать серьезных трудностей, стоящих перед нею в области теории атомной оболочки. Эти трудности были столь велики, что Бор, Крамере и Слэтер в 1924 г. пошли на отказ от закона сохранения энергии в элементарных актах излучения и поглощения атомов. Теория Бора, Крамерса и Слэтера была опровергнута прямыми опытами В. Боте (1891—1957) и Гейгера в 1925 г. В том же 1925 г. появилась первая работа В. Гейзенберга (род. в 1901 г.) и П. Д и р а к а (род. в 1902 г.) по новой квантовой механике и работа Лун де Б р о й л я (род. в 1892 г.) о волнах материи. В следующем 1926 г. появились работы М. Борна, В. Гейзенберга, П. Иордана, П. Дирака по разработке математического аппарата теории и ее применению к задачам атомной физики и работа Э. Шредингера (род. в 1887 г.) по волновой механике. После того как Шредингер в одной из своих статей, посвященных волновой механике, показал тождественность механики Гейзенберга с его волновой механикой, М. Борн дал статистическое истолкование функции Шредингера на основе принципа неопределенности, установленного в 1927 г. В. Гейзенбергом в качестве физического ключа к новой механике. В том же 1927 г. идея о волнах де Бройля получила экспериментальное подтверждение в опытах Дэвиссона и Джермера и несколько позже Г. П. Т омсона (сына Д. Д. Томсона). Через два года Нобелевская премия «за открытие волновой природы электрона» была присуждена де Бройлю, а в 1932 г. Нобелевскую премию «за создание квантовой механики, применение которой привело, помимо других вещей, к открытию аллотропических форм водорода», получил В. Гейзенберг. В следующем 1933 г. Нобелевскую премию получили Э. Шредингер и П. Дирак «за открытие новых и плодотворных форм атомной теории». П. Дирак получил (1928 г.) волновое уравнение для электрона, из которого получилось значение спина, магнитного момента электрона и истолкование тонкой структуры спектральных линий. Уравнение Дирака описывало также взаимодействие электрона с электромагнитным полем и эффект Комптона. Но оно приводило к странному выводу о существовании ненаблюдаемого фона электронов с отрицательной энергией. Отсутствие электрона в этом фоне, обусловленное его переходом на один из уровней с положительной энергией, должно было восприниматься как положительно заряженная частица. Такая частица действительно была открыта в 1932 г. и получила название позитрон.
В 1928 г. Н. Бор выступил со статьей «Теория квант и описание природы», в которой высказал так называемый «принцип дополнительности», 16«
480
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛГ ОКТЯБРЯ 1917 г.
являющийся, по его мнению, философским ключом всей физики микромира. Этот принцип требовал отказа от причинности якобы несовместимого с пространственно-временным описанием явлений.С этого момента и до настоящего времени не прекращается философская дискуссия вокруг основных понятий квантовой механики, в которой принимали участие А. Эйнштейн, В. Гейзенберг, В. А. Фок и другие. В последнее время в этой дискуссии принимают участие Д. Бом, В. Гейзенберг, де Бройль, Вижье и др. зарубежные физики, а из советских физиков В. А. Фок, Д. II. Блохинцев, Я. П. Терлец-кий и др. За подробностями мы отсылаем читателя к специальной литературе 1.
С созданием квантовой механики атомная физика получила могучий теоретический инструмент, позволяющий решать сложные задачи атомных явлений. Обратимся теперь к истории ядерной физики.
1919 г. был знаменательным годом в истории физики ядра. В этот год Эрнст Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, бомбардируя а-частицами атомы азота. В результате захвата а-частицы ядром азота происходило ядерное превращение ядра азота в ядро кислорода с выделением протона. В том же году ученик Д. Д. Томсона, Ф. А с т о н опубликовал описание своего масс-спектрографа, с которым он доказал в 1920 г. существование изотопов неона. В дальнейшем Астону удалось доказать наличие изотопов у целого ряда стабильных элементов. В 1922 г. Астону была присуждена Нобелевская премия по химии. В этом же году Д е м п-с т е р усовершенствовал свой прибор для разделения изотопов, первоначальный вариант которого был им предложен в 1918 г. В 1925 г. Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф, повысив его разрешающую способность до 10 4. С этим прибором он исследовал «упаковочный множитель» различных атомов и в 1927 г. построил кривую зависимости упаковочного множителя от массового числа. В 1930 г. Б э й н б р и д ж в Франклиновском институте построил усовершенствованный масс-спектрограф, с которым он анализировал масс-спектры щелочных металлов. В 1933 г. прибор был усовершенствован применением «селектора скоростей». Еще более усовершенствованные приборы были построены Астоном в 1937 г., Матта ухом в 1936 г., Демпстером в 1935 г., Бэйнбриджем и Джорданом в 1936 г. и Джорданом в 1940 г. Из результатов, полученных до войны в области исследования изотопов, особенно замечательно открытие дейтерия (тяжелого водорода) Г. Юри, Бриккведом и Мерфи (1932 г.). За это открытие Г. Юри была присуждена в 1934 г. Нобелевская премия по химии. Другим замечательным результатом было открытие Демпстером в 1935 г. изотопа урана с массой 235. Открытия Демпстера и Юри сыграли важную роль в истории получения ядерной энергии.
Вернемся к ядерным превращениям. С 1921 по 1924 г. Резерфорд и Чедвик бомбардировкой а-частицами расщепили, за исключением углерода и кислорода, все элементы от бора до калия. Проникновение а-частицы в ядра с номером выше 19 невозможно из-за сильного электрического отталкивания протонов. Это обратило мысль физиков на создание искусственных частиц с большой энергией и привело к созданию ускорителей. Важнейшей вехой в истории ускорителей до войны явилось создание в 1932 г. Э< Лоу-
1 Сб. «Вопросы причинности в квантовой механике», И. Л., М., 1955.
Сб. «Фипософские вопросы современной физики», Госполитиздат, М., 1958.
Сб. «Нильс Бор и развитие физики», И. Л., М., 19^8, УФН, т. LXVI, вып.4, декабрь 1958, LXV.11, вып. 1, январь, 1959 (статьи Н. Бора й В. А. фока).
$ 2. РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ФИЗИКИ ДО ОТКРЫТИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
481
Фредерик Жолио-Кюри
Ирэн Кюри
рейсом (1901—1958) циклотрона. За это открытие Лоуренсу в 1939 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.
В 1925 г. П. М. Б л эк кет получил первые фотографии в камере Вильсона ядерных превращений, вызванных а-частицами и сопровождающихся вылетом протона. В 1927 г. Эллис и Вустер доказали, что при |3-распаде происходит потеря энергии, причем теряющуюся энергию нельзя перехватить. Исследование этого загадочного обстоятельства привело в 1933 г. В. Паули к гипотезе нейтрино, частицы весьма малой массы, обладающей полуцелым спином и нулевым зарядом. На основе этой гипотезы Э. Ферми в 1934 г. построил теорию р-распада.
Наличие p-распада делало естественной гипотезу о строении всех ядер из протонов и электронов. Однако эта гипотеза натолкнулась на сильное препятствие в виде нарушения закона сохранения спина у азота. По гипотезе внутриядерных электронов спин ядра азота должен быть полуцелым, поскольку ядро состоит из нечетного числа частиц (14 протонов и 7 электронов), однако измерения показывают, что спин азота целый. Это обстоятельство получило в истории ядерной физики название «азотной катастрофы» В 1930 г. Боте и Бе к кер открыли сильное проникающее излучение бериллия, возникающее при бомбардировке его а-частицами. Исследуя это излучение, Ирэн Кюри (1897—1956) и Фредерик Жолио-Кюри (1900—1958) показали (1931 г.), что это излучение поглощается в парафине, производя протоны с большей длиной пробега. Анализ опытов Кюри и Жолио-Кюри привел Чедвика к выводу, что излучение Боте и Беккера содержит нейтральные частицы с массой, приблизительно равной массе протона. Так был открыт нейтрон (1932 г.). В том же 1932 г. Д. Д. И в а-ненко нВ. Гейзенберг создали протонно-нейтронную теорию ядра, ликвидировавшую «азотную катастрофу». Существование нейтрона было подтверждено опытами И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри, проведенными в 1932— 1933 гг.
482
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
1932 г. был переломным годом в истории физики ядра и элементарных частиц. В этом году, кроме нейтрона, была открыта новая элементарная частица — позитрон (Андерсон, 1932 г.). Эта частица, предсказанная теорией Дирака, была обнаружена также в опытах Блэккета и Оккилиани (1933—1934 гг.), впервые применивших счетчики Гейгера к управлению камерой Вильсона и тем самым серьезно усовершенствовавших методы исследования космических лучей. Напомним, что камера Вильсона, помещенная в магнитное поле, была впервые применена для исследования космических лучей Д. В. Скобельцыным. Открытие позитрона произошло в результате применения к исследованию космических лучей метода Д. В. Скобельцына. С 1932 г. начинается новый этап в исследовании космических лучей.
В 1933 г. в Ленинграде состоялась конференция по атомному ядру, на которой были подведены итоги замечательных открытий 1932 г. С докладом о нейтроне выступил Ф. Жолио-Кюри. С докладом о структуре ядра выступил Ф. П е р р е и, разобравший гипотезы о строении ядер из протонов и электронов, из нейтронов и позитронов и из протонов и нейтронов. С докладом о модели ядра выступил автор протонно-нейтронной модели Д. Д. Иваненко. Следует отметить, что в 1933 г. Штерн и Фриш произвели измерение магнитного момента протона, который оказался в 2,5 раза больше магнетона Бора, что вызвало серьезные сомнения в возможности рассматривать протон как элементарную частицу. Д. Д. Иваненко указал, что в противовес многочисленным предложениям следует считать нейтрон элементарной частицей, а протон — состоящим из нейтрона и позитрона, «обе тяжелые частицы должны, по-видимому, обладать одинаковой степенью элементарности в том смысле, что если протон может распадаться на нейтрон и позитрон, то и нейтрон может распадаться на протон и электрон» Г В 1959 г. Д. Д. Иваненко, излагая историю событий 1932 г., писал: «Близость протона и нейтрона по массам, по характеру взаимодействия с л-мезонами, взаимная их превращаемость при ^-распаде и другие свойства заставляют предположить глубокое внутреннее родство обоих нуклонов. Ныне они рассматриваются как два «изотопических» состояния одной и той же частицы — нуклона» 1 2.
На той же конференции Д. В. Скобельцын выступил с докладом о космических лучах. В докладе обсуждался вопрос о природе «ливней» частиц, обнаруженных Блэккетом, Оккилиани и Андерсоном, а также Д. В. Скобельцыным ещев 1931 г.,и «ионизационных толчков» Гофмана.Обсуждался также вопрос о геомагнитном эффекте, существование которого было установлено по работам А. Комптона (1933 г.).
П. Дирак сделал доклад о теории позитрона. Сущность теории Дирак формулирует следующим образом:
«Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими органами чувств и измерительными приборами и только лишь незанятые электронами уровни с отрицательной энергией, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершеннотаким же образом, как мы замечаем занятие состояния электронов с положительными
1 «Атомное ядро». Сборник докладов 1-й Всесоюзной ядерной конференции, Л.—М., 1934, стр. 56.
2 «Очерки развития основных физических идей», изд. АН СССР, 1959, стр. 455—456.
