Энциклопедия Брокгауза и Ефрона - физика

1) Ф. и ее задачи. — 2) Методы Ф. — 3) Гипотезы и теории. — 4) Роль механики и математики в Ф. — 5) Основные гипотезы Ф.; вещество и его строение. — 6) Кинетическая теория вещества. — 7) Действие на расстоянии. — 8) Эфир. — 9) Энергия. — 10) Механические картины, энергетика и феноменология. — 11) Заключение.

Содержание различных отделов Ф., историю отдельных вопросов — см. под соответствующими словами.

1) Ф. и ее задачи. К группе точных наук, изучающих явления и закономерность в последовательности их, принадлежат две родственные науки химия и физика. Обе эти науки исследуют явления, происходящие с телами природы; но в то время, как химия внимание свое почти исключительно посвящает изучению зависимости явлений от природы вещества, с которым эти явления происходят, и специально изучению тех изменений в веществе, которые этими явлениями вызываются, Ф., наоборот, стремится изучать явления раньше всего независимо от природы тел, участвующих в явлениях, и затем только обращает внимание на те особенности, которые наблюдаются в явлениях, в зависимости от характера тел, участвующих в них. Одно и то же явление может быть объектом исследования и для химии, и для физики; но характерно различны те стороны, с которых эти две родственные науки смотрят на явление. И химия, и физика найдут, напр., в горении куска угля почву для исследования; но химия обратит раньше всего внимание на явление образования из углерода и кислорода новых веществ — окиси углерода и углекислоты, изучит, сколько в этих веществах заключается углерода, сколько кислорода. Иначе взглянет на это явление Ф.; она увидит в горении угля явление нагревания тела, затем явление свечения горящего тела, и раньше всего изучит излучение света и нагревание, независимо от того, нагревается ли уголь или какое-либо другое тело. Каждое явление, рассматриваемое химией, имеет несомненно стороны, изучение которых подлежит Ф., но не наоборот: существуют большие группы разнообразных явлений — как то: явления звука, многие магнитные и электрические явления, — которые всецело принадлежат Ф. Химия не находит в них материала для исследования, так как вещество во многих из этих явлений в составе и строении, по-видимому, не меняется. Эти соображения и привели к обычному определению и разграничению областей деятельности Ф. и химии: химия исследует явления, в которых состав и строение вещества меняются; Ф. посвящена изучению явлений в веществе, не изменяющих его состава. Это обычное определение слишком узко и в то же время слишком резко разграничивает родственные области этих наук. В действительности существует обширная пограничная область, которую с одинаковым правом каждая из этих наук может считать своей, — это область, занимающаяся изучением изменений физических свойств вещества в зависимости от их химического состава. В конце истекшего (XIX) стол. эта область выделилась в отдельную дисциплину — физическую химию, значение которой с каждым днем растет. Нет ничего труднее, как точно определить границы какой-либо науки. В особенности это трудно для Ф., которая по обширности своих задач не имеет, может быть, равной себе среди других наук. Изучая некоторые стороны всех явлений, она неизбежно встречается в различных частях своих не только со всеми науками, занимающимися изучением природы, но и с науками философскими, даже с теорией искусств — художества и музыки. Таким образом, границы ее очертить нельзя и, следовательно, невозможно определить задачи Ф. указанием границ ее. Между тем, есть одна характерная сторона этой науки, которая резко отличает ее от всех других родственных ей наук: это именно методы и приемы исследования, которыми Ф. пользуется.

2) Методы Ф. Основой всякого изучения природы является наблюдение, т. е. познавание отдельных явлений в природе через посредство впечатлений, производимых этими явлениями на наши органы чувств. Наблюдая внимательно все явления, мы замечаем, что некоторые характерные особенности явлений повторяются в известной последовательности или проявляются всегда при известной обстановке. Прирожденная человеку пытливость заставляет его ближе изучить эти явления, т. е. подробнее рассмотреть и точнее формулировать условия, при которых эти явления наблюдаются. Можно было бы для этой цели веками копить наблюдения над явлениями, происходящими в природе независимо от воли человека, и из огромного комплекса произведенных таким путем наблюдений черпать знания [Таким путем идет, напр., и теперь еще метеорология]. Но явления в том виде, в котором они поддаются нашему наблюдению в круговороте природы, до того сложны, что является делом в высшей степени трудным, часто невозможным, отделить существенные условия, необходимые и достаточные для того, чтобы вызвать рассматриваемое явление. Желая ускорить и облегчить изучение явлений, человек создал новый метод исследования — опыт. Вызывая в опыте искусственно условия, при которых явление происходит, можно искусственно вызвать это явление; меняя условия опыта и изучая вызванные ими изменения в характере явления, наблюдатель может отделить в явлении существенное от случайного, найти те необходимые и достаточные условия, которые явление вызывают, и внимательно изучить детали его. Помещая различные предметы на дно сосуда с водой, наливая эту воду в сосуды различной формы и материала, наблюдатель убеждается, что на величину кажущегося глазу смещения предмета, находящегося под водой, ни характер предмета, ни особенности сосуда не влияют. Заменяя воду другими жидкостями, наблюдатель находит, что у различных жидкостей это смещение будет различным. Исследуя величину смещения при различных положениях глаза относительно поверхности жидкости, наблюдатель приходит, наконец, к убеждению, что все явление это происходит так, как если бы лучи света, исходящие от тела, при переходе из жидкости в воздух внезапно меняли свое направление, увеличивая свой угол наклона к поверхности жидкости; глаз наблюдателя, помещенный над жидкостью, видит тело на пересечении продолжения лучей в новом месте, и потому тело ему кажется смещенным относительно истинного своего положения. Таким образом, изучая при помощи опыта случайное наблюдение, человек открывает новое более общее явление — явление преломления лучей света при переходе из одной среды в другую, и объясняет им свое наблюдение. Пытливость заставляет исследовать вопрос дальше: как происходит преломление лучей при переходе из одной среды в другую? Целым рядом новых опытов наблюдатель убеждается, что лучи, разно наклоненные к поверхности жидкости, разно отклоняются от своего пути; чем больше угол, образуемый лучом с перпендикуляром, восстановленным к поверхности в точке падения луча, тем больше и отклонение β луча от первоначального направления. Наблюдатель перестает затем довольствоваться найденными им качественными свойствами явления и переходит к количественному исследованию вопроса. Исследуя, напр., явление преломления света, он подвергает измерению углы преломления γ, соответствующие различным углам падения α, и из сопоставления полученных им численных данных приходит к убеждению, что величины α и γ связаны друг с другом некоторой определенной зависимостью; он старается найти эту зависимость и сформулировать ее. Математика дает ему огромное количество типов, выражающих разнообразнейшие возможные зависимости двух величин одна от другой; между этими типами зависимостей он ищет ту, которая лучше всего могла бы выразить взаимозависимость между α и γ. Наконец он находит, что отношение синусов углов α и γ есть величина постоянная, зависящая от природы жидкости, на границе которой происходит преломление: Sinα/Sinγ = n. Таким образом найден численный закон, управляющий явлением. Наблюдатель проверяет его над различными жидкостями, находит его правильным для всех из них; он определяет величину n для различных жидкостей и твердых тел и получает ряд величин (показателей преломления), характеризующих вещество по отношению к прохождению света через него. Численный закон явления представляет могущественнее орудие в руках исследователя. Он прилагает его мысленно к преломлению света через различнейшие, разнообразнейшим образом ограниченные середины, через пластины, призмы и чечевицы, и, пользуясь приемами математики для того, чтобы легче и вернее проследить за сложным ходом лучей, путем дедукции, одним умозрением может прийти к необходимости существования целого ряда новых явлений — схождения лучей в фокусе чечевицы, отклонения луча призмой и т. д. Он проверяет свои теоретические выводы снова на опытах и находит, что они подтверждаются: выросло, таким образом, целое учение о преломлении света. Дружной работой исследователей накопляется в течение многих лет столь огромный комплекс фактов и закономерных зависимостей между явлениями, что необходимым является их классифицировать по группам. В каждой группе объединяются явления и законы, по внешним признакам сходные, и таким образом физику разлагают на отделы — на учение о свете, учение о теплоте, учение о магнитных явлениях и т. д. Группы эти ни резко отграничены, ни стойки: одни и те же явления часто могут быть относимы с одинаковым правом и к одной группе, и к другой; сообразно с духом и направлением науки в данное время целый комплекс явлений причисляется то к одной из них, то к другой.

