ЛомоносовМ.В. Ломоносов – зачинатель Российской науки
…Из наблюдений устанавливать теорию, через теорию исправлять наблюдения есть лучший всех способ к отысканию правды.
…Не такой требуется математик, который только в трудных выкладках искусен, но который в изобретениях и доказательствах, привыкнув к математической строгости, в натуре сокровенную правду точным и непоползновенным порядком вывесть умеет.
М.В.Ломоносов
Ныне таковые умы редки, так как большая часть остаются только при опытах, почему и не желают пускаться в рассуждения, другие же впадают в такие нелепые толки, что они в противоречии всем началам здравого естествознания.
Л.Эйлер о М.В.Ломоносове
300 лет назад Россия дала миру одного из величайших людей, входящих в первый ряд универсальных гениев человечества – Михаила Васильевича Ломоносова.
Открытия его опередили мировую науку на целые века и с течением времени значение их только возрастает. Нам, его наследникам, они представляются величайшими и глубочайшими прозрениями. Работы Ломоносова навсегда определили облик Российской науки, а открытия крупнейших отечественных ученых, воспринимаются нами как работы его непосредственных учеников и продолжателей.
Общепризнанным и наиболее значительным вкладом Ломоносова в естествознание справедливо считается молекулярно-кинетическая теория тепла, разработанная им во времена господства в мировой науке теория особой огненной материи – теплорода, посредством которой передается тепло. Согласно теории теплорода масса тел увеличивается при нагревании вследствие того, что теплород проникает в поры тел и остается там. На конкретный примерах физических явлений Ломоносов продемонстрировал несостоятельность теории теплорода и показал что, тем самым, «устраняются смутные домыслы о некоторой бродячей, беззаконно скитающейся теплотворной материи». В своей теории вместо общепринятого тогда слова «элемент» Ломоносов употребляет слово «атом», а вместо «корпускула» – «молекула» (1748).
Ломоносов предложил близкую к современной кинетическую модель идеального газа и на ее основе объяснил зависимость между объёмом и упругостью воздуха (ранее для объяснения упругости газов предлагались, например, некие особые «упругие частицы»). Ломоносов впервые получил ртуть в твердом состоянии, установил её упругость и электропроводность, что стало основанием для отнесения этого вещества к металлам (1759).
Теория Ломоносова имела огромный резонанс в европейской науке. Впервые с начала своей двухтысячелетней истории атомистика получила объективное научное доказательство. Древнее натурфилософское учение об атомах Ломоносов перевёл в разряд строгой науки. Ломоносову мы обязаны более глубоким и универсальным пониманием динамики микромира. Фактически Ломоносов сделал для атомистики то же, что сделал Ньютон для механики макромира: выделил её основные, базовые положения, чётко их сформулировал и на конкретных примерах показал их полноту и силу; с небольшими поправками эти положения целиком входят и в современную нам науку.
С молекулярно-кинетической теорией Ломоносова тесно связан и его закон сохранения вещества и движения. Принцип сохранения движения стал в этой теории начальной аксиомой при обосновании теплового движения микрочастиц. От этого ломоносовского принципа идет прямая дорога и к закону сохранения энергии и к эйнштейновской эквивалентности массы и энергии.
На базе своей молекулярно-кинетической теории Ломоносов заложил основы физической химии. Зимой 1752/53 г. Ломоносов впервые в истории науки читал студентам академического университета курс физической химии в своей Химической лаборатории, первой учебной и научно-исследовательской лаборатории в России.
Даже если не рассматривать труды по гуманитарным наукам и замечательную поэзию Ломоносова, широта одних только естественнонаучных его интересов поражает наше воображение. Любое природное явление вызывало его исследовательскую страсть. Будучи официально профессором химии Петербургской академии, он занимался и физикой (кроме теплоты и механики – электричеством и оптикой), а также астрономией, геологией, географией, метеорологией, навигацией, металлургией. Всего не перечесть.
