Ломоносов и физика

Физические воззрения, стремления в области физики, методологические взгляды Ломоносова отличались от взглядов подавляющего большинства современных ему учёных. В отличие от ньютонианцев, Ломоносов в своих физических исследованиях широко использовал гипотезы. Он был противником концепции невесомых жидкостей, которой придерживались многие физики его времени. Он не признавал дальнодействующих сил, которые всё в большей степени применяли для объяснения физических явлений.

Ломоносов внёс огромный вклад в развитие физической науки в России. Ко времени, когда жил и творил Ломоносов, физика уже представляла собой относительно развитую науку со своими теоретическими и экспериментальными особенностями, установленными многими поколениями исследователей. В XVII-XVIII вв. учёные-физики причисляли тепло и свет к числу каких-то неощутимых невесомых жидкостей, будто бы находящихся в порах материальных тел или, наоборот, отсутствующих в них. Первый ощутимый удар по этой теории был нанесён атомно-кинетической концепцией строения вещества и законом сохранения материи и движения, установленными Ломоносовым.

В работе Ломоносова «Опыт теории о нечувствительных частицах тел и вообще о причинах частных качеств» впервые излагались основы кинетической теории тепла. "Теплота тел состоит во внутреннем их движении», — писал учёный. И далее он пояснял: «Внутреннее движение как величина может увеличиваться и уменьшаться, почему разные степени теплоты определяются скоростью движения собственной материи…".

Наиболее полное изложение теория теплового движения частиц материи получила в работе Ломоносова «Размышления о природе теплоты и холода». Рассматривая различные формы движения материи и её мельчайших частиц, Ломоносов делил их на три вида: поступательное движение, колебательное и коловратное (вращательное). Тепловое движение частиц материи он относил к категории вращательного движения. «Теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи», — утверждал учёный. Вот логические выводы Ломоносова, по которым “достаточное основание теплоты заключается”: “в движении какой-то материи” — так как “при прекращении движения уменьшается и теплота”, а ”движение не может произойти без материи”; “во внутреннем движении материи”, так как недоступно чувствам; “во внутреннем движении собственной материи” тел, то есть “не посторонней”; “во вращательном движении частиц собственной материи тел”, так как “существуют весьма горячие тела без…” двух других видов движения — “…внутреннего поступательного и колебательного”, напр. раскалённый камень покоится (нет поступательного движения) и не плавится (нет колебательного движения частиц).

В работах о причине теплоты Ломоносов рассматривал весьма важный вопрос о границах скоростей теплового движения мельчайших частиц материи. Он не ограничивал максимальную скорость этого движения, однако нижним пределом считал полное отсутствие теплового движения в материи. Таким образом, Ломоносов высказал мысль о существовании абсолютного нуля, т. е. температуры, при которой полностью прекращается тепловое движение частиц материи. Однако, подчёркивал он, высшей степени холода на земном шаре нигде не существует, «всё, что нам кажется холодным, лишь менее тёпло, чем наши органы чувств”.

Молекулярно-кинетическую теорию теплоты Ломоносов распространил также и на внеземные объекты, объяснив на её основе процесс передачи тепла от Солнца на Землю. Ломоносов заложил первые камни в основание науки о теплоте. Однако понадобилось почти целое столетие, чтобы идеи Ломоносова были приняты официальной наукой и получили дальнейшее развитие.
Одновременно с разработкой молекулярно-кинетической теории теплоты Ломоносов создавал основы молекулярно-кинетической теории газов, прежде всего воздуха. Ломоносов представил Академическому собранию специальную диссертацию “Опыт теории упругости воздуха”, в которой доказывал, что давление воздуха объясняется не какой-то особой “расширительной силой”, а движением частиц самого воздуха, имеющих форму шариков с шероховатой поверхностью. На Академическом собрании с замечаниями по поводу диссертации Ломоносова выступил академик Г. В. Рихман. Он высказал мнение, что диссертация Ломоносова не объясняет, почему упругость воздуха пропорциональна его плотности. Замечание известного физика заставило Ломоносова осуществить серию опытов по проверке закона Бойля. Ломоносов писал, что в его диссертации об упругости воздуха “не хватает объяснения очень известного закона, а именно, что упругость воздуха пропорциональна плотности”. Вскоре великим учёным было подготовлено “Прибавление к размышлениям об упругости”. В этих работах Ломоносов впервые сформулировал основы молекулярно-кинетической теории газов, показал, что при очень больших давлениях упругость газа отступает от закона Бойля.

В своих физических исследованиях Ломоносов уделял большое внимание изучению и объяснению световых явлений, а также теории цветообразования. Ломоносов впервые попытался установить связь между тепловыми, химическими, световыми и электрическими процессами, происходящими в природе. Все эти процессы сводились им к различным формам движения различных групп мельчайших частиц материи в материальной среде — эфире. Кроме того, учёный выдвинул гипотезу о наличии в эфире трёх групп частиц, отличающихся по своим размерам. Каждая группа или род частиц определяет один из основных цветов: красный, жёлтый или голубой. «Прочие цвета рождаются от смешения первых”.