§ 2. РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ФИЗИКИ ДО ОТКРЫТИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
483
энергиями. Незанятое состояние с отрицательной энергией, т. е. «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией, будет восприниматься нами как частица с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс. Движение «дырки» во внешнем электромагнитном поле будет происходить следующим образом: пусть, например, внешнее поле направлено так, что сила, действующая в этом поле на обыкновенный электрон с положительной энергией, должна изменить его движение некоторым определенным образом, отсюда вытекает, что на электрон с отрицательной кинетической энергией та же самая сила должна действовать противоположным образом. А так как все электроны с отрицательной энергией, в том числе и края «дырки», передвинутся одинаковым образом, то, следовательно, таким же образом передвинется и «дырка», т. е. «дырка» ведет себя во внешнем поле, как частица с положительной энергией и с положительным зарядом. Движение этой частицы может быть описано обыкновенной волновой функцией так же, как в случае обыкновенного электрона с положительной энергией. Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией» К
Из теории Дирака вытекала возможность образования «пары» электрон— позитрон при поглощении электромагнитной энергии в виде фотона определенной «жесткости» (т. е. частоты) и обратного процесса аннигиляции с выделением фотонов. Процесс образования пары был действительно экспериментально обнаружен Ф. Жолио-Кюри и составил предмет его доклада «Возникновение позитронов при материализации фотонов и превращения ядер». Жолио демонстрировал первую вильсоновскую фотографию пары. Кроме того, он получил ядерные реакции с испусканием позитронов при бомбардировке алюминия а-частицами, а также бора и бериллия.
Открытие процессов аннигиляции позволило начать построение теории образования ливней в космических лучах. Так называемая «мягкая» компонента космических лучей состоит из позитронов, электронов, фотонов, образующихся в процессе аннигиляции, и последующего рождения пар.
1932 г. был годом рождения ускорителей, каскадного генератора Кокрофта—Уолтона и циклотрона Лоуренса. Незадолго до этого Ван де Грааф построил электростатический ускоритель. Кокрофт и Уолтон с протонами, ускоренными на их ускорителе, расщепили ядро лития на две а-частицы. Реакция происходила с большим выходом энергии.
1934 г. был годом открытия искусственной радиоактивности (Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри). В этом же году Ферми с сотрудниками начал опыты по облучению тяжелых ядер нейтронами. Как уже упоминалось, в этом году И. Е. Тамм и Д. Д. Иваненко выдвинули идею обменного характера ядерных сил, разработка которой привела в 1935 г. Ю к а в а к предсказанию существования новой частицы с массой, промежуточной между массой нуклона и электрона (мезон). В 1937 г. ц-мезоны были обнаружены экспериментально в космических лучах Андерсоном и Неддермейером. Однако эти частицы не могли быть квантами ядерного поля. Ядерные л-мезоны были обнаружены Лоуэллом уже после войны в 1947 г.
1 «Атомное ядро», Сборник докладов 1-й Всесоюзной ядерной конференции, Л.— М., 1934, стр. 133—134.
484
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г
Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри в лаборатории.
В 1936 г. Н. Бор предложил теорию захвата нуклона ядром, а Брент и Вигнер обнаружили резонансные явления в ядерных реакциях.
В 1937 г. появилась работа Майорана, в которой показывалось, что ядер-ные силы обладают свойством насыщения.
В 1938 г. появляется работа И. Кюри и П. Савича о расщеплении урана. В работе показывается, что при бомбардировке урана нейтронами получается элемент типа редкоземельных элементов. В 1939г. Ган и Штрассман публикуют сообщение об открытии деления урана. Н. Бор и Уиллер, а также Я. И. Френкель дают теорию деления. Н. Бор показывает,
§ 2, РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ФИЗИКИ ДО ОТКРЫТИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
485
что при делении получается большой выход энергии. Ф. Жолио-Кюри, Г. Хальбан и Л. К о в а р с к и й показывают, что при делении получаются нейтроны. Вскоре они показали возможность осуществления цепной реакции в массе урана. Вот как рассказывает об этом величайшем событии в истории науки Ф. Жолио-Кюри:
«Вместе с моими учениками Хальбаном и Коварским я поставил в 1939 году опыты, которые показали, что в каждом акте деления испускается в среднем около трех нейтронов. Отсюда следует, что после того как бомбардирующий нейтрон вызовет в массе урана деление одного из ядер, происходит испускание трех нейтронов, способных играть роль таких же снарядов, что и первый нейтрон. Если в свою очередь более чем один из этих нейтронов вызовут деление ядер урана, то понятно, что процесс деления будет распространяться по всей массе урана, причем число актов деления будет возрастать в геометрической прогрессии. Таким образом, начинается цепная ядерная реакция взрывного характера, которую можно сравнить с распространением эпидемии. Энергия, освобождаемая при делении многих ядер, складывается и дает в сумме огромную энергию. Чем медленнее бомбардирующие нейтроны, тем больше вероятность того, что они вызовут деление. Для замедления нейтронов в урановую массу вводятся блоки из материала, состоящего из легких атомов, при соударении с которыми нейтроны по аналогии с биллиардными шарами теряют свою скорость, избегая, однако, при этом захвата их ядрами. Таким образом, большая масса чистого урана, в которой соответствующим образом расположены блоки для замедления нейтронов, представляет собой такую систему, в которой в результате захвата одного нейтрона возникает взрывная реакция. Для того чтобы реакция могла протекать в меньшей массе урана, к нему добавляется некоторое количество специально приготовленных тяжелых элементов, которые благоприятствуют взрыву. Группа французских исследователей нашла способ торможения, позволяющий задерживать развитие реакции прежде чем произойдет взрыв, что позволяет практически использовать теплоту, выделяющуюся в урановой массе. Для этой цели достаточно периодически вводить в урановую машину стержни из материала, поглощающего нейтроны».
«Наша группа ученых, к которой присоединился Франсис Перрен, при помощи соответствующих опытов и теоретических расчетов подтвердила правильность изложенных выше принципов. Ценные материалы, накопленные перед войною и во время войны благодаря содействию Министерства вооружения и лично г-на Дотри, позволили изготовить отдельные элементы урановой машины. Это убедило нас в том, что такую установку можно осуществить на практике. Изобретателями были взяты патенты на имя Национального центра научных исследований, являющегося государственной организацией».
«Во время военного краха Хальбан и Коварский с моего согласия покинули Францию, снабженные полномочиями Министерства вооружения, и направились в Англию. Я доверил им документы и записи ценнейшего продукта, за который нес ответственность. Надо отметить, что этот продукт удалось получить во время военных действий благодаря находчивости и мужеству нескольких офицеров, специально командированных Министерством вооружения».
«С помощью этого продукта Хальбану и Коварскому, к которым присоединились английские ученые, удалось продолжить опыты в Англии. Лишь намного позднее американцы приступили к работам в этой области, полу-
486	ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
Энрико Ферми
лившим гигантский размах, что позволило им добиться результатов, ставших к настоящему времени известными» *.
2 декабря 1942 г. в металлургической лаборатории в Чикаго группой физиков под руководством Э. Ф е р м и был пущен первый ядерный реактор. Первоначально его мощность была 1/._,ватта,к 12 декабря она была доведена до 200 ватт.
С весны 1943 г. началось строительство атомных заводов в Хэнфорде, в отдаленном районе штата Вашингтон. Здесь производились операции разделения изотопов урана и производство плутония. Первый большой хэнфорд-скнй реактор был пущен в сентябре 1944 г. Для изготовления атомной бомбы из продукции хэнфордских заводов и окриджских заводов была построена специальная военная лаборатория в Лос-Аламосе, в штате Нью-Мексико. В работах в Лос-Аламосе принимала
участие группа выдающихся физиков во главе с Робертом Оппенгеймером, физиком-теоретиком из Калифорнийского университета. 16 июля 1945 г. на отдаленном участке авиабазы Аламогордо, в 120 милях к юго-востоку от Альбукерка, в 5 час. 30 мин. утра был произведен первый атомный взрыв. 6 августа 1945 года атомная бомба была сброшена американской авиацией над японским городом Хиросимой, несколькими днями позже — над Нагасаки.
Атомная энергия родилась в обстановке войны и для военных целей. Работы велись под руководством военных организаций в обстановке военной секретности. Но окончательный успех был результатом международной научной мысли. Один из участников «атомного проекта» американский физик Р. Лэпп писал:
«Нередко американцы, ослепленные гигантскими размерами заводов в Окридже и Хэнфорде, не понимают, что их сооружение было достижением чисто технического порядка. В основу этих достижений были положены важнейшие научные принципы, разработанные главным образом в Европе. Эти принципы, на основе которых была создана американская бомба, были разработаны гением ученых различных стран: лордом Резерфордом (Англия;, профессором Эйнштейном (Германия), супругами Жолио-Кюри (Франция), Ферми (Италия), Ганом и Штрассманом (Германия), Бором (Дания). Этот длинный список включает ученых почти каждой европейской страны, в том числе и России» 1 2.
Обстановка в Германии и мировая война способствовали тому, что в США в годы второй мировой войны собралось большое количество европейских физиков, принявших активное участие в создании атомной бомбы. «Если бы мы пользовались услугами одних лишь чистокровных американ
1 Ф. Жолио-Кюри, Избранные труды, изд. АН СССР, 1957, стр. 496.
2 Р. Л э п п, Новая сила, Об атомах и людях, И. Л., М., 1954, стр. 46.
§ 3. КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОИНЫ 487
цев, — писал Р. Лэпп, — мы погубили бы наш атомный проект. Говоря так, я отнюдь не имею в виду принизить американскую науку или сделать вывод, что одни американцы не в состоянии были бы создать атомную бомбу. Но почти несомненно, что без таких талантливых «иностранцев», как Ферми, Бете, Вагнер и Теллер — я ограничиваюсь здесь только несколькими именами — нам потребовалось бы гораздо больше времени для изготовления бомбы» *.
Так или иначе атомная бомба была создана,и в науке, как и в обществе, возникла новая ситуация, подобной которой еще не знала история.
§ 3. КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ войны
«Холодная война», развязанная капиталистическими державами во главе с QUA против социалистических стран, имела следствием усиленную гонку вооружений, и прежде всего атомного оружия и реактивной техники. Результатом этой гонки явилось создание водородной бомбы. Еще летом 1945 г. работавший в Лос-Аламосе физик Эдуард Теллер представил военному министерству США доклад, в котором утверждал, что возможна реакция синтеза легких ядер, сопровождающаяся большим выходом энергии, и настаивал на создании водородной бомбы. Однако идея создания нового страшного оружия не нашла сочувствия у ученых и даже в военных кругах, и только психоз холодной войны позволил Теллеру одержать сомнительную победу и добиться в 1950 г. санкции президента Трумена на производство работ по созданию водородной бомбы. В мае 1951 г. у атолла Эни-веток был произведен первый взрыв термоядерного «устройства», которое не было еще транспортабельной водородной бомбой. 1 марта 1954 г. .было произведено известное испытание термоядерного оружия в Бикини, окончившееся трагически для японских рыбаков. Однако получить военное преимущество США не удалось. Уже в 1953 г. Советским правительством было заявлено, что США не являются монополистами в области водородного оружия. Ликвидировав монополию на атомное и водородное оружие, Советское правительство неоднократно ставило вопрос как о запрещении этого оружия, так и немедленном прекращении его испытаний. Миролюбивая и гуманная политика СССР пользуется сочувствием и поддержкой всего человечества. Созданный в 1949 г. Всемирный Совет Мира, во главе которого стоял Ф. Жолио-Кюри, а после его смерти с 1958 г.— выдающийся английский физик Джон Бер нал, неустанно борется за предотвращение разрушительной атомной войны, грозящей человечеству неисчислимыми бедствиями.
Настойчивая борьба Советского правительства за мирное использование атомной энергии дала свои результаты. 27 июня 1954 г. была пущена первая в мире атомная электростанция в СССР. В июне 1955 г. в Москве состоялась сессия Академии наук, посвященная вопросу мирного использования атомной энергии. В августе 1955 г. в Женеве состоялась Первая международная конференция по мирному использованию атомной энергии. Весной 1956 г. академик И. В. Курчатов, сопровождавший правительственную делегацию СССР во главе с Н. С. Хрущевым в Англию, сделал в английском атомном
1 Р. Л эп п, Новая сила, Об атомах и людях, И. Л., М., 1954, стр. 46—47.