Широта научных интересов ученого, казалось бы, неизбежно должна приводить к поверхностному взгляду на вещи. Но с Ломоносовым этого не случилось. Необычная глубина и удивительная прозорливость Ломоносова проявляются, при внимательном рассмотрении, во всех областях науки и техники, которыми он занимался. В короткой заметке с достаточной полнотой можно только перечислить, да и то не все научные труды Ломоносова, но чтобы убедиться в их огромной научной ценности и глубине достаточно более подробно рассмотреть труды Ломоносова по атмосферному электричеству и полярным сияниям, не относящиеся к основной его официальной сфере деятельности (химии и связанным с нею практическим задачам).
Электрические явления Ломоносов изучал вместе с профессором физики Рихманом. В ходе этих исследований была создана экспериментальная установка («громовая машина»), основу которой составлял генератор статического электричества и подключенный к нему электроскоп с градуированной шкалой. Ещё один электроскоп со шкалой подключался к выведенному наружу железному стержню (прообразу громоотвода). Эти установки размещались в домашних лабораториях Ломоносова и Рихмана; они понимали, конечно, сколь опасны такие опыты для их жизни (Рихман был убит ударом молнии во время опытов в сильную грозу 26 июля 1753 г.).
В этих экспериментах была доказана тождественность лабораторного и атмосферного электричества: «натуральной в воздухе электрической силы суть те же причины, что есть трение или теплота, розно или совокупно». Атмосферное электричество приписывалось тогда Божьему промыслу и на экспериментальное его изучение налагалось церковное табу. Ломоносов же создал строго научную теорию атмосферного электричества, которая в полной мере соответствует современным взглядам. В своей теории Ломоносов исходил из принципа генерации электрических зарядов в результате относительного движения и трения атмосферных частиц: «теплота и электрическая сила происходят от трения; теплота требует сильного к движению грубых частиц, электрическая сила – нежного к побуждению тончайших частиц» (прозрение об электроне почти за двести лет до его открытия).
В истории мировой науки пионером исследований атмосферного электричества часто считают Франклина. Однако работы Ломоносова в этом направлении были начаты раньше и привели его к более глубоким и во многом более правильным выводам. Многое из того, что у Франклина было только смутными догадками, у Ломоносова обосновывается многочисленными наблюдениями природных явлений и математическими расчетами. Франклин, как и Ломоносов, правильно полагал, что электрические заряды, вызывающие грозовые процессы, генерируются в результате встречного движения верхних холодных и нижних более тёплых слоев атмосферы, но в понимании этого процесса Ломоносов продвинулся дальше Франклина: «Я также произвёл расчёт и доказал, что верхний воздух не только может, но и должен стекать вниз, чего у Франклина нет и следа» (из письма Ломоносова к Эйлеру).
Схема образования вертикальных воздушных потоков в атмосфере.
Рис. М. В. Ломоносова. 1753.
В своей теории Ломоносов правильно полагал, что электрические заряды находятся не только на поверхности грозового облака (так считалось вплоть до конца XIX века), но заполняют весь объём облака: «распространяясь по облаку, весь оный занимает».
Поражаемость молнией отдельных участков земной поверхности Ломоносов связывает с состоянием атмосферы, прежде всего её температурой и влажностью, а также с проводимостью земных пород: «те места, которые прежде громовых туч солнечными лучами освещены и нагреты были, безопаснее теней почитать можно».
Независимо от Франклина Ломоносов изобрёл громоотвод: «электрическая в облаках сила до земной поверхности простирается и принимается всякого рода телами, а особливо теми, которые завостроватые концы имеют». Предлагал он и другие средства защиты от гроз: «не токмо колокольным звоном, но и частою пушечного пальбою во время грозы воздух трясти не бесполезно».
На основе наблюдений и своей теории вертикальных перемещений воздушных масс Ломоносов объяснял также внезапное наступление холодов и другие природные явления.