3) Гипотезы и meopuu. Каждый из выделившихся таким образом из общей совокупности знаний по физике отдел представлял бы в необработанном виде лишь хаос более или менее точно описанных явлений, связанных рядом эмпирически найденных, ничем друг с другом не связанных закономерных зависимостей. В таком виде отдел Ф. не представлял бы еще науки; ему недоставала бы путеводная нить, общая идея, которая соединила бы все разрозненное и дала бы возможность рационально вывести все наблюденное из немногих общих положений. В поисках за этой путеводной нитью, человек создает себе ряд искусственных картин того, каким образом весь этот комплекс явлений мог бы быть объяснен какими-нибудь придуманными человеком свойствами вещества. Созданная человеком гипотеза о свойствах вещества, вызывающих данный комплекс явлений, объединяет явления и законы в стройное здание. Но основы этого здания еще шатки; гипотезу необходимо проверить — и создатель гипотезы и его последователи стараются извлечь из гипотезы путем логических умозаключений необходимость возможно большого числа новых явлений, новых связей между старыми явлениями. Опыт либо подтверждает их заключения — предсказания гипотезы, либо противоречит им. В первом случае гипотеза крепнет, становится на твердую почву, право ее на существование становится временно неоспоримым; во втором случае гипотеза, не выдержавшая очной ставки с опытом, гибнет, исчезает, уступая свое место какой-либо другой, более жизнеспособной. С течением времени количество исследованных явлений и познанных законов растет, и гипотеза, чтобы удержать свое положение в науке, должна удовлетворить всем явлениям, всем законам; один какой-либо факт, сам по себе, может быть, второстепенный, еле заметный, но резко противоречащий господствующей в настоящее время гипотезе, может заставить изменить ее, а не то и низвергнуть. Зато, если гипотеза хорошо выдержала все поставленные ей искусы, она плотно внедряется в науку и становится незыблемой частью ее. Какие представления кладутся в основу гипотез? Единственное непосредственно постигаемое человеком есть вещество, единственное явление в веществе, не вызывающее в нем сомнений по природе своей, есть движение вещества. Поэтому в основании гипотезы мы видим обыкновенно предположение об особенном виде движения известного нам вещества или предположение о существовании особенного вещества, бывшего нами доселе незамеченным и движения в котором вызывают объясняемые гипотезой явления. Таковы старые и новые гипотезы о причине явлений тепловых и световых, магнитных и электрических; в основе всех лежит существующее или специально для того придуманное вещество; движения в этом веществе или возбужденные движением упругие изменения в веществе вызывают, по нашим представлениям, явления, объясняемые гипотезой. История Ф. показывает нам, что возможно одновременное появление нескольких гипотез, одинаково удачно объясняющих какой-либо комплекс явлений. Следует отдать предпочтение, очевидно, той из них, которая 1) проще других, т. е. основывается на более общих свойствах вещества, и 2) которая обнимает наиболее обширный комплекс явлений. В начале XIX в. имелось столько же отдельных гипотез, сколько было отдельных физических агентов; были гипотетические вещества — теплород, вызывавший явления тепла, электрические и магнитные жидкости, присутствие которых вызывало явления электрические и магнитные. Ни одна из этих гипотез не оказалась жизнеспособной, и все они в настоящее время исчезли, вытесненные двумя основными гипотезами о молекулярном движении вещества (явления тепловые) и о существовании упругих натяжений и сжатий (явления электрические и магнитные) и волнообразных движений (явления света и некоторые электромагнитные явления) в гипотетическом веществе эфире. Эти две новые основные гипотезы победили лишь потому, что они проще и, главным образом, значительно общнее старых. Человек не может удовольствоваться знанием точных закономерных зависимостей между явлениями, не делая попыток объяснять связь между явлениями. Гипотеза в Ф. необходима, потому что окрыляет ум, дает ему возможность одним взором охватить мысленно целый, иногда огромный, комплекс фактов; давая уму путеводную нить в классификации явлений, она является в то же время могущественнейшим мнемоническим средством. Но даже не во всем этом заключается главная научная ценность гипотез, а в том, что они дозволяют предсказывать явления, быть может, еще не наблюденные. Стремление проверить на опыте следствие, чисто логическими умозаключениями выведенное из гипотезы, является наиболее частым и наиболее могущественным стимулом к научной работе. "Предвзятая мысль или гипотеза есть необходимая точка исхода всякого опытного исследования; без нее немыслимо открыть что-либо новое", — говорит Клод Бернар. Современный физик мыслью своей живет, таким образом, в особом воображаемом, созданном им же гипотетическом мире и привыкает мало-помалу видеть явления лишь в им же искусственно созданном освещении. Естественно, что гипотезы, лежащие в основе его науки, приобретают для него мало-помалу характер реального бытия и сама наука становится мало-помалу лишь наполовину опытной, наполовину же является изучением логических дедукций из опытно найденных законов и из гипотез.

4) Роль механики и математики в физике. При выводе логических дедукций из опытно найденных законов могущественным орудием физики является математика. Всякая закономерная связь между факторами, определяющими явление, может считаться только тогда точно известной, когда допускает математическую формулировку закона взаимозависимости факторов. Раз такой закон известен, Ф. пытается возможно использовать его, применяя закон к решению множества вопросов, возникающих при рассмотрении сложных явлений, в основе которых лежит явление более простое (часто даже просто схема явления), характеризуемое найденным законом. В этих применениях физик и принужден прибегнуть к математике, дающей часто возможность чисто механическим путем прийти к результату, вывод которого путем одного размышления потребовал бы необыкновенной работы ума, а в большинстве случаев был бы даже немыслим. Математика не может дать ничего такого, что бы в скрытом виде не хранилось уже в положенном в основание математического анализа законе; но зато она дает нам возможность 1) охватить сразу явление такой сложности, что сделать выводы из него путем одного размышления не под силу человеческому уму; 2) прийти к окончательному выводу, не останавливаясь на промежуточных ступенях и посылках, внимательное рассмотрение каждой из которых необходимо входило бы в решение того же вопроса чисто умозрительным путем. Математикой, как всяким орудием, можно пользоваться более или менее умело. История Ф. указывает нам на наиболее блестящих страницах своих на выдающихся физиков-математиков, которые, искусно пользуясь всем арсеналом современной им математики, из нескольких простых законов умели выводить наиболее далекие, наиболее неожиданные заключения; назовем в качестве примера только Фурье — создателя всей теории теплопроводности. Но "истинный дух Ф. должен неустанно направлять рациональное употребление этого могущественного орудия" (Ог. Конт), и в истории Ф. имеются удивительные примеры того, как бесплодны могут быть для Ф. остроумнейшие работы великих математиков, если этот "истинный дух Ф." не руководил ими. Нельзя ставить математике в вину несогласие некоторых выводов ее с результатами опыта; всегда в таких случаях основные опытные законы, положенные в основание выводов, оказываются либо лишь приближенно верными, либо неполными. Наоборот, несогласие это часто указывало на неточность выведенных из опыта законов, и тем самым заставляло пересматривать, переоценивать добытые результаты, проверять их при помощи новых опытов, и тем самым способствовало развитию науки. Другое, еще более важное поле применения математики в Ф. — это применение ее к исследованию гипотез. Мы видели выше, какую важную роль играет гипотеза в развитии Ф.; гипотеза о причине какого-либо комплекса явлений основывается почти всегда, как мы видели, на предположении об особом характере движения какого-либо реального или гипотетического вещества. Если, исходя из подобной гипотезы, мы пожелаем прийти к каким-либо частным выводам относительно характера явления при наличности каких-либо особых условий, то по необходимости должны будем исследовать частный случай той или другой формы движения вещества. Наука, исследующая движение вещества, есть механика, и к ней мы должны будем прибегнуть, чтобы поставить нашу задачу и чтобы решить ее. Механика, в свою очередь, представляет лишь свод математическим анализом найденных наиболее общих зависимостей между факторами, определяющими движение вещества, причем исходной основой для применения анализа послужило опять небольшое число чисто эмпирическим путем найденных законов. Таким образом, и исследование гипотезы путем вывода из нее следствий, допускающих опытную прямую или косвенную поверку, сводится в конце концов к применению математического анализа. В этой области применения математика еще более плодотворна, чем в той, о которой мы упоминали выше; напомним только классические труды Френеля, Юнга по разработке эфирной теории света, и работы Масквелля и других последователей Фарадеевой теории электрических и магнитных явлений. Если мы будем рассматривать и излагать всю систему Ф. единственно как ряд математических дедукций из гипотез об основных причинах явлений, то Ф. сведется в главных чертах лишь к решению ряда более или менее сложных математических задач; так, рассматриваемое учение о физических явлениях называют обыкновенно математической Ф. в отличие от Ф. экспериментальной (опытной, вернее, феноменологической), рассматривающей явления и взаимозависимость между ними сами по себе, не останавливаясь на вопросе о том, могут ли эти явления и связующие их законы быть выведены как необходимые следствия из какой-либо механической картины. Очевидно, что гармоничное и успешное совершенствование Ф. возможно лишь при параллельном движении ее вперед по обеим указанным дорогам.