488
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
центре Харуэлле доклад о работах по управляемым термоядерным реакциям, ведущимся в СССР, положив начало рассекречиванию этих важных работ. После этого последовал ряд публикаций советских физиков (академиков Л. А. Арцимовича, М. А. Леонтовича и др.) в журнале «Атомная энергия»; обзоры Э. Теллера и Р. Поста американских работ по управляемым термоядерным реакциям и физике плазмы. Ленинская премия по физике за 1957 г. была присуждена академику Л. А. А р ц и м о в и ч у, академику М. А. Леонто-вичу, С. Ю. Лукьянову, И. Н. Головину, С. М. Осовцу, Н. В. Филиппову, О. А. Базилевской, С. И. Брагинскому, И. М. Подгорному, А. М. Андрианову, В. И. Синицыну, Н. А. Явлинскому — сотрудникам Института атомной энергии АН СССР за исследование мощных импульсных разрядов в газе для получения высокотемпературной плазмы.
В 1958 г. в журнале «Нейчур» были опубликованы первые результаты работ с установкой «Зета» в Харуэлле Тоннемана, Батта и др., в которых была достигнута температура порядка 5 млн. градусов.
Л. Спитцер, возглавляющий работы по термоядерным реакциям, в Принстоне проанализировал результаты работ с установкой «Зета». Были опубликованы также данные о работах, ведущихся в Олдермастоне группой физиков под руководством Т. Алибона и А. Уэйра, где была достигнута температура 4 • 106 градусов. С 1-го по 13 мая 1959 г. в Женеве происходила вторая международная конференция ООП по мирному использованию атомной энергии, на которой главное внимание было уделено работам по управляемым термоядерным реакциям. Доклад о работах в СССР был представлен академиком Л. А. Арцимовичем (зачитан академиком Н. Н. Боголюбовым). К этому же времени был издан сборник работ по физике плазмы, ведущихся в СССР с 1950 г., когда А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм разработали принцип магнитного термоядерного реактора (МТР). В решениях XXI съезда КПСС особое внимание было уделено научным работам по управляемым термоядерным реакциям, успех которых способен снять с человечества навсегда заботы о запасах энергии.
В области теоретических исследований следует прежде всего отметить прогресс экспериментальной техники, в первую очередь в области ускорения частиц. В 1941 г. К е р с т о м был построен ускоритель электронов (бетатрон). В 1944 г. Д. Д. Иваненко и И. Я. Померанчук показали, что для этого ускорителя существует «потолок», обусловленный излучением электрона. Теория «светящегося электрона» была разработана Д. Д Иваненко и и А. А. Соколовым в 1948 г. Для ускорителей типа циклотрона предел получался вследствие расстройки синхронизации ускоряющего поля, возникающей при релятивистском изменении массы ускоряемой частицы. В. И. Векслер (1944 г.) в СССР и Мак-Миллан (1945 г.) в США предложили независимо друг от друга метод «автофазировки». Ускорители, построенные на этом принципе, синхротроны и фазотроны (синхроциклотроны) начали вступать в строй с 1946 г. В 1949 г. в СССР был сооружен крупнейший фазотрон, дающий пучок протонов с энергией 680 Мэв.
В 1952 г. в Брукхавене был пущен синхрофазотрон (космотрон) для ускорения протонов. Этот синхрофазотрон начал проектироваться группой физиков во главе с Ливингстоном в 1948 г., в 1950 г. появилось его описание. Вначале он давал протоны с энергией в 2 млрд., а затем 3 млрд. эв. В 1954 г. был пущен в Беркли (Калифорнийский университет) синхрофазотрон, дающий протоны с энергией 6,2 млрд. эв. Крупнейший в мире синхрофазотрон на 10 млрд, эв был пущен в Объединенном институте ядерных исследований
§ 3. КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ВТОРОЙ .МИРОВОЙ ВОЙНЫ 489
в 1957 г. в СССР. Вес кольцевого магнита этого синхрофазотрона составляет 36 тысяч тонн, его внешний диаметр — около 70 метров. Ускоренные частицы движутся в вакуумной камере, в которой поддерживается давление в одну миллиардную долю атмосферы.
Наряду с ускорителями подверглась глубокому усовершенствованию техника регистрации и детектирования частиц и измерения их свойств. Счетчики, электронные умножители, камеры всевозможных типов, фотографирование частиц, автоматическое управление и регистрация, радиоспектроскопия и т. д. позволили осуществить тонкие эксперименты как по обнаружению частиц, так и изучению их взаимодействий и свойств.
На базе радиоспектроскопического анализа квантовых уровней в атоме водорода Л э м б и Резерфорд, сотрудники лаборатории И. Раб и, получившего в 1944 г. Нобелевскую пре-
мию за применение резонансного метода к	Игорь Васильевич Курчатов
измерению магнитных свойств атомных ядер, открыли сдвиг уровней атома
водорода 2Si/s и 2Pi/„, соответствующий длине волны в 21 см. Бете объяснил этот сдвиг взаимодействием электрона с флуктуациями вакуума. Кроме того, Куш, Фра нк ль и Либес показали, что в результате взаимодействия электрона с вакуумом электрон приобретает дополнительный магнитный момент, который и был измерен Кушем и Ф о л и. Это открытие стимулировало развитие квантовой электродинамики.
В 1947 г. С. Ф. Поуэлл открыл л-мезон, играющий существенную роль в взаимодействии нуклонов. В том же году в лаборатории Блэккета в Манчестере Батлером и Рочестером была открыта сверхтяжелая частица—нейтральный А ° гиперон.Вслед за этим последовало открытие новых тяжелых частиц К-мезонов и гиперонов, изучение которых привело к серьезным изменениям в теории вещества. Существенным свойством К-мезонов и гиперонов является факт их ассоциативного рождения: гипероны всегда рождаются в паре с К-мезонами. По предложению Гелл-Ma ни а частицы такого рода стали называться «странными» и для них было введено новое квантовое число «странность». Для К-мезонов были открыты реакции распада с разным характером четности, что дало возможность Цзян Дао-ли и Ч ж е н ь Н и н- я н г у ввести гипотезу о нарушении закона четности при слабых взаимодействиях. За это открытие им была присуждена Нобелевская премия 1957 г.
Советский ученый Л. Д. Ландау выдвинул в связи с этим теорию, которая требует замены закона четности «принципом комбинированной четности», где асимметрия заряда (частица—античастица) комбинируется с асимметрией пространства (нарушение четности), так что получается симметрия высшего типа, в которой преобразование пространства комбинируется с заменой частиц на античастицы.
190
ГЛАВА IX. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ОКТЯБРЯ 1917 г.
Проблема элементарных частиц, таким образом, в настоящее время является одной из самых актуальных проблем физики.
Наряду с открытием новых элементарных частиц важным событием в истории послевоенной физики было открытие античастиц антипротона и антинейтрона. Антипротон был открыт в 1955 г. на Калифорнийском синхрофазотроне С е г р э с сотрудниками. В 1956 г. был открыт антинейтрон. В настоящее время широким фронтом идет изучение процессов аннигиляции и рождения частиц, изучение строения нуклонов и гиперонов, и область эта еще не может быть предметом исторического анализа.
Характерной особенностью послевоенной науки и техники является бурное развитие электроники как вакуумной, так и полупроводниковой. Сложилась новая отрасль знания — кибернетика. В результате огромных достижений в области ракетной техники и радиоэлектроники был осуществлен полет в космос. 4 октября 1957 г.в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, 3 ноября — второй, 15 мая 1958 г. — третий, а 2 января 1959 г. была создана первая искусственная планета.
Первый искусственный спутник имел форму шара. Диаметр этого шара равнялся 58см, вес — 83,6 кГ. На спутнике были установлены 2 радиопередатчика, излучающие сигналы с частотами 20.005 и 40,002 Мгц (длина волн 15 и 7,5 см соответственно). Спутник имел начальный период обращения 96,2 минуты при максимальной высоте орбиты над поверхностью Земли порядка 950 км. Он просуществовал как космическое тело 92 суток, войдя 4 января 1958 г. в плотные слои атмосферы. За это время первый искусственный спутник совершил около 1400 оборотов вокруг Земли и пролетел около 60 млн. км.
Второй искусственный спутник, запущенный 3 ноября 1957 г., представлял собой последнюю ступень ракеты-носителя, с расположенными в ней контейнерами с научной аппаратурой. На борту спутника имелось: аппаратура для изучения космических лучей, аппаратура для исследования излучения Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, аппаратура для изучения температуры и давления, контейнер с подопытным животным (собака Лайка), измерительная аппаратура для передач сигналов на Землю, два радиопередатчика, работающие на тех же частотах, что в первом спутнике Общий вес спутника с аппаратурой и животным составил 508,3 кГ Начальный период обращения этого спутника был равен 103,7 минуты, его максимальное удаление от Земли составило 1 671 км. Он просуществовал 5 месяцев 11 дней.
Третий искусственный спутник Земли, запушенный 15 мая 1958 г., вышел на наибольшую высоту в 1880 км и имел начальный период обращения 106 минут. Он имеет конусообразную форму с диаметром основания 1,73 метра и высотой 3,57 лг Вес спутника составляет 1327 кГ, в том числе вес аппаратуры 968 кГ. Установленная измерительная аппаратура давала возможность измерить: давление и состав атмосферы в верхних слоях, концентрацию положительных ионов, величину электрического заряда спутника и напряженность электрического поля Земли, величину напряженности магнитного поля Земли, интенсивность корпускулярного излучения Солнца, состав и вариации первичного космического излучения, распределение фотонов и тяжелых ядер в космических лучах, микрометеоры, температуру внутри и на поверхности спутника. На спутнике была установлена специальная телеметрическая система; работа научной и радиотехнической аппаратуры управлялась с помощью программного устройства. Наряду с элект
« 3. КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ 191
рохимическими источниками тока на спутнике установлены солнечные батареи.
Советская космическая ракета, запущенная в сторону Луны, имела вес последней ступени 1472 кГ. Ее скорость превысила вторую космическую скорость 11,2 км/сек-, 7—8 января ракета вышла на орбиту вокруг Солнца. Время движения космической ракеты до Луны составило 34 часа, ближайшее ее расстояние до Луны составило 5—6 тыс. км. Эксцентриситет искусственной планеты составляет 0,148; ее минимальное расстояние от Солнца — около 146 млн. км, а максимальное — 197 млн. км. 12 сентября 1959 г. была запущена космическая ракета на Луну, которая достигла поверхности Луны 14 сентября в 00 час. 02 мин. 24 сек. по московскому времени.
4 октября 1959 г. в космос была послана межпланетная космическая станция, которая, обогнув Луну, сфотографировала ее невидимую с Земли сторону. Фотография поверхности Луны была передана на Землю по радио.
В решениях XXI съезда КПСС записано:
«В Советской стране достигнут подлинный расцвет культуры для всех наций и народностей, созданы безграничные возможности для всестороннего и свободного развития науки и техники. Ярким выражением высокого индустриально-технического уровня нашей страны и творческого гения советского народа является запуск первых в истории мира искусственных спутников Земли и первой искусственной планеты, совершающей свое движение вокруг Солнца. Советская страна своими величественными победами в области научно-технической мысли открыла новую эпоху в познании мира. Великое значение этих побед в том, что они продемонстрировали могучие созидательные силы социализма, действующие в интересах человечества, его прогресса и процветания».
ЛИТЕРАТУРА
Классики марксизма-ленинизма
К. Маркс, Капитал, Госполитиздат, 1955.
К- Маркс, К критике политической экономии, Госполитиздат, 1953.
Ф. Энгельс, Происхождение семьи, частной собственности и государства, Госполитиздат, 1953.
Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955.
Ф. Энгельс, Анти-Дюринг, Госполитиздат, 1957.
К. Маркс и Ф. Энгельс, Манифест коммунистической партии, Госполитиздат, 1949.