Наряду с исследованиями явлений теплоты и света, Ломоносов уделял большое внимание изучению электрических явлений. В XVII-XVIII вв. вопросы статического электричества были практически не изучены. Современники Ломоносова, изучавшие явления электричества, пользовались теми же методами, что и при исследовании тепловых процессов. Они и электричество считали “невесомым флюидом”, разновидностью какой-то мифической жидкости, переливающейся в электризуемое тело. Материалисту Ломоносову было чуждо представление о «невесомых жидкостях”. Русский учёный объяснял электричество так же, как явления теплоты и света, движением мельчайших частичек эфира.

Ломоносову принадлежат несколько работ, посвящённых исследованию атмосферного и статического электричества. Ломоносов писал: “Без всякого чувствительного грому и молнии происходили от громовой машины сильные удары с ясными искрами и с треском, издалека слышным, что ещё нигде не примечено и с моею давнею теориею о теплоте и с нынешнею об электрической силе весьма согласно…”. По существу в этих строках изложено сообщение об открытии электрического поля в атмосфере. Возникновение атмосферного электричества Ломоносов связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха, происходящими в результате различия давления и температур в верхних и нижних слоях атмосферы. Электрические заряды, вызывающие грозовые процессы, являются следствием трения частиц потоков воздуха. Учёный старался открыть закономерности возникновения электричества в атмосфере, чтобы потом использовать их в практике — «отвратить от храмин наших гром».

Широкое развитие в середине XVIII в. экспериментальных исследований в области электричества стимулировало попытки теоретического обоснования электрических явлений. Электрические явления, по мнению учёного, основываются на вращении частичек эфира. Эта теория в своей основе является кинетической. “Электрические явления, — писал Ломоносов, — притяжение, отталкивание, свет и огонь — состоят в движении. Движение не может быть возбуждено без другого двигающегося тела”. Ломоносов объяснял механизм электризации стекла посредством трения: «Через трение стекла производится в эфире коловратное движение его частиц… От поверхности стекла простирается оное движение по удобным к тому особливо водяным или металлическим скважинам». Таким образом, электрические явления, подобно световым и тепловым, основоположник русской науки рассматривал как различные формы движения материальной субстанции — эфира.

Эфирная теория электричества, разработанная Ломоносовым, сыграла прогрессивную роль в развитии науки об электричестве. Труды Ломоносова в области физики явились крупным вкладом в эту важнейшую науку о природе. Они развивались и дополнялись учёными последующих лет и способствовали тому, что физика стала общепризнанным лидером естествознания.

Ломоносов в астрономии и опто-механике

«При выступлении Венеры из Солнца, когда передний ее край стал приближаться к солнечному краю и был (как просто глазом видеть можно) около десятой доли Венерина диаметра, тогда появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила. Вскоре оный пупырь потерялся, и Венера оказалась вдруг без края”. (М.В. Ломоносов)

26 мая 1761 года, наблюдая прохождение Венеры по солнечному диску, М.В. Ломоносов обнаружил наличие у неё атмосферы. Это космическое явление было заранее вычислено и с нетерпением ожидаемо было астрономами мира. Исследование его требовалось для определения параллакса, позволявшего уточнить расстояние от Земли до Солнца (по методу, разработанному английским астрономом Э. Галлеем), что требовало организации наблюдений из разных географических точек на поверхности земного шара — совместных усилий учёных многих стран.

Они производились в 40 пунктах при участии 112 человек. На территории России организатором их был М.В. Ломоносов, обратившийся 27 марта в Сенат с донесением, обосновывавшим необходимость снаряжения с этой целью астрономических экспедиций в Сибирь, ходатайствовал о выделении денежных средств на это дорогостоящее мероприятие и т. д. Результатом его усилий стало направление экспедиции Н. И. Попова в Иркутск и С. Я. Румовского — в Селенгинск. Немалых усилий также стоила ему организация наблюдений в Санкт-Петербурге, в Академической обсерватории, при участии А.Д. Красильникова и Н.Г. Курганова. В их задачу входило наблюдение контактов Венеры и Солнца — зрительного касания краёв их дисков. М.В. Ломоносов, более всего интересовавшийся физической стороной явления, ведя самостоятельные наблюдения в своей домашней обсерватории, обнаружил световой ободок вокруг Венеры.

Эффект увидели многие наблюдатели: Шапп Д’Отерош, С.Я. Румовский, Л.В. Варгентин, Т. О. Бергман, но только М.В. Ломоносов правильно понял его и объяснил рефракцией солнечных лучей, происходящей в наличествующей у Венеры атмосфере. В астрономии этот феномен рассеяния света, отражение световых лучей при скользящем падении (у М.В. Ломоносова — “пупырь”), получил его имя — “явление Ломоносова”.