5) Основные гипотезы Ф. Вещество и его строение. Убеждение в том, что в основании всех явлений природы лежит та или иная форма движения вещества, установилась в науке очень давно. Уже Декарт говорит: "Omnis materiae variatio sive omnium ejus formarum diversitas pendet a motu" ("все разновидности вещества и все разнообразие форм его проистекает от движения"). Гюйгенс решительно высказывается за необходимость такого представления о природе явлений: "истинная философия должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по моему мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем потерять надежду что-либо понимать в Ф." ("Tractatus de Lumine"). Великие ученые нашего времени не менее настойчиво указывали на необходимость такого именно научного миросозерцания и видели "высшую цель, к которой должно стремиться естествознание... в сведении всех явлений природы на механику" (Кирхгоф, 1865). Почти в тех же словах выражается и Гельмгольц: "Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения, т. е. слияние этих наук с механикой". Свойство вещества, наиболее непосредственно бросающееся в глаза, есть его делимость; границ делимости мы ни одним механическим процессом деления достигнуть не можем. При наличности этого свойства вещества мы можем предположить либо 1) что вещество действительно делимо до бесконечности, если не на опыте, то мысленно, и, следовательно, представляет собой нечто непрерывное (continuum); либо 2) что при мысленном делении вещества мы наконец придем к частям его, которые представляются отдельными неразрушаемыми индивидуумами, из более или менее сложного агрегата которых и построено вещество. И то, и другое предположение не могут непосредственно подвергнуться опытной поверке. Первая гипотеза заманчива по своей простоте, но она должна была бы быть загромождена целым рядом новых дополнительных гипотез, чтобы объяснить явления химические — соединение нескольких тел в одно новое, разложения тел на ряд новых. Остается, таким образом, предположение о веществе, построенном из индивидуумов (атомов). На атомистической гипотезе о строении вещества выросла и окрепла современная химия. От химии атомистическую гипотезу унаследовала Ф.; в последней она тоже твердо установилась, несмотря на то, что в Ф. эта гипотеза казалась менее необходимой, чем в химии; истинную пользу от принятия атомистической гипотезы Ф. получила значительно позже, когда представление об атомах было уже общепризнанной основой науки и в Ф. В настоящее время атомистическая гипотеза составляет общее достояние всех естественных наук; признание всеми этой гипотезы объясняется (Менделеев), вероятно, естественным стремлением человека приписать то же самое строение микрокосму — веществу, какое он наблюдает в макрокосме — мире планет. В настоящее время никто не предполагает в атоме чего-либо действительно физически неделимого (каков был атом древних), и понимают под атомом наименьший вещественный индивидуум, который еще обладает всеми свойствами, присущими данному веществу. Таков атом, из которого построены тела химически простые; тела химически сложные представляют агрегаты сложных атомных комплексов — химических молекул, причем в каждой молекуле содержатся атомы всех простых веществ, входящих в состав данного химически сложного вещества. В таком веществе "атомом" в том смысле, какой был придан этому слову выше, явится молекула, так как разрушение молекулы и разложение ее на части влечет за собой переход химически сложного вещества в ряд новых — в отдельные вещества, его составляющие. Целый ряд фактов химии и Ф. требует, затем, для объяснения своего, предположения о том, что 1) химически простые тела состоят из более или менее сложных комплексов отдельных одинаковых атомов, сплоченных вместе; в зависимости от сложности комплекса данное тело представляется в одном или другом из возможных ему видов. 2) В химически сложных веществах, состоящих из молекул, строение молекул, состоящих из одного и того же числа одинаково подобранных атомов простых тел, может быть неодинаково; неодинаковость эта может вызвать различия в физических (и даже химических) свойствах веществ, которые в смысле состава их молекул абсолютно одинаковы. Затем и молекулы химически сложных тел могут существовать в теле не только в отдельности, но и в виде комплексов из нескольких связанных вместе молекул; различная сложность комплексов может объяснить различные физические свойства веществ, молекулы которых во всех отношениях одинаково построены. Все эти предположения о возможной сложности первоначальных элементов, из которых построено вещество, не произвольны, но прямо необходимы в атомистической гипотезе для объяснения явлений аллотропии, изомерии и полимерии (см. Химия), т. е. различных физических свойств веществ, химический состав которых одинаков. Молекулы в химически сложных веществах и атомы в веществах химически простых не касаются друг друга. Только в этом предположении возможно объяснение перехода тел из одного состояния в другое, из газообразного в жидкое и из последнего в твердое, а также объяснение упругости тел. Атомистическая гипотеза предполагает, что молекулы газа находятся на расстояниях друг от друга, которые огромны сравнительно с размерами самих молекул; в жидких телах расстояния между молекулами значительно меньше; меньше всего они в твердых телах. Уменьшение объема тела при увеличении давления, испытываемого телом, есть следствие сближения молекул: в газах изменение объема при данном увеличении давления весьма значительно, в жидкостях много меньше, в твердых телах наименьшее. Подробнее о размерах молекул и расстояния между ними см. соотв. ст. Между молекулами действуют силы, подобные силам тяготения между телами. Представление об этих силах необходимо для объяснения связи (сцепление) между частицами в твердых и жидких телах и для объяснения явлений поверхностного натяжения жидкостей. Силы эти принадлежат к так называемым центральным силам, т. е. величина силы, действующей между двумя данными молекулами, зависит исключительно от расстояния между последними. Это — силы притяжения между молекулами, быстро убывающие по мере возрастания расстояния между ними. Вопрос о том, согласно какому закону происходит убывание сил взаимодействия между молекулами при изменении расстояния между ними, является до сих пор нерешенным. Некоторые толкователи атомистической гипотезы считали, кроме того, необходимым признать между молекулами существование двух систем сил — одной притягательной, другой отталкивательной, сил, закон убывания которых с увеличением расстояния неодинаков. По мере удаления молекул друг от друга величина сил, действующих между ними, быстро убывает. На некотором расстоянии между молекулами взаимное действие их будет столь незначительно, что какая-либо внешняя, ничтожная по величине причина (напр. сила тяжести) может нарушить связь между молекулами и разъединить их; это расстояние называют "радиусом сферы действия молекулярных сил". Понятно, что столь неопределенное представление, как сфера действия молекулярных сил, не может дать точки опоры для численного определения радиуса этой сферы. Все высказанные различными исследователями мнения по этому вопросу сводятся к тому, что в твердых телах радиус сферы действия в несколько раз больше расстояния между молекулами; в жидких телах радиус сферы действия каждой молекулы лишь немного меньше расстояния ее от соседних молекул; в газах каждая молекула находится далеко вне сфер действия всех остальных молекул. Молекулы вещества твердого, жидкого и газообразного находятся в непрерывном движении. Движение молекул в твердых и жидких телах должно быть весьма сложным и непостоянным как по виду пути, так и по скорости частиц, так как каждая молекула, находясь в сфере действия соседних, должна изменять свое движение под влиянием сил, исходящих от соседних частиц. В газах движение должно быть по характеру проще; каждая молекула, вполне свободная, должна двигаться прямолинейно и с постоянной скоростью. Как в жидком, так и в твердом теле, и в газе молекулы должны испытывать столкновения с соседними; в твердых и жидких телах эти столкновения являются лишь моментом, усложняющим и без того в высшей степени сложное движение частиц; в газах столкновение молекул является единственной причиной, изменяющей прямолинейное и равномерное движение частиц и превращающее это движение в хаотическое движение с постоянно меняющимся направлением у каждой молекулы. Каждая молекула вещества, обладая определенной массой и некоторой скоростью, является носительницей некоторого запаса кинетической энергии; тело — совокупность молекул — обладает совокупностью этих запасов энергии. Мы не замечаем движения молекул в теле, и следовательно, для нас энергия тела, вызванная скрытым движением молекул в нем, должна представляться не энергией движения (кинетической) молекул, а каким-то видом потенциальной энергии самого тела. Еще одно в высшей степени важное следствие тотчас вытекает из вышесказанного — а именно необходимость приписать молекуле и атому абсолютную упругость. Действительно, механика учит, что лишь при столкновении абсолютно упругих тел энергия движения их не превращается в другие виды энергии; при ударе тела неупругого или неабсолютно упругого часть движения его исчезает, и после большого ряда ударов скорость тела может сделаться равной нулю. Атомистическая гипотеза является одним из наиболее крепких устоев нашего научного здания. Несмотря на это, нельзя закрыть глаза на те внутренние противоречия, которые при современном представлении об атомах кроются в самых основах ее и на которые неоднократно указывали мыслители. Раньше всего, атомы не могут быть качественно различны; являясь единственным субстратом движения в мире, в котором все видимое разнообразие есть лишь разнообразие движения вещества, атомы должны быть вполне лишены качеств (Вундт, Спенсер, Сталло). Отсюда необходимо прийти к заключению, что первообразный атом (Uratom) должен быть один, что те индивидуумы, которые химия называет атомами, представляют сложные комплексы первообразных атомов и что от большей или меньшей сложности этих комплексов зависят качественные различия атомов химии. Еще не забыта гипотеза Прута (Prout), согласно которой первообразным атомом являлся атом водорода; гипотеза эта оставлена, и для оставления ее имелись веские доводы. Вопрос о первообразном атоме после оставления гипотезы Прута временно сошел со сцены, и лишь в самое последнее время интерес к "первообразному атому" снова возник, и поводом к этому послужили некоторые последние успехи физики. Исследуя явления прохождения электрического разряда через газы, Ленард, Дж. Томсон, Кениг и др. пришли к ряду наблюдений, которые с точки зрения атомистической теории не могут быть объяснены иначе, как предположением о существовании частиц вещества в тысячи раз меньших, чем химический атом водорода; интересно, что некоторые исследования над излучением света привели Лоренца и Зеемана к необходимости совершенно тех же предположений. Эти частицы, несущие (как показало численное исследование опытов) огромные электрические заряды, может быть, явятся для науки будущего теми первичными атомами, из которых построены атомы химии. Другим слабым местом атомистической гипотезы является упругость атома. Упругость как свойство вещества, состоящего из атомов, должна сама объясняться атомистическим строением вещества. Понятно, что если мы примем, что атом химии и теории газов состоит из комплекса первичных атомов, то абсолютную неупругость следует приписать первичному атому, сложный же химический атом может быть и упругим.