В. И. Лени н, Развитие капитализма в России. Соч., т. 3, Госполитиздат, 1941.
В. И. Лени н, Материализм и эмпириокритицизм. Соч., т. 14, Госполитиздат, 1947.
В. И. Лени н, Империализм как высшая стадия капитализма. Соч., т. 22, Госполитиздат, 1948.
В. И. Лени н, Философские тетради. Соч., т. 38, 1959.
Труды деятелей науки и техники
А. Ампер, Электродинамика, изд. АН СССР, 1954.
Г. Галилей, Сочинения, т. 1, ГТТИ, 1934.
Г. Галилей, Диалог о двух системах мира, Гостехиздат, 1948.
X. Г ю й г е н с, Три мемуара по механике, изд. АН СССР, 1951.
Р. Декарт, Избранные произведения, изд. АН СССР, 1950.
Р. Декарт, Рассуждения о методе, изд. АН СССР, 1953.
М. О. Д о л и в о - Д о б р о в о л ь с к и й, Избранные труды, ГЭИ, 1948.
С. Карно, Размышления о движущей природе огня. Сборник «Второе начало термодинамики», ГТТИ, 1934.
Н. Коперник, Сборник к 400-летию со дня смерти, изд. АН СССР, 1947.
Э. X. Лен ц, Избранные труды, изд. АН СССР, 1950.
Леонардо да Винчи, Избранные естественнонаучные произведения, изд. АН СССР, 1955.
М. В. Ломоносов, Избранные философские произведения, Госполитиздат, 1950.
М. В. Ломоносов, Сочинения, т. Ill, изд. АН СССР.
Д. К. Максвелл, Избранные сочинения по теории электромагнитного поля, ГТТИ, 1952.
И. Ньютон, Оптика, Гостехиздат, 1954.
В. В. Петров, Известия о гальвани-вольтовских опытах, ГТТИ, 1936.
М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, изд. АН СССР, 1947; т. II, изд. АН СССР, 1958; т. III, изд. АН СССР, 1959.
Ф. У. Т. Э п и н у с, Трактат об электричестве и магнетизме, изд. АН СССР, 1953.
П. Н. Яблочков, Труды, документы, материалы, изд. АН СССР, 1954.
ЛИТЕРАТУРА
493
Общая литература по истории науки и техники
Бельк инд Л. Д., Александр Ильич Шпаковский, ГЭИ, 1949.
Б е л ь к и и д Л. Д., Павел Николаевич Яблочков, ГЭИ, 1950.
Бе л ькинд Л. Д., Конфедератов И. Я., Шнейберг Я. А., История техники, Госэнергоиздат, М. — Л., 1956.
Бернал Д., Наука истории общества, Изд. иностранной литературы, 1956.
Берри А., Краткая история астрономии, Гостехиздат, 1946.
Блох М. А., Хронология важнейших событий в области химии и смежных с нею дисциплин, 1940.
Брегг, История электромагнетизма, ГТТИ, 1947.
Вавилов С. И., Собрание сочинений, т. III, изд. АН СССР, 1956.
Ван дер Варден, Пробуждающаяся наука, Физматгиз, 1958.
Вороннов-Велояминов Б. А., Очерки истории астрономии в России, ГТТИ, 1956.
«Всемирная история» т. I, АН СССР, Госполитиздат, 1955, т. II, 1956, т. III, 1957, т. IV, Соцэкгиз, 1958, т I, Соцэкгиз, 1958.
«Выдающиеся физики мира». Библиографический указатель Гос. б-ки СССР нм. В. И. Ленина, 1958.
Г у с е в С. А., Очерки по истории развития электрических машин, ГЭИ, 1955.
Данилевский В. В., История гидросиловых установок в России до XIX в., 1940.
Данилевский В. В., И. И. Ползунов, труды и жизнь, изд. АН СССР, 1940.
Данилевский В. В., Русская техника, Ленгиз, 1948.
Д а н н е м а н Ф., История естествознания, т. I, Медгиз, 1932; т. II, ОНТИ, 1936; т. III, ОНТИ, 1938.
Дорфман Я. Г., История возникновения современной ядерной физики, изд. «Знание», 1955.
Е л и с е е в А. А., Василий Владимирович Петров, ГЭИ, 1949.
«История естествознания в России», изд. АН СССР, т. I, ч. II, 1957; т. II, ч. II, 1957.
«История Академии наук СССР», изд. АН СССР, т. I, 1958.
«История философии», изд. АН СССР, тт. I—II, 1957.
«История энергетической техники СССР», ГЭИ, тт. I—II, 1957.
К а м е н е ц к и й М. О., Первые русские электростанции, ГЭИ, 1951.
Клейн Ф., Лекции о развитии математики в XIX столетии, ОНТИ, 1937.
Конфедератов И. Я., Владимир Григорьевич Шухов, ГЭИ, 1949.
Конфедератов И. Я., Иван Иванович Ползунов, ГЭИ, 1951.
Конфедератов И. Я-, История теплоэнергетики, ГЭИ, 1954.
Косвен М. О., Очерки истории первобытной культуры, изд. АН СССР, 1953.
Кудрявцев П. С., История физики, т. I, Учпедгиз, 1948, изд. 2, 1956, т. II, 1956.
Кузнецов Б. В., Развитие тепловых двигателей. ГЭИ, 1953.
Кузнецов Б. Г., История энергетической техники, ГТТИ, 1937.
Кузнецов Б. Г., Развитие физической картины мира, изд. АН СССР, 1955.
Кутателадзе С. С. и Цукерман Р. В., Очерки развития теории тепла в работах русских ученых XVIII и XIX вв., ГЭИ, 1949.
Кутателадзе С. С. и Цукерман Р. В., Очерки развития котельной техники, ГЭИ, 1952.
Лаккур и Аппель, Историческая физика, т. I, ГИЗ, 1929.
Л а у э М., История физики, Гостехиздат, 1956.
Лебедев В., Электричество, магнетизм и электротехника в их историческом развитии, ОНТИ, 1937.
Л у р ь е С. Я., Очерки по истории античной науки, изд. АН СССР, 1947.
Лященко П. И., История народного хозяйства СССР, т. II, Госполитиздат, Л, 1948.
Лежнева О. А. и Ржонсницкий Б. Н., Эмилий Христианович Ленц, ГЭИ, 1952.
Матвеев Г. А., История отечественного котлостроения, Машгиз, 1951.
Мейер Р., Закон сохранения и превращения энергии, ГТТИ, 1933.
Нейгебауэр О., Лекции по истории античных математических наук, т. I, О 1ТИ, 1937.
ОгневецкийА. С. и Радунский Л. Д., Николай Гаврилович Славаков, ГЭИ, 1952.
494
ЛИТЕРАТУРА
Огневец к и й А. С. и Радунский Л. Д., Николай Николаевич Бенар-дос, ГЭИ, 1952.
О л ь ш к и, История научной литературы на новых языках, тт. 1—III, ОНТИ, 1936.
Р а д о в с к и й М. И., Борис Семенович Якоби, ГЭИ, 1953.
Р а й н о в Т. П., Наука в России XI—XVII вв., изд. АН СССР, 1940.
Р ж о н с н и ц к и й Б. Н., Дмитрий Александрович Лачинов, ГЭИ, 1949.
Ржонс ниц ки й Б. Н., Федор Аполлонович Пироцкий, ГЭИ, 1951.
Р а д ц и г А. А., История теплотехники, изд. АН СССР, 1936.
Розенберг Ф., История физики, т. I, изд. МГУ, 1956.
«Русские физики». Аннотированный указатель литературы, изд. Гос. б-ки СССР им. В. И. Ленина, 1954.
Спасский Б. И., История физики, т. I, изд. МГУ, 1956.
С т р у м и л и н С. Г., История черной металлургии в России, М., 1949.
Сборник «50 лет радио», вып. 1 и 2, изд. АН СССР, 1945.
Сборник «60 лет радио», Связьиздат, 1955.
«Очерки по истории физики в России», Учпедгиз, 1948.
«Очерки развития основных физических идей», изд. АН СССР, 1959.
Тимошенко С. П., История науки о сопротивлении материалов, ГТТИ, 1957.
«Труды по истории техники», вып. I—XII, изд. АН СССР, 1951—1959.
ФайнбоймИ. Б., Иван Гаврилович Александров, ГЭИ, 1955.
X р а м о й А. В., Константин Иванович Константинов, ГЭИ, 1951.
Ц е й т е н, История математики в древности и в средние века. 1932.
Цейтен, История математики в XVI и XVII вв., ГТТИ. 1937.
III нейберг Я. А., Михаил Матвеевич Боресков, ГЭИ, 195’.
III а т е л е н М. А., Русские электротехники XIX в., ГЭИ, 1955.
Я р о ц к и й А. В., Павел Львович Шиллинг, ГЭИ, 1953.
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аббе, Эрнст (Abbe, 1840—1905) 353
Абрагам, Макс (Abraham, 1975-1922) 359, 374
Авенариус, Михаил Петрович (1835— 1895) 339
Авогадро, Амедео (Avogadro, 1776—1856) 234, 255, 350, 389, 390
Агрикола, Георг Бауэр (Agricola, 1494— 1555) 66
Александров, Иван Гаврилович (1875— 1936) 411
Аль-Хазини (XII в.) 84
Альбан, Эрнст (Alban, 1791—1846) 197
Альгазен Абу Али (Ибн-аль-Хайсам, 965—1039) 83
Амага (Amagat, 1841—1915) 338
Амоитон, Гильом (Amontons, 1663—1705) 152
Ампер, Андре Мари (Ampere, 1775—1836) 207, 234, 239— 247, 249, 357
Анаксагор (ок. 500—428 до н. э.) 43
Анаксимандр (610 — ок. 546 до н. э.) 42
Анаксимен (ок. 585—525 до н. э.) 42
Андерсон, Карл Дэвид (Anderson, род.