Ломоносов первым правильно понял общую электрическую природу молний и северного сияния: «Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их места выскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется. В северном сиянии всполохи или лучи хотя не так скоропостижно происходят по мере пространства всего сияния, однако вид подобный имеют, ибо блистающие столпы северного сияния полосами от поверхности электрической атмосферы… перпендикулярно почти простираются; не иначе, как в помянутом электрическом шаре от вогнутой круглой поверхности к центру сходящиеся лучи блистают. Цвет во обоих явлениях бледный. Все северного сияния показанные виды не могут быть пары или облака, каким-нибудь блистанием освещенные. Сверх сего, иногда и во время самого северного сияния блеск зарницы мною примечен… Из сего оказывается, что северное сияние и зарниц всполохи не натурою, но градусом сил и местом разнятся».
С удивительной для тех лет точностью Ломоносов измерил высоту одного такого сияния, наблюдавшегося в Петербурге 16 октября 1753 г.: «сколько возможно было смерив вышину нашел 20, ширину 136 градусов; откуда выходит вышина верхнего края дуги около 420 верст», т.е. ~ 450 км. И делает выводы: «Положение северного сияния выше пределов атмосферы… электрическая сила… до самой поверхности атмосферы простирается… и в свободном эфире сияние производится». По современным измерениям, нижняя граница сияний находится на высоте 95-100 км, а верхняя – на высоте ~ 400-600 км (иногда простирается до 1000-1100 км).
Северные сияния.
Рис. М. В. Ломоносова. 1753.
Догадки Ломоносова о принципиальном сходстве сияний с электрическим разрядом и локализации сияний над атмосферой полностью подтвердились, но чтобы доказать это потребовалось 200 лет упорных трудов. Во времена Ломоносова не было общепринятого представления о природе полярных сияний: они трактовались, например, как проекция на ночное небо огня исландского вулкана Гекла, отражённого во льдах северных морей; как возгорание сернистых, селитряных и других паров в верхних слоях атмосферы и т.д.
Ломоносов предсказал и знаменитый овал полярных сияний, также открытый спустя 200 лет: «окружению северного сияния надлежит быть равну кругам, экватору параллельным… той ширины, в которой оно положение свое на поверхности атмосферы имеет, что по пропорции вышины регулярной северного сияния дуги к ея ширине видеть можно».
В то же время некоторые соображения о полярных сияниях были опубликованы Франклином. В связи с этим, Ломоносов писал Эйлеру: «Мнение Франклина о северном сиянии совершенно расходится с моим. Ведь электрическую материю, необходимую для образования северного сияния, он старается привлечь с тропиков к полюсам; я же нахожу её в изобилии на месте; он не излагает, каким образом это происходит, а мимоходом в нескольких словах намечает свою догадку, а я подробнейшим образом изъясняю свою теорию».
Электрическую природу усматривал Ломоносов и в кометных хвостах: «Распростертые косы в хвосте кометы совершенно сходствуют со столпами и лучами, которыми блещет северное сияние».
Теории и догадки Ломоносова об очень сложных, до сих пор до конца неизученных природных явлениях, связанных с электричеством, многие из которых подтвердились полностью или в наиболее важной своей части только через 100-200 лет, поражают самое смелое воображение своей поистине великой силой и глубиной, проступающими сквозь некоторую архаику языка и частично устаревшую терминологию. А ведь наука об электричестве тогда только-только нарождалась, и ни один из основных её законов не был открыт. Современники Ломоносова представляли электричество как некой «невесомый флюид», особую, отдельную от вещества жидкость, переливающуюся в электризуемое тело.
Результаты многолетних (1744-1753) работ Ломоносова в этом направлении были обобщены и представлены на специальном заседании Петербургской академии 26 ноября 1753 года в большом докладе «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих, предложенное от Михайла Ломоносова». Доклад Ломоносова проходил при большом стечении народа, помимо самих академиков, и сопровождался опытами с «громовой машиной». Он был опубликован в академических изданиях и реферировался в зарубежной научной литературе. Из этого доклада взяты и все цитаты, приведенные выше курсивом (кроме цитат в эпиграфе).