6) Кинетическая теория вещества. Движением атомов и молекул с давних пор уже пытались объяснить тепловые явления. Параллельно с развитием этого несомненно существовавшего общего убеждения в механической природе тепла шло чисто опытным путем развитие вещественной теории тепла, видевшей причину тепловых явлений в особом веществе, "теплороде". Представления теории вещественного теплорода были столь просты и изящны, язык ее столь удобен был для описания явлений, что не было пока никаких причин оставлять ее и заменять заманчивой, но неопределенной механической теорией. Убеждение в механической природе тепла еще более укоренилось, когда Майер, Джоуль и другие показали, что теплота может исчезнуть, превратившись в механическую работу, что, наоборот, исчезнувшая механическая работа может дать тепло и что между количествами исчезнувшей работы и возникшего тепла существует постоянное отношение. Но никто из них не решался точнее характеризовать движение молекул в теле и привести его в непосредственную числовую связь с тепловыми свойствами тел. Заслуга эта принадлежит Клаузиусу (1857), который для случая газообразного состояния вещества дал наглядную и полную картину движения молекул; Клаузиус исследовал это движение и вывел из него как необходимость характерные свойства газов; он предсказал на основании своей теории ряд числовых зависимостей между свойствами газов — зависимостей, которые впоследствии нашли блестящее подтверждение. Таким образом Клаузиус положил основание одному из замечательнейших отделов физики — кинетической теории газов (от греческого слова κίνησις — движение), а вместе с тем утвердил и кинетическую теорию вещества. Согласно кинетической теории, всякий объем газа состоит из множества абсолютно упругих молекул, несущихся в полном хаотическом беспорядке по различным направлениям и с различными скоростями. Расстояния между отдельными молекулами вообще на столько больше радиусов сфер действия их, что молекулы газа необходимо признать в механическом отношении совершенно свободными. Двигаясь под влиянием одной инерции, молекула несется с равномерной скоростью по прямой линии, пока не встретится с соседней, тоже движущейся, молекулой или с каким-либо препятствием (стенкой сосуда, напр.). При встрече с соседней молекулой или препятствием данная молекула отражается от них, как отражается абсолютно упругий шар от другого шара или от стенки. Скорости различных молекул весьма различны, и скорость одной и той же молекулы должна непрерывно меняться вследствие столкновения с другими. Длины путей молекул от одного столкновения до другого весьма разнообразны, направления этих путей могут быть всевозможные и тоже вследствие столкновений непрерывно меняются. Такое движение есть движение вполне беспорядочное; все направления движения в нем равновозможны. Скорости движения молекул весьма различны; можно поэтому говорить лишь о средней скорости их, причем средней скоростью называют ту скорость, которую должны были бы иметь все молекулы для того, чтобы полная энергия движения в данном объеме газа была та же самая, что и при данном неизвестном сложном распределении скоростей. Эта средняя скорость, как учит кинетическая теория газов, тем больше, чем выше температура газа и чем плотность газа меньше. Длины путей молекул между двумя столкновениями могут быть весьма различны; мы можем поэтому говорить только о средних длинах путей. Эта средняя длина пути тем меньше, чем больше упругость или плотность газа; действительно, в сжатом газе число столкновений должно быть больше, а, следов., средняя длина пути должна быть меньше. Кинетическая теория газов (см.) дает даже возможность рассчитать как среднюю скорость движения молекул в газе, так и среднюю длину пути и число столкновений в секунду. Некоторый объем газа, представляя комплекс движущихся молекул, обладает известным запасом кинетической энергии. Так как средняя скорость молекул с понижением температуры уменьшается, то уменьшается и запас энергии газа. Кинетическая теория газов отождествляет ее с запасом тепловой энергии газа; согласно этой теории, тепло есть не что иное, как движение молекул, температура — некоторая характеристика теплового состояния, пропорциональная квадрату средней скорости их. При понижении температуры средняя скорость молекул уменьшается; законным является вопрос: возможна ли температура, при которой скорость молекул сделается равной нулю? До настоящего времени такая температура не получена и нет никаких данных для предположения, что она когда-либо достигнута будет. При весьма сильном охлаждении все без исключения известные нам газы переходят в жидкое и затем твердое состояние; к этим состояниям пока еще рискованно прилагать выводы кинетической теории газов. Однако такая температура мыслима; ее называют абсолютным нулем температуры. Закон, связующий среднюю скорость газовых частиц с температурой, и закон расширения газов дают нам возможность приблизительно определить, при какой температуре по шкале Цельсия должен был бы лежать абсолютный нуль; если бы мы вправе были прилагать эти законы к столь значительным температурным интервалам, мы нашли бы таким путем температуру в —273° Ц. Понятно, что никакого реального значения это число иметь не может: оно дает нам только новую исходную точку для счета температур, а следовательно, и новую (абсолютную) температурную шкалу, градус которой равен градусу шкалы Цельсия, а нуль — лежит на 273° Ц. ниже температуры таяния льда и которая является в высшей степени удобной при трактовании многих вопросов теории газов, жидкостей и твердых тел.

В начале 1870-х годов кинетическая теория двинулась на значительный шаг вперед: Ван дер Ваальсу удалось распространить ее и на газы, близкие к насыщению (пары), и на явления перехода паров в жидкость. Опытные факты, доказывавшие, что между жидким и газообразным состоянием нет резкой границы и что возможны переходные состояния, в которых мы вещество с одинаковым правом можем назвать и жидкостью, и паром, были известны и до Ван дер Ваальса; но лишь работы этого ученого дали нам более или менее ясную картину состояния вещества в переходных ступенях его от жидкости к газу и обратно. Несомненно, что и в жидкости существует молекулярное движение и что запас тепловой энергии жидкости есть запас кинетической энергии движущихся молекул ее. Кинетическая картина жидкостей настолько сложна, что не поддалась еще аналитическому исследованию, и в науке нет еще кинетической теории жидкости. Но в самом движении молекул жидкости сомнения быть не может; явления диффузии — медленного проникновения одной жидкости в другую, соприкасающуюся с ней, явление испарения с поверхности жидкости не могут быть объяснены иначе, как с точки зрения кинетической теории. Еще сложнее должны быть формы движения молекул в твердом теле. Связанные прочными молекулярными связями частицы твердого тела, вероятно, лишь колеблются по сложным кривым вокруг некоторых положений равновесия и, вероятно, лишь в высшей степени медленно перемещаются от одного места твердого тела к другому. Мы должны все же признать возможность такого, хотя и медленного, перемещения молекул и у твердого тела, так как недавние опыты Спринга несомненно доказали существование диффузии одного твердого тела в другое, с ним соприкасающееся.