1906 г.) 475, 482, 483
Аидронон, Александр Александрович (1901—1952) 473, 475, 476
Аносов, Павел Петрович (1787—1851) 224, 225
Аполлоний Пергский (жил. ок. 200 до н. э.) 50
Араго, Доминик Франсуа (Arago, 1786—
1853) 234, 244—247, 251, 252, 372
Ариабхата (род. 476) 81
Аристарх Самосский (ок. 310—230 до н. э.) 50, 96
Аристотель (384—322 до н э.) 42, 46—48,
 50, 79, 83, 84, 94, 99, 104, 126
Аркрайт, Ричард (Arkwright, 1732—1792) 166
Архимед (287—212 до н. э.), 16, 50—53, 79, 84, 86, 130, 131
Арцимович, Лев Андреевич (род. 1909) 488
Аршро (Archereau) 221
Астон, Фрэнсис Уильям (Aston, 1877— 1945) 480
Афанасьева-Эренфест Т. А.. 349
Бальмер, Иоганн Якоб (Balmer, 1825— 1898) 383
Баркла, Чарлз Гловер (Barkla, 1874— 1944) 385, 386, 389
Барроу, Исаак (Barrow, 1630—1677) 137, 138
Бартолин, Эразм (Bartholin, 1625—1698) 136, 137, 166
Бачинский, Алексей Иосифович (1877— 1944) 339
Беккер, Г. (Becker) 481
Беккерель, Антуан Анри (Becquerel 1852—1908)354,355,366, 384, 386,462
Белл, Александр Грэйам (Bell. 1847—1922) 301, 334, 352
Белопольский, Аристарх Аполлонович (1854—1934) 375, 376
Бенардос, Николай Николаевич (1842— 1905) 274
Берар, Жак Этьен (Berard, 1789—1869) 261
Бернулли, Даниил (Bernoulli, 1700—1782) 92, 132, 144, 155, 204, 351
Бернулли, Иоганн (Bernoulli, 1667—1748) 92, 144, 146, 147
Бернулли, Якоб (Bernoulli, 1654—1705) 92
Берцелиус, Иене Якоб (Berzelius, 1779— 1848) 255
Бете, Ганс Альбрехт (Bethe, род. 1906) 487 , 489
Био, Жан Батист (Biot, 1774—1862) 234, 243 , 244 , 251, 252 , 361
Бируни, Абу-Рейхан-Мухаммед Ибн-Ах-мед аль-Бируни (973—1048) 82
Блати, Отто Титус (Blathy, 1860 -1939) 273
Блохинцев, Дмитрий Иванович (род. 1908) 473, 480
Блэк, Джозеф (Black, 1728—1799) 154
Блэкетт,Патрик Мейнард Стюарт (Blackett) 488, 489
496
ИМЕННОЙ указатель
Боголюбов, Николай Николаевич (род. 1909 г.) 488
Богуславский, Сергей Анатольевич (1883— 1923) 469
Бо-де-Роша (Beau-de Rochas) 201
Бозе, Джегдиш Чандра (Bose, 1858—1937) 335, 362
Бозе, Матиас (Bose, 1710—1761) 158
Бозе Шатьендранат (Bose, р. 1892) 478
Бойль, Роберт (Boyle, 1627—1691) 90, 106, 131, 133, 136, 155, 255, 338, 345, 346
Болтон, Меттью (Bolton, 1728—1809) 175, 177
Больцман, Людвиг Эдуард (Boltzmann, 1844—1906) 344 , 348 , 349—351, 357, 359, 360, 367, 368, 370, 382, 389, 390, 462
Бонч-Бруевич, Михаил Александрович (1888—1940) 330, 431,470
Бор, Нильс Генрик Давид (Bohr, род. 1885) 111, 356, 383, 389, 390, 395, 396, 467 476—479, 482, 484, 486
Борн, Макс (Born, род. 1882) 479
Боте, Вальтер (Bothe, 1891—1957) 479, 481
Браге, Тихо (Brahe, 1546—1601) 82 , 98 Брадлей, Джемс (Bradly, 1693—1762) 135 Брама, Джозеф (Bramah, 1749—1814) 187 Брамагупта (598 — ок. 660) 81, 82 Бранли, 301, 363
Бройль, Луи де (de Broglie, род. 1892) 390, 479, 480
Бруно, Джордано (Bruno, 1548—1600) 97 Брэгг, Уильям Генри (Bragg, 1862—1942) 385, 481, 482
Брэгг, Уильям Лоуренс (Bragg, род. 1890) 385, 471
Брюстер, Давид (Brewster, 1781 —1868) 234, 251
Бугер, Пьер (Bouguer, 1698—1758) 150, 151
Бунзен, Роберт Вильгельм (Bunsen, 1811 — 1899) 353
Бэкон, Роджер (Bacon, 1214—1294) 86, 87
Бэкон, Френсис (Bacon, 1561 —1626) 88, 90, 101, 102, 104, 127
Бюрги, Иоост (Biirgi, 1552—1632) 105
Бюрден, Клод (Burdin, 1790—1873) 204
Вавилов Сергей Иванович (1891 —1951) 145, 471—478
Вагнер 386, 487
Вайнтрауб 329
Ван ден Брек 389
Ван-дер-Ваальс, Ян Дидерик (Van der
Waals, 1837—1923) 338, 339
Варбург. Эмиль (Warburg, 1846—1931) 347
Вариньон, Пьер (Varignon, 1664—1722) 146, 147
Введенский, Борис Алексеевич (род. 1893) 432, 474
Вебер, Вильгельм Эдуард (Weber, 1804—
1891) 218 , 352 , 355—357 , 364
Вене, Пьер (Weiss, 1865—1940) 395
Вильке, Иоганн Карл (Wilke, 1732—1796) 154, 159, 160
Вин, Вильгельм (Wien, 1864—1928) 367, 368 , 375, 382 , 385, 389
Винер, Норберт (Wiener, род. 1894) 448
Винклер, Иоганн Генрих (Winkler, 1703— 1770) 158
Вителло (Vitello, XIII в.) 87
Волластон, Уильям Хайд (Wollaston, 1766—1828) 234, 251, 253
Вольта, Алессандро (Volta. 1745—1827)
216, 234—236
Вольф, Христиан (Wolf, 1679—1754) 104, 197
Вульф, Георгин (Юрин) Викторович (1863—1925) 385, 477
Вустер, Эдвард (Worcester, XVII в.) 481
Вышнеградский, Иван Алексеевич (1831 — 1895) 289, 290, 339, 445
Галилей, Галилео (Galilei, 1564—1642) 48, 53, 88, 89, 99—101, 104, 105, 109— 116, 123, 124, 126, 130, 131, 134, 144, 146, 152, 351, 372, 377, 381
Галлей, Эдмунд (Halley, 1656—1742) 132, 137, 148
Гальвани, Луиджи (Galvani, 1737—1798) 234, 235
Гамильтон, Уильям Роуан (Hamilton, 1805—1865) 136. 253, 349
Ган, Отто (Hahn, род. 1879) 388, 477, 484, 486
Гассенди, 351
Гаузен, Христиан Август (Hausen, 1693— 1743) 158
Гаусс, Карл Фридрих (Gauss, 1777—1855) 218, 234, 355, 357, 380
Гебель,Генрих (Gobel, ум. в 90-х гг. XIX в.) 221, 273
Гезехус, Николаи Александрович (1845— 1918) 352
Гейгер, Ганс (Geiger, 1882—1945) 388, 390, 479, 482
Гейзенберг, Вернер Карл (Heisenberg, род. 1901) 468, 476, 479—481
Гей-Люссак, Жозеф Луи (Gay Lussac, 1778—1850) 234, 255,’ 256
Гельмгольц, Герман Людвиг Фердинанд (Helmholtz, 1821 — 1894) 134 , 249 , 259 260 , 263—265, 333 , 339, 340 , 343 , 348, 352—354 . 357 , 361, 364 , 381, 394 , 462
Генрих Джозеф (Henry 1797—1878) 187, 213, 234, 245
Геншель, Карл Антон (Henschel, 1780— 1861) 206
Гераклит Эфесский (ок. 530—470 до н. э.) 42
Герике, Отто фон (Guericke, 1602—1686) 70, 79, 105, 106, 152, 157, 158
Герои Александрийский (ок. 120 до н. э.) 48, 53, 79, 135
Герц, Генрих Рудольф (Hertz, 1857—1894) 301, 361, 362 , 364 , 365, 372 —374 , 464
Герц, Густав (Hertz) 396, 479
ИМЕННОЙ указатель
497
Гесс, Герман Иванович (1802—1850) 250, 264
Гиббс, Джозайя Уиллард (Gibbs, 1839— 1903) 334 , 339, 343 , 344 , 349, 382
Гильберт, Уильям Джильберт (Gilbert, 1540—1603) 87, 156, 157
Гиппарх (160—125 до н. э) 50
Гитторф, Иоганн Вильгельм (Hittorf, 1824—1914) 364, 384
Глаголева-Аркадьева, Александра Андреевна (1884—1945) 471
Голицын, Борис Борисович (1862—1916) 338, 344, 375, 376, 461
Голубицкий, Павел Михайлович (1845— 1911) 301
Гольдштейн, Эжен (Goldstein, 1850—1931) 384
Голяр, Люсьен (Golard, 1850—1888) 273
Гопкинсон, Джон (Hopkinson, 1849—1898) 273
Гопкинсон, Эдвард (Hopkinson) 273
Горнблауэр, Джонатан (Hornblower, 1735—1815) 197
Грамм, Зеноб Теофил (Gramme, 1826— 1901) 207, 211, 215, 270
Грей, Стефан (Gray, 1670—1736) 158, 301, 352
Гримальди, Франческо Мария (Grimaldi, 1618—1663) 136
Грин, Джордж (Greene, 1793—1841) 234, 254
Гриневецкий, Василий Игнатьевич (1871 — 1919) 306
Гров, Уильям Роберт (Grove) 220, 273
Гук, Роберт (Нооке, 1635—1703) 90, 105, 127, 128, 136, 139
Гюйгенс, Христиан (Huygens, 1629—1695) 75, 88, 89, 91, 105, 106, 115—119, 127, 129, 133, 137, 144 , 251, 252 , 254 , 354, 372, 377
Дагер, Луи Жак Манде (Daguerre, 1787— 1851) 353
Даймлер, Готлиб (Daimler, 1834—1900) 296, 297
Д’Аламбер, Жан Лерон (fl'Alembert, 1717—1783) 125, 144—147
Дальтон, Джон (Dalton, 1766—1844) 234, 254—256
Даниэль, Джон Фредерик (Daniell, 1790— 1845) 234, 356
Дебай, Питер Йозеф Вильгельм (Debye, род. 1884) 382, 396
Дезорм, Шарль Бернар (Desormes, 1777— 1862) 256
Декарт, Рэне (Descartes, 1596—1650) 88, 91, 102—104, 107, 111, 113—115, 117, 127, 134—136, 142—145, 239
Демокрит (ок. 460—370 до н. э.) 43, 44, 46, 51, 79, 391
Депп, Георгий Филиппович (1854—1921) 279, 306
Депре, Марсель (Deprez, 1843—1918) 6, 271, 405
Дери, Машса (Deri, 1854—1938) 273
Джинс, Джемс Хопвуд (Jeans, 1877—1946) 382, 383
Джоуль, Джемс Прескотт (Joule, 1818— 1889) 250, 256, 262 —264 , 339
Дивиш, Прокоп (Divisch, 1696—1765) 160
Дизель, Рудольф (Diesel, 1858—1913) 283, 284, 307, 331
Дирак, Поль Адриен Морис (Dirac, род. 1902) 468, 476, 478 479, 482, 483
Доливо-Добровольский, Михаил Осипович (1862—1919) 6, 275, 279, 315
Доллонд, Джон (Dollond, 1706—1761) 149
Доминис, Марк Антоний (Dominis, 1566 — 1624) 136
Доплер, Христиан (Doppler, 1803—1853) 350, 352, 375, 378
Друде, Пауль (Drude, 1863—1906) 393, 394
Дубинины — братья: Василий, Герасим и Макар Алексеевичи (Пая половина XIX века) 228
Дьюар, Джемс (Dewar, 1842—1923) 339
Дэви, Гемфри (Davy, 1778—1829) 234, 236, 336, 345, 346
Дэвиссон, Клинтон Джозеф (Davisson) 479
Дюлонг, Пьер Луи (Dulong, 1785—1838) 234, 256, 382
Дюфе, Шарль Франсуа (Dufay, 1698— 1739) 158
Жамен (Jamin, 1818—1886) 353
Жирар (Girard,) 206
Жиффар, Анри (1825—1882) 229
Жолио-Кюри, Фредерик (Joliot-Curie, 1900—1958) 476, 481—487, 492—494
Жонваль (Jonval) 205, 206
Жоффруа (Geoffroy) 187
Жуковский, Николай Егорович (1847—
1921) 300, 319, 334
Журавский, Дмитрий Иванович (1821—-1891) 230
Зворыкин, Константин Алексеевич (1861 — 1928) 227
Зеебек, Томас Иоганн (Seebeck, 1770—1831) 245, 259
Зееман, Питер (Zeeman, 1865—1943) 364, 366, 395, 396
Зеллмейер, Вильгельм (Sellmeyer, 1836—
1904) 354, 394, 395
Земмеринг, Самуил Томас (Sommering, 1755—1830) 216
Зенон Элейский (V в. до н. э.) 51
Зилов, Петр Алексеевич (1850—1921) 360, 361, 462
Зоммерфельд, Арнольд (Sommerfeld, 1868— 1951) 385, 396.
Ибн-Сина, Абу-Али (Авиценна, Avicenna, ок. 980—1037) 82
Иваненко, Дмитрий Дмитриевич (род.