Однако эти работы не были восприняты учеными (заочно признаны были только Эйлером), а гибель Рихмана была воспринята не только церковью и околонаучным обществом, но и многими членами Петербургской академии как Божью кару. Теория атмосферных электрических разрядов Ломоносова вызвала восхищение Эйлера и резкую неприязнь широких академических кругов Петербурга. Финансирование этих работ было прекращено, и на дальнейшие исследования в этом направлении фактически был наложен официальный запрет.
Но хотя возможность и доступ к экспериментальным исследованиям в этом направлении Ломоносову был перекрыт, он продолжал размышлять о природе электрических явлений, первым сказал об общем происхождении света и электричества и создал оригинальную теорию света, представляя его как колебательный процесс в пространстве (отчасти предвосхитил идеи электромагнетизма более, чем за 100 лет): «Электрическая сила есть действие, вызываемое легким трением в чувствительных телах и состоящее в силах отталкивательных и притягательных, а также в произведении света и огня».
Ломоносов спроектировал и построил более десятка принципиально новых оптических приборов: оригинальную зажигательную систему, первые приборы ночного и подводного видения и многое другое. Усовершенствовав конструкцию знаменитых телескопов Ньютона и Грегори и дополнив их, для увеличения светосилы, зеркальным рефрактором, Ломоносов построил опытный образец телескопа нового типа (1762); через 25 лет аналогичная идея применялась в телескопе-рефракторе Гершеля.
Наблюдая прохождение Венеры по солнечному диску в своей домашней обсерватории, Ломоносов обнаружил световой ободок вокруг Венеры и, правильно истолковав его рефракцией света, открыл наличие у Венеры атмосферы (1761). Ломоносов не придавал этому открытию большого значения, и в дальнейшем оно долгое время приписывалось более поздним работам Гершеля и Шретера.
Для исследований на разных высотах Ломоносов разработал физические основы аппаратов вертикального взлёта; много позже похожая идея обнаружилась в архивах Леонардо да Винчи, но Ломоносов не ограничился теорией, а представил и действующую модель такого аппарата, близкого по замыслу к современному вертолёту.
Построенная под руководством Ломоносова Усть-Рудицкая стекольная фабрика была принципиально новым для того времени предприятием – прообразом современного научно-производственного комплекса, главное место в котором было отведено научной лаборатории, что позволило непрерывно совершенствовать производственный процесс. Здесь Ломоносов создал свою науку о стекле – яркий пример органичного сочетания теории и эксперимента с выходом на актуальные практические задачи.
Ломоносов не был ни атеистом, ни вульгарным материалистом, был очень далёк от упрощенного механицизма своей эпохи. Природа для него была едина, а многообразие природных явлений – проявлением общих фундаментальных законов: «натура в произвождении многообразных дел тщива и расточительна, а в причинах их скупа и бережлива»; отсюда – удивительное логическое единство его трудов в разных, казавшихся тогда несвязанными между собой областях науки. Поэтому даже его частные ошибки, исторически неизбежные во всяком глубоком научном прорыве, оказались чрезвычайно плодотворны.
В своих гениальных прозрениях Ломоносова настолько опережал научные представления своей эпохи, что из современников только великий Эйлер смог по достоинству оценить его научные труды, но и его смущали большая их оригинальность и смелость. Современники воспринимали его больше как великого поэта и изобретателя. Этому заблуждению способствовала и декларируемая им общественная позиция: Ломоносов не был замкнутым только на науку лабораторным ученым («заблуждаются физики, когда пренебрегают тем, что даёт повседневный опыт, и ставят изысканные и трудные опыты»). На природу он смотрел не только как ученый, но и глазами поэта и философа. Естественнонаучные идеи пронизывают и многие поэтические творения Ломоносова, такие как ода «Вечернее размышление о Божием величестве при случае великого северного сияния», а «Ода о пользе стекла» может служить эпиграфом ко всему современному материаловедению и нанотехнологиям. Такая цельность натуры, при всём её многообразии и глубине, и определяет уникальный, а если всмотреться и сравнить с другими великими людьми – единственный в мировой истории феномен Ломоносова.
А.С.Ковтюх