7) Действие на расстоянии. Земля притягивает гирю, магнит притягивает или отталкивает другой магнит, наэлектризованное тело заставляет двигаться другое, тоже наэлектризованное тело. Все это — явления, в которых, по-видимому, существует непосредственное действие тела А на тело В через расстояние, отделяющее их. С давних пор люди пытались объяснить эти явления, т. е. свести их к другим, более понятным; это одно стремление указывает уже, что принцип действия на расстоянии не может быть постигнут умом и является принципом, противным всему воззрению человека на природу. Действительно, в основе всех явлений, по нашим представлениям, должно лежать вещество и движение; движение без вещества немыслимо, и вещество является необходимым субстратом движения; поэтому если мы наблюдаем передачу движения от тела А к телу В, то эта передача могла произойти лишь как следствие непосредственного соприкосновения с В какого-либо вещества (среды), соприкасающегося и с А, и образующего между А и В вещественный мост, по которому может произойти передача движения. Но если таковой среды нет, если явления, как, напр., магнитные действия, происходят и в воздухе, и в пустоте, тогда приходится придумывать специальную среду, невидимую и неосязаемую, пронизывающую и воздух, и пустоту и служащую передатчиком силы. Ко времени Ньютона каждая группа явлений, приводившая к кажущемуся действию на расстоянии, одарена была своей средой, своим невидимым, всепроницающим "флюидом"; все эти флюиды не имели другого обоснования, как стремление к объяснению всякого явления непосредственной передачей движения от тела к телу. Явился Ньютон и смело взялся за исследование наиболее загадочного из всех кажущихся действий на расстоянии — явления тяготения. Сила тяготения для Ньютона лишь математическое представление; явления происходят так, как если бы существовало действие на расстоянии, и он поэтому смело прилагает математический анализ к исследованию этого действия. Что такое тяготение — это его, по-видимому, не заботит: "причин этих свойств тяготения я не мог найти, а гипотез я не придумываю". Несомненно, однако, что Ньютон не был сторонником "actio in distans" — как его выставляли его современники, — это доказывают его письма, но он прозрел гением своим единственный путь, который мог в те времена полезно оживить науку, — путь формального исследования явлений, внутренняя причина которых от нас скрыта. Этим путем шла Ф. целые два столетия после Ньютона, этим путем добыто большинство наших познаний в Ф., и введение этого пути, может быть, наибольшая заслуга Ньютона. Современники Ньютона горячо восстали против веры в действие на расстоянии, будто бы исповедуемой Ньютоном. Они не поняли, что у Ньютона "actio in distans" есть только метод исследования, но не более; Гюйгенс, Лейбниц, Бернулли метали громы негодования на эту "невещественную и необъяснимую силу" тяготения. Годы, однако, проходили, и к новому понятно привыкали; осеняемое могучим авторитетом Ньютона "действие на расстоянии" плотно внедрилось в физику. На действии на расстоянии выросла электростатика Кулона, электродинамика Ампера, Лапласа и все стройное учение о потенциале. Начали забывать, что "действие на расстоянии" есть лишь фикция, метод, придуманный для облегчения постановки и решения многих вопросов Ф., и даже стали привыкать видеть в этом принципе нечто реальное. Когда на арену науки вступил Фарадей, совершенно свободный от современных ему научных предрассудков, совершенно свободный от увлечения математической физикой его дней и руководимый исключительно своим гением, то он неминуемо должен был вернуться к представлению о среде как необходимом промежуточном агенте во всех явлениях, казавшихся следствием непосредственного действия на расстоянии. Убеждения Фарадея показались новыми и оригинальными — до того наука тех дней забыла о том, что действие на расстоянии дано было ей Ньютоном лишь как метод, но не как догмат научного миросозерцания. Полстолетия после Фарадея потребовалось для того, чтобы естественное человеку представление о необходимости передающей действия среды снова вернуть в Ф. как основное положение ее; но все невидимые, неосязаемые среды доньютоновского времени теперь слились в одну, существование которой не должно подлежать сомнению и которую мы называем эфиром.