1904) 476, 481—483, 488
498
ИМЕННОЙ указатель
Игнатьев, Григорий Григорьевич (1846— 1898) 301
Иоффе, Абрам Федорович (род. 1880) 390, 467—469, 471, 473— 475, 478
Кавендиш, Генри (Cavendish, 1731 —1810) 161, 334
Кальете, Луи Поль (Caillete’t, 1832—1913) 339
Камерлинг Оннес, Гейне (Kamerling Onnes, 1853 -1926) 333, 393, 462
Кант, Иммануил (Kant, 1724—1804) 149, 378
Капелюшников, Матвей Алкунович (род. 1886) 416
Каплан, Виктор (Kaplan, 1876—1934) 308
Карно, Никола Леонар Сади (Carnot, 1796—1832) 234, 257 -259, 265, 283, 284, 341, 343
Картрайт, Эдмунд (Cartwright, 1743— 1823) 173
Кастерин, Николай Петрович (1869—1947) 353
Кауфман, Вальтер (Kaufmann, 1871 —1947) 369, 384, 385
Кей, Джон (Key, 1704—1774) 163
Кеплер, Иоганн (Kepler, 1571 —1630) 83, 88, 89, 97—99, 105, 111, 126—130, 134— 136
Кертис, Гленн Хемонд (Curtis, 1878—1930) 307
Керр, Джон (Кегг, 1824—1907) 353
Кирпичев, Михаил Викторович (1879— 1955) 306, 339
Кирхгофф, Густав Роберт (Kirchhoff 1824 1887) ’341, 352 -354, 356, 366, 462
Кирхер, Атанасиус (Kircher, 1601—1680) 134
Клапейрон, Бенуа Поль Эмиль (Clapeyron, 1799—1864) 254, 255, 337
Кларк, Юрайя (Clarke) 356
Классон, Роберт Эдуардович (1868—1926) 295, 309, 411
Клаузиус, Рудольф Юлиус (Clausius, 1822—1888) 337, 339—344, 346, 348, 364 . 394, 462, 463
Клейст, Эвальд Георг (Kleist, 1700—1748) 158
Клеман (Clement, ум. в 1841) 256
Клеро, Алексис Клод (Clairaut, 1713— 1765) 148, 149
Клиффорд, Вильям (1845—1879) 381
Книппинг, Пауль (Knipping, 1883—1935) 385
Колли, Роберт Андреевич (1845—1891) 462
Книдский, Эвдокс (405—355 до н э.) 49
Кольрауш, Рудольф Герман (Kohlrausch, 1809—1858)‘357
Комптон, Артур Холли (Compton, род.
1892) 478, 480, 483
Коперник, Николай (Kopernik, 1473— 1543) 88, 94—101, 111, 126, 149
Коули (Cowley) 76, 168, 169, 171, 172, 174, 184
Коши, Огюстен Луи (Cauchy, 1789—1857) 254
Кржижановский, Глеб Максимилианович (1872—1959) 409, 411, 475
Кремона, Луиджи (Cremona, 1830—1903) 230
Кромптон, Самюэль (Crompton, 1753— 1827) 165
Крукс, Уильям (Crookes, 1832—1919) 364, 384, 388
Кребс, Николай (Николай Кузанский, Nicolaus Cusanus, 1401—1464) 92
Кузьминский, Павел Дмитриевич (1840— 1900) 285, 286
Кук, Вильям Фотергиль (Cooke, 1806— 1879) 218, 222
Кулон, Шарль Огюстен (Coulomb, 1736— 1806) 161, 357
Кульман, Карл (Culman, 1821 -1887) 230
Кундт, Август (Kundt, 1839—1894) 333, 352, 353, 463
Курчатов, Игорь Васильевич (1902—1960) 473, 476, 477, 487
Кюньо, Никола Жозеф (Cugnot, 1725— 1804) 184
Кюри, Ирэн (Jolio-Curie, 1897—1956) 484, 486, 493
Кюри-Склодовская, Мария (Sklodowska-Curie, 1867—1934) 334, 367, 366, 384, 386, 387
Кюри, Пьер (Curie, 1859—1906) 334 , 366, 367, 386, 387, 388, 395
Лаборд, A. (Laborde) 388
Лаваль, Карл Густав Патрик де (de Laval, 1845—1913) 281, 282
Лавуазье, Антуан Лоран (Lavoisier, 1743—1794) 151, 154, 254
Лагранж, Жозеф Луи (Lagrange, 1736— 1813) 125, 144, 146—148, 359
Лазарев, Петр Петрович (1878—1942) 467, 471, 474
Ламберт, Иоганн Генрих (Lambert, 1728— 1777) 150, 151, 153
Ланген, Эйген (Langen, 1833—1895) 200, 201
Ландау. Лев Давидович (род. 1908) 476, 477, 489
Ландсберг, Григорий Самуилович 11890—• 1957) 475
Ланжевен, Поль (Langevin, 1872—1946) 390, 395, 478
Лаплас, Пьер Симон (Laplace, 1749—1827) 133, 148, 149, 154, 244, 252, 256, 352, 378
Лармор, Джозеф (Larmor, 1857—1942) 376, 385
Лауэ, Макс Феликс Теодор (Laue, род.
1879) 385, 396, 471
Лачинов, Дмитрий Александрович (1842— 1902) 271
Лебедев, Петр Николаевич (1866—1912) 234 , 333, 353, 359, 362 , 463—465, 467, 474
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
99
Лебединский, Владимир Константинович (1868—1937) 431, 469
Левенгук, Антони ван (Leeuwenhoek, 1632—1723) 105
Леверье, Урбен Жан Жозеф (Leverier, 1811—1877) 384
Лейбниц, Готфрид Вильгельм (Leibniz, 1646—1716) 74, 89, 103, 143, 144, 147
Лемонье, Гильом (Lemonnier, 1717—1799) 158
Ленард, Филипп (Lenard,	1862—1947)
364, 365
Ленин (Ульянов), Владимир Ильич (1870— 1924) 4 , 37 , 42 , 43 , 79, 143, 162, 183, 184, 193, 267, 268, 304, 351, 391, 392, 397, 401, 405, 407, 408, 413, 415, 416, 427, 431, 450, 456, 466, 468
Ленуар, Этьен (Lenoir, 1822 -1900) 200 Ленц, Эмилий Христианович (1804 1865) 208, 211, 214 , 234 , 236, 249, 250, 262— 265, 279, 356, 393
Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci, 1452—1519) 64 , 89, 92—94, 104, 107, 108, 181, 290, 298, 351, 445
Леонтович, Михаил Александрович (род. 1903) 472, 488
Ливингстон, Давид (Livingston, 1813— 1873) 190, 488
Лилиенталь, Отто (Lilienthal, 1848—1896) 300
Линде, Карл (Linde, 1842—1934) 339
Липпман, Габриель (Lippmann, 1845— 1921) 462
Лиссажу, И. A. (Lissajous, 1822—1880) 352
Литвинов, Степан Васильевич (1785— 1843) 196
Лобачевский, Николай Иванович (1792— 1856) 234, 379—381
Лодж, Оливер Джозеф (Lodge, 1851—1940) 302 363
Лодыгин, Александр Николаевич (1847— 1923) 273, 274
Ломоносов, Михаил Васильевич (1711 — 1765) 91, 104, 132, 143-145, 147, 150, 151, 153-156, 158-161, 254 , 292 , 299, 346, 465
Лорентц, Гендрик Антон (Lorentz, 1853—-1928) 350, 363—365, 369, 373, 374, 376, 378, 382, 383, 393-395
Лоренц, Людвиг, 364, 394
Лошмидт, Иозеф (Loschmidt, 1821 —1895) 347
Лукреций, Тит Лукреций Кар (ок. 99— 55 до н. э.) 44
Люммер, Отто (Lummer, 1860—1925) 353, 368, 389
Ляпунов, Александр Михайлович (1857— 1918) 334
Майер, Юлиус Роберт (Mayer, 1814—1878) 259-263, 334
Майкельсон, Альберт Абрахам (Michelson, 1852—1931) 253, 334 , 350 , 353, 369, 370, 372 , 374, 375, 376
Максвелл, Джемс Клерк (Maxwell, 1831 — 1879) 161, 238 , 239, 244 , 246-249 , 254, 334, 339, 346-349, 354, 357 364, 368 369, 370 , 374 , 376, 394 , 462-464
Максим, Хайрем Стивенс (Maxim, 1840— 1916) 299
Малюс, Этьенн Луи (Malus, 1775—1812) 139, 234 , 251
Мандельштам, Леонид Исаакович (1879— 1944) 431, 473, 475-477 '
Мариотт, Эдм (Mariotte, 1620—1684) 91 125, 131-133, 155,255, 337, 345, 346
Маркс, Карл (1818—1883) 3-6, 60, 85, 90, 162, 164, 168, 170, 177, 181, 182, 184, 185, 194, 233, 270, 271. 293, 391, 404, 407, 436, 439, 444, 446
Маркони, Гульельмо (Marconi, 1874—1937) 303, 363
Марци, Иоганн Маркус (Martius, 1595— 1667) 136
Маторины, Иван Федорович (ранее 1687— 1735) и Михаил Иванович (год рожд. и смерти неизв.) 78
Мах, Эрнст (Mach, 1838—1916) 347
Мейснер, Георг (Meissner) 329 . 393
Мейтнер, Лизе (Meitner, род. 1878) 388.