Интересен и другой эффект, наблюдавшийся астрономами с приближением диска Венеры к внешнему краю диска Солнца или при удалении от него. Данное явление, открытое М.В. Ломоносовым, не было удовлетворительно истолковано, и его, по всей видимости, следует расценивать как зеркальное отражение Солнца атмосферой планеты — особенно велико оно при незначительных углах скольжения, при нахождении Венеры вблизи Солнца.

Труд М. В. Ломоносова “Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санктпетербургской Императорской Академии Наук Майя 26 дня 1761 года” (Санкт-Петербург: Типография Академии наук, 1761) был напечатан на русском и немецком языках (нем. Erscheinung der Venus vor der Sonne beobachtet bey der Keyserlichen Akademie der Wissenschaften: Aus dem Russischen ubersetzt. St. Petersbourg, 1761) и, следовательно, были известны в Западной Европе, поскольку публикации Академии рассылались в её крупнейшие научные центры, однако открытие атмосферы на Венере приписывалось И.И. Шретеру и Ф.В. Гершелю. Председатель Американского химического общества профессор Колумбийского университета А. Смит в 1912 году писал: “Открытие, сделанное при этом Ломоносовым о наличии атмосферы на этой планете, обычно приписывают Шретеру и Гершелю”, Любопытно, что сам М.В. Ломоносов этому открытию не придавал большого значения, во всяком случае, оно даже не упомянуто в составленном им списке работ, которые он относил к наиболее важным в своём научном творчестве.

Академик С.И. Вавилов, изучавший труды Ломоносова многие годы, сделал вывод, что “…по объёму и оригинальности своей оптико-строительной деятельности Ломоносов был …одним из самых передовых оптиков своего времени и, безусловно, первым русским творческим опто-механиком”.

Учёным было сконструировано и построено более десятка принципиально новых оптических приборов, им создана русская школа научной и прикладной оптики. М.В. Ломоносов создал катоптрико-диоптрическую зажигательную систему; прибор “для сгущения света”, названный им “ночезрительной трубой”, предназначавшейся для рассмотрения на море удалённых предметов в ночное время или, как говорится в его статье, тому посвящённой “Физическая задача о ночезрительной трубе” (1758 г.) — служившей возможности “различать в ночное время скалы и корабли”. 13 мая 1756 г. он демонстрировал её на заседании Академического собрания (этот проект вызвал ряд возражений со стороны академиков С.Я. Румовского, А.Н. Гиршова и Н.И. Попова, а академик Ф.У.Т. Эпинус пытался доказать “невыполнимость на практике” этого изобретения). М.В. Ломоносов до конца своих дней продолжал заниматься созданием приборов для ночных наблюдений. Для снаряженной по его же проекту полярной экспедиции капитана 1 ранга В.Я. Чичагова наряду с другими приборами было собрано 3 ночезрительных трубы — оптической системы, “через которую узнавать можно рефракцию светлых лучей, проходящих сквозь жидкие материи”. М.В. Ломоносовым разработан и построен оптический батоскоп, или новый «инструмент, которым бы много глубже видеть можно дно в реках и в море, нежели как видим просто. Коль сие в человеческой жизни полезно, всяк удобно рассудить может”. Большой интерес представляет созданная учёным конструкция ”горизонтоскопа” — большого перископа с механизмом для горизонтального обзора местности.

М.В. Ломоносов, хорошо знавший телескопы И. Ньютона и Д. Грегори, предложил свою конструкцию. Он пишет в конце весны — начале лета 1762 г.: “Я всегда лелеял желание, чтобы эти превосходные небесные орудия, коих изобретение составляет славу Ньютона и Грегори, не по размерам только, как это обычно происходило, возрастали, но получили и иные, почерпнутые из сокровищ оптики усовершенствования”.

Суть и отличие от двух предыдущих усовершенствований заключались в том, что новая конструкция имела лишь одно вогнутое зеркало, расположенное под углом около 4° к оси телескопа, и отражённые этим зеркалом лучи попадали в расположенный сбоку окуляр, что позволяло увеличить световой поток. Опытный образец такого телескопа был изготовлен под руководством М.В. Ломоносова в апреле 1762 г., а 13 мая учёный демонстрировал его на заседании Академического собрания. Изобретение это оставалось неопубликованным до 1827 г., поэтому, когда аналогичное усовершенствование телескопа предложил У. Гершель, такую систему стали называть его именем.

М.В. Ломоносов — талантливый изобретатель и приборостроитель, в то же время он стоит у истоков русской теоретической оптики.

“Ожидая вступления Венерина на Солнце около сорока минут после предписанного в эфемеридах времени, увидел наконец, что солнечный край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушеван, а прежде был весьма чист и везде ровен. Полное выхождение, или последнее прикосновение Венеры заднего края к Солнцу при самом выходе, было также с некоторым отрывом и с неясностью солнечного края”. (М.В. Ломоносов)