8) Эфир — всепроницающая вещественная среда, единственный наполнитель всего пространства; среда, в которой молекулы тел, непосредственно познаваемых нашими чувствами, плавают, как пылинки в воде; среда, которая по геометрическим свойствам одинакова с пространством, по физическим свойствам с осязаемым веществом. Представление об эфире да и само слово "эфир" не так ново, как можно было бы думать. Древние греческие философы создали это слово, создали и связанное с ним представление. Их миросозерцание не допускало в природе пустоты, и чтобы удовлетворить системе, требовавшей чего-либо даже в пустоте, они пришли к необходимости эфира. Мы снова встречаемся с эфирами ("флюидами") в средние века, когда они служили для объяснения всех кажущихся действий на расстоянии. Так явились эфиры магнитные и электрические, специальный эфир, в котором плавают планеты, и другие еще; словом, как образно говорит Максвелль, "пространство было перезаполнено эфирами". Должна была наступить реакция, и она явилась к началу XVIII стол. в лице великого Ньютона. После Ньютона сто лет и не решались говорить об эфирах. Наступило XIX стол., и в 1818 г. Парижская академия объявляет конкурс на сочинение, которое объяснило бы причины дифракции света; по тону самого объявления видно, что столпы академии, Лаплас, Пуассон, Био, надеялись получить объяснение, которое придало бы еще более блеска Ньютоновой теории истечения. В академию поступает в ответ сочинение молодого французского инженера Огюстена Френеля, который с неожиданной простотой, легко и изящно объясняет все известные световые явления, исходя из теории колебания эфира, того самого светового эфира Гука и Гюйгенса, который, казалось, раз навсегда похоронен был Ньютоном; Это был решительный удар для теории истечения и новый расцвет для эфира Гюйгенса. Продолжатели Френеля — Мак-Куллаг, Гамильтон, Эри и другие, исходя из теории эфира, создали вместе с Френелем учение о свете, столь стройное, столь прекрасное, что до настоящего времени оно служит недосягаемым образцом научной теории (см.). В начале 1850-х гг. истекшего столетия на арену вопроса об эфире выступает Михаил Фарадей. "Если есть эфир, — говорит он, — то он должен бы исполнять и другое назначение, кроме распространения световых лучей". Это была его основная мысль, и, преследуя ее, он пытался создать картину явлений электрических и магнитных, в которых действующей средой являлся бы "световой" эфир. В те времена вопрос о внутренней природе этих явлений почти никого не занимал; все поглощены были чисто внешней математической формулировкой их, данной блестящими французскими математиками начала истекшего столетия. Фарадея с его оригинальным, чисто физическим умом все это удовлетворить не могло; он стремился понять внутреннюю суть явлений. Он нарисовал себе ясную картину электрических и магнитных явлений как следствий натяжений и закручиваний в световом эфире. Каковы были детали Фарадеева эфирного механизма электромагнитных явлений, нам неизвестно; Фарадей не владел математикой, единственным языком, на котором он мог бы понятно для остальных изложить свои мысли. Его не понимали; великим открытиям его удивлялись, но над идеями, которые привели его к этим открытиям, улыбались. Первый Клерк Максвелль, профессор в Кембридже, прозрел все величие идей Фарадея и долгое время тщетно пытался придумать и описать детальный эфирный механизм, который мог бы дать полную картину того, что представлялось Фарадею. Это ему не удалось, и тогда он, исходя из законов механики, которым по общему убеждению должен подлежать и эфир, построил весьма общую теорию электромагнитных явлений, происходящих в эфирной среде. Теория Максвелля привела к удивительным результатам; она все почти объяснила, очень многое предсказала и, что замечательнее всего, связала в одно стройное целое явления световые и электромагнитные как явления, происходящие в одном и том же эфире. Ко времени появления труда Максвелля (1873) выяснились и многие другие стороны явлений в эфире; ясно, напр., стало, что так назыв. явления "лучистого тепла" представляют частный случай распространения радиаций в эфире. Таким образом эфир получил значение мирового агента, главного носителя энергии в мире. B Германии, бывшей до тех пор главной руководительницей в области Ф., к теории Максвелля отнеслись довольно скептически: тем более интересно, что как раз из среды германских ученых вышел знаменитый Генрих Герц, которому через 15 лет после появления труда Максвелля суждено было блестяще подтвердить путем опыта справедливость Фарадей-Максвеллевых воззрений на роль эфира в явлениях электромагнитных и показать полное качественное тождество электромагнитных волн в эфире и световых волн. Работы Герца и его последователей устранили для настоящего времени всякую возможность каких-либо других взглядов на общий характер электромагнитных явлений, кроме взглядов Фарадея и Максвелля. Эфир, бывший "световым", сделался эфиром "электромагнитным", так как и явления световые сделались частным случаем явлений электромагнитных. Современная Ф., как мы видим, в большей части своей есть "Ф. эфира". Непосредственно свойств эфира мы исследовать не можем и судим о них лишь на основании изучения тех явлений, которые, по нашим представлениям, в эфире происходят. Таким путем добыты были те сведения о свойствах эфира, которыми располагает современная Ф. Из определенного Ланглеем количества тепла, приносимого солнечными лучами в 1 мин. на каждый кв. см земной поверхности (3 мал. калор.), лорд Кельвин (1854) вычислил, что плотность d эфира несомненно больше 2∙10^-25, т. е. d > 2∙10^-25, причем плотность воды принята за единицу. В 1879 г. тот же вопрос рассматривал Глан с совершенно другой точки зрения; он находит, что Д > 10^-18. В 1885 г. Гретцу удалось из рассмотрения явлений вращения плоскости поляризации найти число, меньше которого должна быть плотность эфира, d < 10^-15. Таким образом, плотность эфира согласно этим данным должна заключаться приблизительно между 10^-15 и 10^-18, т. е. должна выражаться дробью, числитель которой единица, а знаменатель число с 15—18 цифрами. Мы ничего не знаем о том, весит ли эфир, т. е. подвержен ли он законам тяготения или нет. Если, как это многие предполагают, эфир сам является передатчиком действий тяготения, то, понятно, мы не можем говорить о весе его. Эфир пронизывает все тела, и мы должны себе представить каждое тело как тучу молекул, плавающих среди безбрежного эфирного моря. Эфир внутри тел несомненно отличается от свободного эфира в пустом (свободном от вещества) пространстве. В свободном эфире скорость распространения волн (световых или электромагнитных) равна, как известно, 300000 км в 1 секунду; в веществе, как показали и непосредственные опыты, она меньше. С другой стороны, механика учит, что скорость распространения упругих волн в какой-либо среде тем больше, чем больше упругость среды и чем меньше ее плотность. Мы должны, следовательно, предположить, что несвободный эфир внутри вещества обладает либо меньшей упругостью, либо большей плотностью, чем эфир свободный. Френель склонился ко второму предположению, и оно теперь общепринято (см.). Мы пока еще ничего не знаем о том, как себе представить уплотнение эфира внутри вещества. Явление светорассеяния, наблюдаемое только в несвободном эфире и отсутствующее в эфире свободном, указывает несомненно на какие-то связи между эфиром и молекулами; о характере этих связей пока еще ничего не известно. Изучение явлений распространения волн в эфире приводит нас к некоторым представлениям и об упругих свойствах эфира. Несомненно из всего, что поныне известно, что в эфире возможно распространение с конечной скоростью лишь волн с поперечными колебаниями. Волны с продольными колебаниями в эфире никогда не наблюдались; чтобы объяснить это, необходимо предположить — либо что скорость распространения продольных волн в эфире бесконечно велика, либо что она бесконечно мала. Если мы допустим бесконечно большую скорость продольных волн, как это обыкновенно и делают в Ф., то мы приходим к заключению, что эфир должен обладать свойствами упругого по отношению к сдвигу, но несжимаемого твердого тела. Чрезвычайный интерес, но и чрезвычайную сложность представляет вопрос о том, как относится эфир к движущимся через него телам. Возможны три предположения: 1) тела движутся свободно через неподвижный эфир, не увлекая его за собой; 2) тела движутся через эфир, не нарушая неподвижности окружающего эфира и унося с собой лишь часть того эфира, который находится в них; 3) тела несутся через эфир, перенося с собой весь запас заключенного в них эфира. Еще Френель высказался за второе предположение, а именно за то, что лишь часть эфира, связанная с молекулами, принимает участие в движении тела. Этот вывод проверен был на опыте раньше Физо (1855), а затем Майкельсоном и Морлейем (1886); исследователи определяли скорость распространения света в воде, текущей по направлению распространения света, и нашли ее действительно большей, чем в покоящейся воде, и как раз во столько раз большей, как это предсказывает предположение Френеля. Кроме того, предположение Френеля прекрасно объясняет наблюдаемую на опыте независимость явления астрономической аберрации от среды, которая находится на пути световых лучей. Еще большие трудности представляет вопрос о том, увлекает ли движущееся тело находящийся вокруг него эфир, т. е. существует ли нечто подобное трению между покоящимся эфиром и движущимся телом. Вопрос представляет особенный интерес по отношению к возможному увлечению эфира движущимся с огромной скоростью земным шаром. Несмотря на целый ряд остроумнейших попыток решить этот вопрос, нам о нем пока почти ничего еще не известно. Мнения очень многих (начиная с Ньютона) склонялись к тому, что эфир является передатчиком и сил тяготения; но о силе тяготения нам, кроме Ньютонова закона, ничего не известно. Скорость распространения сил тяготения неизвестна; попытки определить ее из астрономических наблюдений (Лаплас, Оппольцер, Геппергер) не привели к каким-либо определенным результатам. Какое-либо влияние промежуточной среды на силу тяжести или влияние на нее формы тела (независимо от его массы) тоже пока не замечено. Таким образом, характер сил тяготения, с внешней стороны лучше всего нам знакомых, менее всего нам известен; поэтому пока и не может быть речи о сколько-нибудь удовлетворительном объяснении этих сил. На почве эфира построена и одна из замечательнейших спекуляций об интимной природе вещества, именно теория вихревых эфирных атомов В. Томсона. В вихре (см.) вещество, из которого вихрь состоит, вращается вокруг осевой линии вихря и движется в то же время поступательно вместе с вихрем. Гельмгольц и после него В. Томсон и Дж. Томсон исследовали условия образования и существования таких вихрей в жидкостях и газах и пришли к многим в высшей степени замечательным выводам. Если мы имеем вихревое кольцо в несжимаемой и не обладающей вязкостью жидкости, то это вихревое кольцо неуничтожимо; нет способов, посредством которых мы были бы в состоянии разбить такое кольцо на части, уничтожить его. С другой стороны, в такой идеальной жидкости мы не имеем возможности создать вихрь; мы можем создать его только в вязкой жидкости, в которой вихревое движение само по себе через некоторое время прекратится. Но если предположить, что какая-либо творческая сила создала ряд вихрей в идеальной жидкости, то эти вихри будут вечны, бессмертны. Такой вихрь упруг, он представляет неразрушимый индивидуум среди остальной массы жидкости — он обладает, как показывает математический анализ, всеми свойствами, которые мы приписываем другому неделимому — атому. В. Томсон и высказал мысль, что атомы вещества, может быть, не что иное, как кольцевые вихри некоторой идеальной жидкости. Разнообразие вещества может быть объяснено разнообразием форм вихрей и сплетением нескольких вихрей в одну сложную систему — молекулу. Эта идеальная жидкость не есть, однако, эфир; в такой жидкости появление поперечных колебаний нам было бы совершенно непонятно. Остается предположить, что эта жидкость какой-то новый эфир — эфир второго порядка, из мельчайших вихрей которого состоит наш обычный эфир. Эфиру приписывались в разное время и другие еще функции — его отождествляли даже с электричеством, но уже того, что, по общему убеждению, несет на себе эфир, достаточно, чтобы признать, что в механической картине мироздания эфир играет роль несомненно более значительную, чем вещество осязаемое.