477
Мельников, Павел Петрович (1804—1880) 231
Менделеев, Дмитрий Иванович (1834— 1907) 228, 255, 291, 299, 334, 336, 337, 383, 384 , 414 , 456, 461, 463 , 478
Мерсенн, Марен (Mersenne, 1588—1648) 116 351
Милликен, РобертЭндрус (Millikan, 1868— 1953) 390, 391, 469
Минковский, Герман (Minkowski, 1864 — 1909) 378
Миткевич, Владимир Федорович (1872— 1951) 330, 373, 393
Михельсон, Владимир Александрович (1860—1927) 339, 367, 368, 375, 461
Можайский, Александр Федорович (1825— 1890) 299
Мозли, Генри (Moseley, 1887—1915) 386, 389
Монгольфье, Жозеф (Montgolfier, 1740— 1810) 298
Мопертюи, Пьер Луи Моро (Maupertius, 1698—1759) 147
Морзе, Самюэл (Morse, 1791—1872) 218, 219, 234
Мушенбрук (правильнее Мюсхенбрук), Питер (Muschenbrock, 1692—1761) 158
Мысовский, Лев Владимирович (1888— 1939) 468, 469, 477
Навье, Луи Мари Анри (Navier, 1785— 1836) 234
Неддермейер, 475, 483
Нейман, Франц Эрнст (Neumann, 1798— 1895) 234, 265, 357
Нернст, Вальтер Герман (Nernst, 1864— 1941) 339, 350, 382, 383
500
ИМЕННОЙ указатель
Нестеров, Петр Николаевич (1887—1914) 319, 322
Нэсмит, Джемс (Nasmyth, 1760—1835) 178. 195
Ньюкомен, Томас (Newkomen, 1663—1729) 76, 168, 169, 171, 172, 174, 184
Ньепс Жозеф Нисефор (Niepse, 1765— 1833) 353
Ньютон, Исаак (Newton, 1643-1727) 88, 90, 97, 103, 107, 115, 119-130, 132-144, 147, 149, 152, 157, 160 , 239, 251, 254, 256, 342, 351, 352, 371, 372, 377, 378, 381, 391
Обухов, Павел Матвеевич (1820—1869) 225
Окатов, Михаил Федорович (1829—1910) 339
Оккама, Вильгельм (ок. 1300—1350) 85
Ом, Георг Симон (Ohm, 1787—1854) 234. 245, 247 , 352 , 393
Оствальд, Вильгельм Фридрих (Ostwald, 1853—1932 ) 347, 370
Павлов Михаил Александрович (1863— 1958) 414
Павлов, Михаил Григорьевич (1793—1840) 237
Папалекси, Николай Дмитриевич (1880— 1947) 330, 431, 473, 476, 477
Папен, Дени (Papin, 1647—1714 ) 74 , 75, 91, 106, 201
Парменид (Parmenides V в. до н. э.) 42
Парсонс, Чарлз Алджернон (Parsons, 1854—1931) 282
Паскаль, Блэс (Pascal, 1623—1662) 91, 106, 130, 131
Паули, Вольфганг (Pauli, 1900—1958) 478, 479, 481
Пачинотти, Антонио (Pacinotti, 1841 — 1912) 215
Пашен, Фридрих (Paschen, 1865—1947) 389, 395
Пельтье, Жан Шарль Анатаз (Peltier, 1785—1845) 234 , 259
Пельтон, А. Л. (1829—1908) 287 , 288
Пеников, Д. А. 289
Перрен, Жан Батист (Perrin, 1870—1942) 350, 365, 384, 390, 482, 485
Петров, Василий Владимирович (1761 — 1834) 220, 234, 236, 237
Петров Николай Павлович (1836—1920) 290
Пикте, Марк Огюст (Pictet, 1752—1825) 339
Пирогов, Николай Николаевич (1843— 1891) 350
Пироцкий, Федор Аполлонович (1845— 1898) 270, 274
Пифагор (ок. 580—500 до н. э.) 42, 80
Планк, Макс Карл Эрнст Людвиг (Planck, 1858—1947) 339, 344 , 348, 349, 368, 381-383, 386, 389, 390, 394, 479
Платон, настоящее имя Аристокл (427— 347 до н. э.) 46, 48, 53, 79, 85
Поггендорф, Иоганн Христиан (Poggen-dorff, 1796—1877) 245, 260. 263
Пойнтинг, Джон Генри (Poynting, 1852— 1914) 361
Ползунов, Иван Иванович (1728—1766) 156, 169-171,173,175,184,198, 290,445
Понселе, Жан Виктор (Poncelet. 1788— 1867) 204, 340
Попов, Александр Степанович (1859—
1905) 302 , 303, 328, 330, 362 , 363, 461
Порта делла, Джамбаттиста (Porta Giambattista della, 1538—1615) 71. 134
Поуэлл, С. Ф. 483, 489
Праут, Уильям (Prout 1785—1850) 383
Предтеченский, А. И. 306
Пристли, Джозеф (Priestley, 1733—1804) 161
Пти, Алексис Терез (Petit. 1791 —1820) 234, 382
Птолемей, Клавдий (Ptolemaeus, 2 в.) 49, 50 , 82-84 , 95-96
Пуанкаре, Анри (Poincare, 1854—1912) 349, 359, 376
Пуассон, Симеон Дени (Poisson, 1781 — 1840) 133, 234, 252, 254, 256
Райт, Уилбур (Wright, 1867—1912) 319
Райт, Орвилл (Wright, 1871 —1948) 319
Рамзай, Уильям (Ramsay, 1852—1916) 388, 456
Ранкин, Уильям Джон Макуорн (Rankine, 1820—1872) 334, 339, 340, 341
Рато, Камилль Эдмонд Огюст (Rateau, 1863—1930) 307
Редтенбахер, Фердинандт (Redtenbacher, 1809—1863)289
Резерфорд, Эрнст (Rutherford, 1871 1937) 386, 388, 389, 470, 486, 489
Рело, Франц (Reuleaux, 1829—1905) 289
Ремер, Олаф (Romer. 1644—1710) 91, 136, 137
Рен, Христофор (1632—1723) 125
Рентген, Вильгельм Конрад (Raentgen, 1845—1923) 366, 373, 374, 383, 384
Реньо, Анри Виктор (Regnault, 1810— 1878) 333-337, 346
Реомюр, Рене Антуан (Reaumur, 1683— 1757) 152, 153
Ридберг, Иоганн Роберт (Rydberg, 1854— 1919) 383, 390
Риттер, Иоганн Вильгельм (Ritter, 1776— 1810) 230, 234, 236, 237, 241.
Ритц, Вальтер (Ritz, 1878—1909) 375, 376, 383
Рихман, Георг Вильгельм (1711 1753) 153, 154, 156, 158-160,256
Риччи, Вильям (Ritchie, 1790—1837) 213, 381
Рождественский, Дмитрий Сергеевич (1876—1940) 394, 466-468, 471, 473-475
Роуланд, Генри (Rowland, Н. А., 1848— 1901) 353, 373
Рубенс, Генрих (Rubens, 1865—1922) 353, 389
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
501
Румкорф, Генрих Даниель (Rilhmkorff, 1803—1877,) 200, 272
Рэлей, Джон Уильям (Rayleigh, 1842— 1919) 352, 354, 368, 382, 383, 462
Савар, Феликс (Savart, 1791—1841) 234, 242, 244, 361
Садлер 173
Саймингтон, Вильям (Symington, 1764— 1833) 187
Сантос-Дюмон, Альберто (Santos-Dumont, 1873—1932) 319
Сафонов, Игнатий Егорович (1806—1850) 204, 206
Сахаров, Андрей Дмитриевич (род. 1921) 488
Сван, Джон Вильсон (Swan, 1828—1914) 221, 273
Сведберг, Теодор (Svedberg, р. 1884) 390
Свинберн, Д. (Swinburne) 273
Севеои, Томас (Savery, 1650—1715) 73-75; 168
Сегнер. Янош Андраш (Segner, 1704—1777) 204
Семенов, Николай Николаевич (род. 1896) 449, 469, 473
Сен-Венан, Адемар Жан Клод (Saint
Venant, 1797—1886) 280
Сент-Клер Девиль, Анри Этьен (Sainte-
Claire Deville, 1818—1881) 225
Скобельцын, Дмитрий Владимирович (род. 1892) 469, 475, 482
Славя нов, Николай Гаврилович (1854— 1897) 274
Смирнов, Николай Васильевич (род. 1900) 294
Смитон, Джон (Smeaton, 1724—1792) 158
Смолуховский, Мариан (Smoluchowski, 1872—1917) 350 , 390
Снеллиус, Виллеброрд (Snellitis, 1580— 1626) 89, 135
Совер, Жозеф (Sauveur, 1653—1716) 351
Содди, Фредерик (Soddy, 1877—1956) 386, 388
Стевии, Симон (Stevin, 1548—1620) 89, 108, 109, 130, 131
Стерджен, Уильям (Sturgeon, 1783—1850) 245
Стефенсон, Джордж (Stephenson. 1781 — 1848) 186
Стодола, Аурель (Stodola, 1859—1942) 282
Стокс, Джордж Габриель (Stokes, 1819— 1903) 354 , 385, 462
Столетов, Александр Григорьевич (1839— 1896) 327, 334, 335, 338, 339, 365, 461-463, 475
Стоней, Джонстон (Stoney, 1826—1911) 364
Тальбот (правильнее Толбот) Уильям Генри Фокс (1800—1877) 353
Тамм, Игорь Евгеньевич (род. 1895) 468, 472, 476, 477, 483, 488
Теллер, Эдуард (Teller, Е.) 487, 488
Тесла, Никола (Tesla, 1856—1943) 275, 363
Тиме, Иван Августович (1838—1920) 227
Томсон, Джозеф Джон (Thomson, 1856— 1940) 333 , 350 , 359. 365, 366 369 374, 384-386, 388, 389 393, 462
Томсон, Уильям (лорд Кельвин) (Thomson, 1824—1907) 339-344, 354, 389, 462
Торричелли, Эванджелиста (Torricelli 1608—1647) 70, 89, 105, 106, 113, 132, 146
Тревитик, Ричард (Trevithick, 1771 —1833) 185, 186
Тэйлор, Фредерик (Taylor, 1856—1915) 187, 227
Уатт, Джемс (Watt, 1736—1819) 169, 174
175, 178, 195, 197, 290, 445
Убальди, Гвидо (маркиз дель Монте, 1545— 1607) 146
Уиллер 477, 484
Уитстон, Чарлз (Wheatstone, 1802—1875) 211, 218, 222, 356
Умов, Николай Алексеевич (1846—1915) 334, 339, 361, 370, 371, 461
Усагин. Иван Филиппович (1855—1919) 272
Фалес Милетский (конец 7 — начало 6 в. до н. э.) 42, 44
Фальк, Иоганн Петер (Falk, 1727—1774) 173
Фарадей, Майкл (Faraday, 1791—1867) 160, 207 , 208, 211, 234 , 239, 246-249, 259, 260, 336, 353-359, 362, 364
Фаренгейт, Даниель Габриель (Fahrenheit, 1686—1736) 152
Фарман, Анри (Farman, род. 1874) 319
Феддерсен, Беренд Вильгельм (Feddersen, 1832—1918) 265
Федоров, Евграф Степанович (1853—1919) 463
Ферма, Пьер (Fermat, 1601 —1665) 135, 136
Ферми, Энрико (Fermi, 1901—1954) 478, 481, 483, 486, 487
Ферранти, Зиро (Ferranti) 294
Феррарис, Галилео (Ferraris, 1847—1897) 275
Физо, Ипполит Луи (Fizeau, 1819—1896) 253 , 254 , 353, 372 , 373, 374 , 378
Филолай (ок. 470—399 до н. э.) 42
Фитч, Джон (Fitch, 1743—1798) 187
Фицджеральд, Джордж Френсис (Fitzgerald, 1851—1901) 374
Флеминг, Джон Амброз (Fleming, 1849— 1945) 329, 393
Флеров, Георгий Николаевич (род. 1913) 477
Фок, Владимир Александрович (род 1898)
468, 471, 473, 476, 480
Фонтен, Ипполит (Fontaine) 270, 271
Форест, де Ли (De Forest, род. 1873) 329, 393
502
именной указатель
Франк, Джеймс (Franck, род. 1882) 396, 477
Франк, Илья Михайлович (род. 1908) 476
Франклин, Вениамин Бенджамин (Franklin, 1706—1790) 158, 159, 160
Фраунгофер, Йозеф (Fraunhofer, 1787— 1826) 234, 253
Френель, Огюстен Жан (Fresnel, 1788— 1827) 139 , 234 , 252-254 , 264 , 363 , 372, 373
Френкель, Яков Ильич (1894—1952) 471, 475, 477, 484
Френсис, Джеймс (Francis, 1815—1892) 206, 286
Фридман, Александр Александрович (1888—1925) 468
Фридрих, Вальтер (Friedrich, род. 1883) 385
Фролов, Козьма Дмитриевич (1726—1800) 67
Фроман, Поль Гюстав (Froment, 1815— 1865) 215
Фуко, Жан Бернар Леон (Foucault, 1819— 1868) 221, 254
Фультон, Роберт (Fulton, 1765—1815) 188, 190
Фурнейрон, Бенуа (Fourneyron, 1802— 1867) 204-206
Фурье, Жан Батист Жозеф (Fourier, 1768— 1830) 234 256, 257, 350
Хорезми, Мухаммед бен-Муса (Algorith-mi, IX в.) 82
Харгривс, Джемс (Hargreaves, 1720—1778)
164, 168
Хвольсон, Орест Данилович (1852—1934) 360, 468
Хевисайд, Оливер (Heaviside, 1850—1925) 374
Хиорт, Серен (Hjort, 1801—1870) 211
Хладни, Эрнст Флоренс Фридрих (Chlad-
ni, 1756—1827) 351
Холмс, Фредерик Хейль (Holmes) 210
Хотинский, М. 202
Хэлл, Джонатан (Hull) 169, 184
Цеинер, Густав Антон (Zeuner, 1828—1907)
339, 341
Цельсий, Андерс (Celsius, 1701—1744) 152, 155
Цеппелин, Фердинанд (Zeppelin, 1838— 1917) 322
Циперновский, Карой (Z.pernovsky, 1853—1942) 273
Чаплыгин, Сергей Алексеевич (1869— 1942) 319
Чедвик, Джеймс (Chadwick, род. 1891) 470, 481
Черепанов, Ефим Алексеевич (1774—1842) 187
Черепанов, Мирон Ефимович (1803—1849)
187
Чернов, Дмитрий Константинович (1839—
1921) 288, 289
Чижов, П. И. 468, 469
Чиколев, Владимир Николаевич (1845— 1898) 221, 222, 295
Чохов, или Чехов, Андрей (г. рожд. не-изв. — ум. ок. 1630) 78
Шанют, Октав (Chanute, 1832—1910) 300, 319
Шарль, Жак Александр Сезар (Charles, 1746—1823) 298
Швамкруг (Schwammkrug) 206
Шварцшильд, Карл (Schwarzschild, 1873—1916) 396
Швейггер, Йоганн Саломон Христоф (Schweigger, 1779—1857) 216
Швейдлер, Эгон (Schweidler, 1873—1948) 386
Шверд, Магнус (Schward, '.792—1871) 253
Шееле, Карл Вильгельм (Scheele, 1742— 1786) 164
Шиллер, Николай Николаевич (1848— 1910) 265, 339, 360, 462
Шиллинг, Павел Львович (1786—1837) 214, 216, 218, 245
Шлаттер, Иван Андреевич (1708—1768) 170, 171
Шпаковский, Александр Ильич (1823— 1881) 221, 279
Шредингер, Эрвин (Schrodinger, род. 1887) 468, 479
Штарк, Иоганнес (Stark, род. 1874) 350, 375 396
Штерн, Отто (Stern, р. 1888) 478, 482
Штрассман, Ф. (Strassmann.) 477, 484, 486
Шулейкин, Михаил Васильевич (1884— 1939) 431
Шухов, Владимир Григорьевич (1853— 1939) 197, 277, 279, 291, 416, 430, 432
Щенснович, Александр Николаевич 295
Званс, Оливер (Evans, 1755—1819) 187, 196
Эвклид (III в. до н. э.) 48-50 , 79 , 82 , 86, 378-380
Эдисон, Томас Альва (Edison, 1847—1931) 273, 295, 329, 334, 352, 393
Эйлер, Леонард (Euler, 1707—1783) 92, 144, 145, 147, 148, 150, 151, 156, 160, 161 204, 250, 351
Эйнштейн, Альберт (Einstein, 1879—1955) 350 , 360 , 372, 376-378 , 381, 382 , 389, 390, 468, 478, 479, 480, 486
Эйфель, Александр Гюстав (Eiffel, 1832— 1923) 323
Эйхенвальд, Александр Александрович (1864—1944) 373, 374, 461
Эмпедокл (ок. 490—430 до н. э.) 43, 47
Энгельс, Фридрих (Engels, 1820—1895) 9, 14, 19, 26, 27, 41, 74, 78, 85, 92, 95, 103, 144, 149, 184, 233, 242, 265, 266,
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
503
271, 293, 326, 344 , 345, 357 , 377, 384, 391, 401
Эндрюс, Томас (Andrews,	1813—1885)
339 462
Эпикур (341—270 до н. э.) 44, 45, 79
Эпинус, Франц Ульрих Теодор (1724— 1802) 160, 161
Эренфест, Пауль (Ehrenfest, 1880—1933) 349, 466
Эриксон, Джон (Ericson, ? — 1389) 192, 202, 203
Эрстед, Ханс Кристиан (Oersted, 1777— 1851) 237-239, 241, 259
