Курс истории физики
Шрифт:
Скорость света. Успехи оптики первой половины XIX столетия не ограничились открытиями, описанными выше. Совершенствование экспериментальной техники позволило взяться за решение задачи, поставленной Галилеем: определить прямыми методами скорость света. Задача эта была решена в середине века почти одновременно двумя французскими физиками: Ипполитом физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868). физо разработал технически идею Галилея. Прерывание светового потока, идущего от источника света, он осуществил автоматически — вращением зубчатого колеса.
Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами, распространяется на некоторое расстояние (в опыте физо около 9 км), отражается от зеркала и идет обратно. Если колесо неподвижно, он попадет в тот же промежуток и направится в глаз наблюдателя. Если же
Меняя скорость вращения колеса и измеряя число его оборотов, можно определить промежуток времени между двумя прохождениями света и скорость света.
физо провел свой опыт в 1849 г., получив для скорости света значение 313000км/с.
В установке Фуко применен метод вращающегося зеркала. Особенностью этого метода была возможность сравнения скорости света в воздухе и воде. Первые же наблюдения, проведенные в 1850 г., показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе. Этот результат рассматривался в то время как решающий аргумент в пользу волновой теории, так что первая половина XIX в. ознаменовалась решительной победой волновой оптики Гюйгенса— Френеля. Корпускулярная теория была сдана в архив. Но через полвека ее идеи вновь привлекли внимание физиков.
Рис. 29. Параллелепипед Френеля
Рис. 30. Призма Френеля
Возникновение электродинамики и её развитие до Максвелла
Успехи электростатики, завершившиеся открытием количественного закона электрических взаимодействий, казалось, предопределили дальнейший путь развития науки об электричестве: накопление экспериментальных фактов в области электростатики, усовершенствование электростатических машин и электрометров, построение математической теории электростатических и магнитостатических взаимодействий. Все это, действительно, и происходило: накапливались новые факты, усовершенствовались приборы и аппараты, появились чувствительные электроскопы, в частности электроскоп Вольты с соломинками, снабженный конденсатором (1782), электроскоп Беннета с золотыми листочками (1787). Вольта установил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением. Под термином «напряжение» он понимал «усилие, производимое каждой точкой наэлектризованного тела, чтобы избавиться от имеющегося в ней электричества и передать его другим телам, каковому усилию соответствуют, вообще говоря, проявления притяжения, отталкивания и т. д. и, в частности, степень расхождения листочков электрометра».
Рис. 31. Схема опыта измерения скорости света по Физо
Физики впоследствии отметили заслугу Вольты во введении в науку такого важного понятия, как «напряжение», присвоением единице электрического напряжения наименования вольт.
Вольта подготовил и создание электрической машины, основанной на новом принципе, изобретением своего электрофора в 1775 г. Этот прибор и Доныне составляет принадлежность Школьных физических кабинетов. Электрофорные машины появились в середине XIX в.
Математическая теория электростатики успешно разрабатывалась Пуассоном, Грином, Гауссом и другими учеными. Однако — и этого никто не мог предвидеть—конец XVIII в. ознаменовался революционным переворотом в науке об электричестве, имевшим неисчислимые научные, технические и общекультурные последствия. Речь идет об открытии электрического тока. Это открытие произошло случайно, но оно уже было подготовлено всем ходом предыдущего развития науки об электричестве.
Физиологические действия электричества, открытие электрических свойств ската заинтересовали
Гальвани. Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Он изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.
В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие.
Через несколько лет войска генерала Бонапарта захватили Италию, в том числе и Болонью, и была образована Цизальпинская республика. Все государственные служащие должны были принести присягу на верность республике. Гальвани отказался это сделать, и в 1797 г. он был уволен в отставку В уважение к его заслугам правительство республики восстановило его в должности, но было уже поздно. Гальвани, удрученный переживаниями (он потерял жену, затем брата), не мог оправиться и 4 декабря 1798 г. окончил свой жизненный путь.
Сделанное им открытие навсегда сохранило его имя в благодарной памяти человечества. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов. Свое открытие сам Гальвани описывает следующим образом:
«Я разрезал и препарировал лягушку... и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина..., при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мыщцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра... Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».
Это классическое по точности описание неоднократно воспроизводилось в исторических работах и породило многочисленные комментарии. Гальвани честно пишет, что явление впервые заметил не он, а два его помощника. Считается, что «другим из присутствующих», указавшим, что сокращение мышц наступает при проскакивании искры в машине, была его жена Лючия. Гальвани был занят своими мыслями, а в это время кто-то начал вращать ручку машины, кто-то дотронулся «легко» скальпелем до препарата, кто-то заметил, что сокращение мышц наступает при проскакивании искры. Так в цепи случайностей (все действующие лица вряд ли сговаривались между собой) родилось великое открытие. Гальвани отвлекся от своих мыслей, «сам, стал трогать острием скальпеля то один, то другой бедренный нерв, в то время как один из присутствовавших извлекал искру, феномен наступал точно таким же образом».
Как видим, явление было очень сложным, вступали в действие три компонента: электрическая машина, скальпель, препарат лапки лягушки. Что является существенным? Что произойдет, если одного из компонентов не будет? Какова роль искры, скальпеля, лягушки? На все эти вопросы и пытался получить ответ Гальвани. Он ставил многочисленные опыты, в том числе и на улице во время грозы. «И вот, замечая иногда, что препарированные лягушки, которые были подвешены на железной решетке, окружавшей балкон нашего дома, при помощи медных крючков, воткнутых в спинной мозг, впадали в обычные сокращения не только в грозу, но иногда также при спокойном и ясном небе, я решил, что эти сокращения вызываются изменениями, происходящими днем в атмосферном электричестве». Гальвани описывает далее, как он тщетно ожидал этих сокращений. «Утомленный, наконец, тщетным ожиданием, я начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке» и здесь обнаружил искомые сокращения, происходившие без всяких изменений «в состоянии атмосферы и электричества».