9) Энергия. Скрыто или явно во всех отдельных частях Ф. сквозит убеждение в том, что все происходящее в мире, подлежащем изучению Ф., есть не что иное, как движение вещества. Движение всякого вещества подчиняется общим законам механики; следовательно, и все физические явления в конце концов должны подчиняться некоторым совершенно общим законам, тем законам, которые лежат в основе механики и по общности своей называются в механике "принципами". В применении к тому методу, которым пользуется Ф. при рассмотрении явлений, особенно удобным является принцип, называемый в механике "законом живой силы", в приложении к физике — "принципом сохранения энергии". Этот принцип, являющийся в настоящее время путеводной нитью всей Ф. в ее развитии, может быть поставлен и в полную независимость от механического воззрения на мир; на него можно смотреть как на опытный принцип, вытекающий из всего того, что мы знаем о явлениях природы; его можно рассматривать и как следствие аксиомы о невозможности "perpetuum mobile". Каков бы ни был путь, посредством которого мы пришли к убеждению о подчинении всех явлений принципу сохранения энергии, мы должны в настоящее время признать этот принцип как одну из незыблемых основ Ф. Инстинктивное чувствование чего-то неисчезающего, неизменного во всем круговороте явлений природы сквозит в писаниях даже древнейших исследователей и философов. Лишь в начале прошлого столетия выработалось представление о том, что это нечто неисчезающее, неразрушимое есть энергия. Энергией мы называем способность совершать механическую работу; если какая-либо совокупность тел способна, как-либо изменившись, совершить работу, то мы говорим, что эта совокупность тел обладает известным запасом энергии; чем больше работа, которую может совершить эта система, тем больше запасенное в ней количество энергии. Движущееся тело, поднятый груз, закрученная пружина обладают запасом энергии; нагретое тело тоже источник энергии — действительно, мы можем заставить его, охладившись, нагреть газ, который расширится и, подняв груз, совершит механическую работу. Наэлектризованные тела, магниты тоже могут представлять запасы энергии; наконец, таким же запасом обладает и всякая совокупность двух тел, могущих химически воздействовать друг на друга. Всякое явление можно рассматривать как переход энергии из одного вида в другой. Заставим падающий груз приводить в действие динамо-машину; ток этой последней заставим накаливать проволоку, которая, в свою очередь, может нагревать воду; свет, излучаемый проволокой, заставим упасть на хлористое серебро, и оно под влиянием света будет разлагаться, выделяя металлическое серебро. Всю эту сложную совокупность явлений мы можем рассматривать как переход энергии падающего груза из одного вида в другой. Поднятый груз обладал запасом энергии; пока он падал, запас энергии его уменьшился, но зато за счет этого уменьшения возник новый вид ее — энергия электрического тока. Ток накаливал проволоку — энергия тока переходила в тепловую энергию в проволоке. Проволока излучала свет — тепловая энергия ее переходила в энергию колебания эфира и т. д. Нет ли количественного закона, который управлял бы этими переходами энергии из одного вида в другой? Будем ли мы исходить из той точки зрения, что все эти явления представляют не что иное, как движение вещества, или непосредственно из аксиомы о невозможности "perpetuum mobile", мы всегда придем к заключению, что полное количество энергии во всей системе тел, участвовавшей в описанных процессах, нисколько за время течения процессов не изменилось. Изменилось только распределение энергии между телами и распределение энергии по различным видам ее. Это одинаково справедливо для всех процессов, какие бы мы ни придумали; отсюда следует, что и вообще энергия не может ни создаться, ни исчезнуть, а только переходит от тела к телу, от одного вида к другому. Представим себе, что мы могли бы всякий запас энергии (какого бы то ни было вида) какой-либо системы тел совершенно отнять от нее и превратить в один вид энергии, напр. в энергию поднятого груза; тогда мы могли бы сравнивать количества разнороднейших видов энергий, приведя их для этого к одному и тому же виду; если два количества энергии различных видов, будучи приведены к одному третьему виду, дали бы равные количества этого третьего вида, мы их назвали бы эквивалентными количествами энергии. Раз мы пришли к убеждению, что энергия не может ни исчезнуть, ни создаться, то, следовательно, всякий запас энергии, кажущимся образом исчезнувший, в действительности только перешел в эквивалентную ему сумму других видов энергии. Совокупность этих представлений обнимает великий принцип сохранения энергии. Формулировать его можно следующим образом: энергия не исчезает и не образуется вновь, но энергия одного вида может перейти в эквивалентную ей сумму энергий других видов. Наука не сразу, понятно, пришла к выводу столь необыкновенной, столь необъятной общности. Убеждение в необходимости существования такого принципа выросло на рассмотрении частных случаев физических явлений, но раньше всего на исследовании явлений тепловых. Представление о вещественной природе тепла, сильно поколебленное опытами Румфорда и Деви, уже в начале XIX в. начало уступать кинетическому воззрению на тепловые явления. Независимо от того росло убеждение, что тепло не что иное, как вид энергии, и что при трении явление теплообразования не сопровождает поглощение механической работы, но есть действительный переход механической энергии в новый вид ее — тепловую. Лишь в 1841 г. в работе совершенно неизвестного тогда судового врача Роберта Майера впервые высказана была определенно и страстно эта назревавшая мысль. "В сплетении причин и следствий... ни одна часть их, ни даже часть части не может сделаться равной нулю. Это первое свойство всех причин назовем их "неразрушимостью", — пишет Р. Майер, и дальше: — силы неразрушимы и способны к превращениям". Уже в 1845 г. Майер вычисляет на основании опытов над расширением газов, какое число единиц механической работы нужно затратить, чтобы получить единицу количества тепла; в той же работе Майер делает огромный шаг вперед и обобщает свои представления и на случай электрических явлений, и на различные физиологические и космические вопросы. Независимо от Майера в 1843 г. к аналогичным выводам пришел в Копенгагене инженер Кольдинг; он исходил из чисто метафизических оснований, но не пренебрегал и опытом, и на основании опытов над трением (по-видимому, первый) определяет опытным путем механический эквивалент тепла. В том же 1843 г. англичанин Джоуль начинает ряд своих знаменитых опытов для точного численного определения механического эквивалента. Ему мы главным образом обязаны разработкой методов этих определений и наиболее точными из известных до последнего времени результатов подобных определений. Работы Джоуля сильно содействовали глубокому укоренению убеждения, что при переходе механической энергии всецело в тепловую количество последней пропорционально количеству затраченной при этом механической энергии. Еще Майер ясно чувствовал чрезвычайную общность закона сохранения энергии; но в его изложении нет той строгой определенности, той точности языка, которая убеждает и других. Предстояло точно сформулировать на языке науки то, что чувствовал в природе Майер; это сделал Гельмгольц, и в этом одна из бессмертных заслуг его. В юношеском труде своем "Ueber die Erhaltung der Kraft" (1847) Гельмгольц ищет исходных пунктов для нового энергетического взгляда на природу и находит их, с одной стороны, в невозможности "perpetuum mobile", с другой — в признании первопричиной всех явлений действий притягательных и отталкивательных сил, величина которых зависит исключительно от расстояния между действующими друг на друга "точками" (центральный силы). Затем великий ученый блестяще развертывает в своей работе применения закона сохранения энергии; особенно подробно он останавливается на явлениях электрических и магнитных, на явлении электромагнитной индукции, на взаимодействии токов и т. д. Работа Гельмгольца впервые выяснила ученому миру всю общность и плодовитость новой идеи, которая, однако, лишь медленно пробивалась сквозь научную рутину и, может быть, только к 60-м годам сделалась исходной основой Ф.