Этвеш, Лоранд (Eotvos, 1848—1919) 462
Юз, Давид Эдуард (Hughes, 1831—1900) 334, 352
Юкава, Хидэки (р. 1907) 476, 483
Юленбек, Г. Е. (Uhlenbeck) 468, 478
Юнг, Томас (Joung, 1773—1829) 134,
139 , 234 , 250-252 , 340 , 372
Юрьев, Борис Николаевич (1889—1957) 319
Яблочков, Павел Николаевич (1847—1894) 271-273,294
Якоби, Борис Семенович (1801 —1874) 213, 214, 218, 234, 236, 356

СОДЕРЖАНИЕ
От издательства ........................................................ 2
Введение ............................................................... 3
Глава I. Начальный период развития техники и физики
§ 1. Техника первобытного общества..................................... 11
Развитие орудий труда .............................................. —
Возникновение элементов машины..................................... 16
Возникновение энергетики .......................................... 21
Результат развития техники ........................................ 24
Краткое заключение................................................. 25
§	‘2. Техника рабовладельческого общества............................. 26
Развитие орудий труда ............................................. 27
Развитие машин .................................................... 28
Возникновение новых отраслей техники............................... 33
Возникновение естествознания ...................................... 37
Предел развития техники в условиях рабовладельческого	общества..... 38
Краткое заключение........................................ ....... 39
§	3. Возникновение физики. Физика рабовладельческого общества ......... —
Наука древнего Востока ............................................ 40
Античная нерасчлененная наука ..................................... 41
Физические знания греков .......................................... 48
Краткое заключение ................................	54
Глава II. Физика и техника феодального общества
§ 1.	Техника феодального общества...................................... 55
Развитие орудий труда ............................................. 57
Энергетика феодального периода..................................... 65
Металлургия и металлообработка .................................... 76
Краткое заключение........................................... ....	78
§ 2.	Физика феодального общества........................................ —
Развитие науки Востока............................................. 79
Развитие науки в Европе............................................ 84
Глава III. Физика эпохи разложения феодального общества и ранних буржуазных революций (1500—1765)
§ 1 Первая научная революция ......................................... 88
Борьба за новое мировоззрение...................................... 92
содержание
505
Научная революция Коперника.......................................... 95
Переход к новому методу в	науке........................................ 101
Механика............................................................... 107
Тяготение............................................................... 126
Гидростатика и аэростатика............................................. 130
Оптика ................................................................. 133
Физическая картина мира XVII века....................................... 141
§ 2. Завершение научной революции..........................................  142
Механика................................................................ 143
Оптика ................................................................. 149
Учение о теплоте ....................................................... 152
Электричество и магнетизм	........................................... 156
Краткое заключение...................................................... 161
Глава IV. Развитие техники в период возникновения и утверждения капитализма (1765—1871)
§ 1. Развитие техники в период промышленного переворота (1765—1830)	. 162
• Первый этап промышленного переворота — передача выполнения технологических функций производственного процесса из рук рабочего машине . .	163
Второй этап промышленного переворота — внедрение универсального двигателя .............................................................. 168
Возникновение машиностроения — одно из важнейших последствий промышленного переворота . .	................ ................. 177
Возникновение заводов и фабрик — промышленных объектов машинного производства ........................................................ 182
Возникновение парового транспорта ...................................... 184
Особенности промышленного развития России .............................. 192
Краткое заключение....................................................     193
§ 2. Развитие техники в период утверждения капиталистического строя (1830— 1871) ...................................................................  194
Возникновение и начальный период развития электрических машин.........207
Изобретение и начальный период развития электромагнитного телеграфа . . . 215
Возникновение электрического освещения..................................220
Развитие горного дела и металлургии.....................................222
Развитие машиностроения и металлообработки..............................225
Развитие химической технологии..........................................227
Развитие строительной техники и железнодорожного транспорта............. 229
Краткое заключение ....................................................  231
Глава V. Развитие физики в период победы и утверждения капитализма (1800—1848)
Электричество и магнетизм...............................................231
Оптика .................................................................250
Химическая атомистика и физика газов....................................254
Термодинамика .......................................................... 256
Закон сохранения и превращения энергии .................................259
Краткое заключение .....................................................265
Глава VI. Развитие техники в период империализма и первой мировой войны (1871 — 1917)
§ L Развитие техники в период возникновения монополистического капитализма (1871 — 1900) ....	.	.................................... 267
Общая характеристика периода.......................................... —
506
СОДЕРЖАНИЕ
Возникновение новой энергетики ....................................... 269
Развитие первичной энергетики ........................................ 277
Развитие металлургии и машиностроения..................................288
Развитие химической промышленности.....................................291
Возникновение электрификации.........................................  293
Возникновение автомобилестроения	и зарождение самолетостроения . . 295
Возникновение телефонии и радио....................................... 300
Краткое заключение.................................................... 303
§ 2.	Развитие гехники в период монополистического капитализма и первой мировой войны (1900—1917)	  304
Развитие энергетики....................................................305
Начало развития электрификации ....................................... 309
Развитие металлургии...................................................314
Развитие машиностроения................................................316
Развитие транспорта .................................................. 318
Развитие строительной техники ................................... ....	323
Развитие химических производств ...................................... 325
Развитие техники средств	связи ........................................327
Возникновение электроники..............................................329
Возникновение кинематографии.......................................... 330
Краткое заключение.....................................................331
Глава VII. Развитие физики от середины XIX в. до Великой Октябрьской социалистической революции (1848—1917)
§ 1.	Развитие физики во второй половине XIX в..............................333
Теплофизика............................................................335
Термодинамика......................................................... 339
Статистическая физика .................................................345
Акустика и оптика .................................................... 351
Электродинамика........................................................354
Новые открытия и идеи конца XIX в..................................... 363
Краткое заключение ....................................................368
§ 2.	Развитие физики с начала XX в. до Великой Октябрьской социалистической революции (1900—1917)...............................................  369
Состояние физики в начале XX в........................................ 370
Изменения во взглядах на пространство и время. Теория относительности . . 371 Кванты ............................................................... 381
Рентгеновские лучи и радиоактивность...................................383
Кризис физики и его анализ В. И. Лениным ..............................391
Электронная физика ................................................... 392
Глава VIII. Развитие техники после Великой Октябрьской социалистической революции (1917—1958)
§ 1	Развитие техники в период возникновения и укрепления первого социалистического государства — СССР (1917—1945).................................... 397
Возникновение новых условий развития техники.......................... 397
Условия развития техники при империализме ............................ 401
Условия развития техники	при	социализме..............................404
Развитие энергетики....................................................407
Развитие топливной промышленности .................................... 413
Развитие горной техники............................................... 416
СОДЕРЖАНИЕ
507
Развитие металлургии...................................................420
Развитие машиностроения................................................421
Развитие техники транспорта .......................................... 427
Развитие техники связи ............................................... 431
Краткое заключение.................................................... 433
§ 2	Развитие техники после второй мировой войны (1945—1959)	  134
Возникновение новой энергетики	................................ 136
Возникновение нового машиностроения .................................. 144
Возникновение производства новых	материалов........................... 418
Достижения техники в СССР............................................. 13Э
Краткое заключение.................................................... 459
Глава IX. Развитие физики после Великой Октябрьской социалистической революции (1918—1958)
§ 1.	Советская физика в период 1918—1940 гг................................461
§ 2.	Развитие атомной физики до открытия атомной энергии (1918—1945)	.... 478
§ 3.	Краткий очерк развития физики после второй мировой войны . ...	487
Литература ............................................................... 192
Павел Степанович Кудрявцев, Иван Яковлевич Конфедератов
ИСТОРИЯ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ •
Редакторы Т. В. Михалкевич, Т. С. Гусева.
Художник Е. А. Десятое.
Художественный редактор В. И. Бельский. Технические редакторы М. И. Натапов, Н. И. Махова.
Корректор М. В. Голубева
* * *
Сдано в набор 19/IX 1959 г. Подписано к печати 18/VI 1960 г. 70X100’/i6.
Печ. л. 31% (40,32),.Уч.-изд л. 40,07
Тираж 15 тыс. экз. А. 06912
* * *
Учпедгиз, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41 Ленинградский Совет народного хозяйства.
Управление полиграфической промышленности.
Типография № 1 «Печатный Двор» имени А. М. Горького.
Ленинград. Гатчинская. 26.
Заказ № 1679. Цена без переплета 12 р- Переплет 2 р.