Первый закон учения об энергии, о котором мы говорили выше, трактует о количественном соотношении между энергиями, всецело преобразовавшимися одна в другую. Он совершенно не затрагивает вопроса о том, когда и в какой мере такая трансформация возможна; он трактует количественную сторону уже совершившегося явления трансформации, но не дает ответа на вопрос, может ли такая трансформация иметь место и если может, то при каких условиях. Первый закон в приложении к явлениям тепловым говорит: "Когда механическая работа всецело переходит в тепло, то каждый килограмм-метр перешедшей в тепло работы дает 1/425 большой калории; когда тепло всецело переходит в механическую работу, то каждая большая калория дает 425 килограмм-метров механической работы". Возможен ли всецелый переход энергии одного вида в другой — остается вопросом открытым. Интересно, что еще задолго до Майера и Гельмгольца, а именно в 1824 г., добыты были результаты, которые впоследствии послужили основой для разработки этого вопроса. Размышляя над явлениями, происходящими в паровой машине, гениальный молодой французский инженер Сади Карно ("Reflexions sur la puissance motrice du feu", 1824) приходит к заключению (см.), что должен существовать общий закон, управляющий условиями перехода тепла в механическую работу, того перехода, который мы "лишь в несовершенном и исковерканном виде наблюдаем в паровой машине". Посредством в высшей степени оригинального метода рассуждения, сделавшегося теперь общим местом науки, но требовавшего для создания его необыкновенной, прямо гениальной способности к отвлеченным рассуждениям, Карно приходит к принципу, который он ищет: для превращения тепла в механическую работу необходимо существование двух тел различной температуры и переход тепла каким бы то ни было путем от тела с более высокой к телу с более низкой температурой; "движущая сила тепла" (т. е. количество полученной механической работы) "не зависит от вещества, которое применяется для получения ее (силы), и количество ее (силы) определяется единственно температурами тел, между которыми происходит перенос тепла". Карно смотрел на тепло как на вещество; переход тепла от одной температуры к другой происходит, по его мнению, как переход воды, движущей мельничное колесо, от одного уровня к другому; как количество воды неуничтожимо и лишь падением своим вращает колесо, так же неуничтожимо и тепло, и лишь падение его от одной температуры к другой — низшей вызывает работу тепловой машины. С точки зрения первого закона учения об энергии, это воззрение, конечно, неправильно. Если появляется механическая работа, некоторое эквивалентное ей количество энергии тепла должно исчезнуть, превратившись в работу; но к этому превратившемуся количеству тепла вполне приложим принцип Карно — оно зависит исключительно от температур тех тел, между которыми происходит переход тепла. Исследования Карно оставались малоизвестными, и лишь когда Клапейрон в 1834 г. изящнейшим образом аналитически их сформулировал, дав те геометрические и аналитические формы, в которые впоследствии вылилась термодинамика, работы Карно стали известными ученому миру. Ими воспользовался В. Томсон в 1848 году при создании своей абсолютной шкалы температур (см. Теплота) и в 1849 г. при исследовании влияния давления на температуру плавления льда. Все время Томсон стоит на точке зрения Карно о неуничтожимости тепла; переход тепла в работу он считает невозможным. Это мнение находилось в резком противоречии с первым законом учения об энергии, который в те времена уже был точно сформулирован Гельмгольцем и опытно проверен как раз на переходе механической работы в тепло соотечественником Томсона — Джоулем. Лишь в 1850 г. не только открыто указывает на это противоречие, но и разрешает его Клаузиус. Он показывает, что всякий переход тепла из более теплого тела в менее теплое может сопровождаться появлением механической работы; но при этом не все тепло сохраняется (как это думал Карно) и не все перешедшее тепло превращается в работу, а лишь часть его. К этой части вполне приложим принцип Карно — она зависит исключительно от температур тел, между которыми происходит переход. Клаузиус вычисляет, как зависит величина этой части от температур тел, между которыми происходит переход тепла, и показывает, как мала эта часть в наших тепловых двигателях. Итак, нет возможности все перешедшее тепло превратить в механическую работу; с другой стороны, уже в те времена опытно доказано было, что, обратно, при переходе механической энергии в тепловую возможен полный переход одного вида энергии в другую. Таким образом, впервые оказалось, что эквивалентные количества энергий различных видов могут существенно различаться по ценности своей, по способности своей переходить из одного вида в другой, напр. в механическую энергию. Ближайшее рассмотрение других видов энергии, кроме энергии тепловой и механической, показало, что и эти другие виды нельзя признать равноценными; одни из них всецело могут переходить в энергии остальных видов, другие только частью своей. Невозможно при настоящем состоянии учения об энергии дать таблицу различных видов энергии, расположенную по относительной ценности этих видов; можно только сказать, что наиболее ценными является энергия механическая и энергия электрическая в некоторых формах ее; менее ценны энергия лучистых колебаний эфира, некоторые проявления электрической энергии и энергия тепловая. Понятно, что при этих рассуждениях о ценности различных видов энергии мы рассматриваем лишь идеальные, мыслимые процессы перехода одного вида ее в другой; в действительности переход механической энергии в электрическую, напр. в наших приборах, невозможен всецело, так как по причине трения или явлений, аналогичных трению, часть механической энергии против нашей воли превратится в тепловую. Мы рассуждаем только об идеальных процессах перехода, и они, а не опыт, служат нам критерием для указания энергии ее места по ценности. Сравнение тепловой энергии с другими видами указало, затем, что для каждого вида энергии существует характеристика, подобная температуре для случая энергии тепловой, которая определяет часть данного вида энергии, способную при данных условиях перейти в какой-либо другой вид ее. Таким образом, результаты, добытые Карно и Клаузиусом, распространились на все виды энергии и получили необыкновенную общность. Совокупность добытых общих результатов можно формулировать весьма различно; эту совокупность и называют вторым законом учения об энергии.

Все явления, происходящие в неодушевленной природе, мы можем рассматривать как явления перехода энергии из одного ее вида в другой; следовательно, ко всем явлениям два закона учения об энергии приложимы. Возможно, что все результаты, добытые исследованием механических картин явлений, можно вывести как следствия двух принципов учения об энергии; существует значительная группа ученых, которая в этом вполне уверена и полагает, что дальнейшее развитие теоретической Ф. должно идти этим энергетическим путем, что механическая картина отжила свой век, что в каждом явлении, подвергающемся исследованию Ф., должно рассматривать лишь формы и переходы энергии, не заботясь о том, какова механическая картина, могущая объяснить это явление.

10) Механические картины, энергетика и феноменология. Веками освященный метод теоретического исследования физических явлений при помощи механических картин нашел в новом методе — энергетическом — соперника, с которым приходится считаться. В начале появления энергетического метода основатели его осторожно исходили из представления о механической природе явлений, но только не вдавались в детальное рассмотрение картин, а непосредственно прилагали к скрыто предполагаемой механической картине общие принципы учения об энергии; этим путем добыты были, может быть, наиболее ценные результаты теоретической Ф. последних десятилетий. Многие последователи этой школы сочли возможным совсем даже отрешиться от мысли о механической картине; они рассматривают основные законы энергетики (учения об энергии) как единственное, на чем можно строить исследование явлений; они даже открыто напали на старый метод, на самые важные основы его, на вещество, на атомистическую теорию как на ненужные, лишние представления. Эта крайняя фракция энергетической школы, однако, не доказала еще на деле возможности обойтись без механических картин и не показала еще эвристической ценности своего метода. Больцман, один из лучших современных знатоков философии Ф., смотрит на нее как на реакцию против чрезмерного увлечения механическими картинами; в настоящее время энергетика не может, по его мнению, заменить вполне механической картины, она "идеал для далекого будущего". В последнее время начал обрисовываться еще один метод теоретического исследования физических явлений, метод, который Больцман назвал "феноменологическим". Феноменологи довольствуются перечислением и описанием явлений, пользуясь для этого всеми даваемыми наукой способами, но не стремятся ни к единству мировоззрения, ни к механическому объяснению, ни к какому-либо обоснованию описываемого; если каким бы то ни было путем добытые (хотя бы угаданные) закономерные зависимости между факторами, определяющими группу явлений, дают возможность количественно и качественно предсказывать явления, то они ими довольствуются, не задаваясь вопросом о происхождении и внутреннем смысле этих зависимостей. Когда знаменитый Генрих Герц десять лет тому назад впервые откровенно встал на точку зрения феноменологии, то многие сочли это, как пишет Больцман, за "скверную шутку"; между тем заметно, что феноменология приобретает сторонников. И эту новую нарождающуюся школу можно рассматривать как реакцию на то преобладающее значение, которое механический метод придает гипотезе и картине. Между тем старый метод идет неустанно своим путем, добывая Ф. все новые и новые результаты; еще в самое последнее время, как бы в ответ на притязания энергетиков и феноменологов, он выступил с грубо-механической картиной частичек электрических зарядов, так называемых электронов.

11) Заключение. Еще в сравнительно недавнее время Ф. представляла совокупность нескольких совершенно обособленных и по внутреннему содержанию ничего общего друг с другом не имеющих отделов. В настоящее время многие из резких границ, определявших объемы этих отделов, стушевались. Наиболее определенно выделяются в строе современной Ф. лишь те отделы ее, которые трактуют почти исключительно о явлениях, вызванных только движением осязаемого вещества. Сюда принадлежит раньше всего учение о звуке — акустика. Внутренняя сущность механизма возникновения и распространения звука хорошо известна; звуковые явления происходят в средах, со свойствами которых мы хорошо знакомы. Ввиду всего этого задачи, встречающиеся при изучении акустики, являются поставленными настолько определенно, что дальнейшее развитие ее зависит скорее от успехов механики и математики, чем от успехов Ф. Это справедливо, однако, лишь относительно вопросов возникновения и распространения звука; учение о восприятии звука органом слуха представляет еще мало исследованную область, которая, однако, относится скорее к физиологии органов чувств, чем к Ф. (физиологическая акустика, музыкальная акустика). Движения и деформации твердого тела относятся всецело к области механики, точно так же как и вопросы движения жидкостей. В учении о жидкостях вопросы капиллярности (волосности) относят, однако, обыкновенно к Ф., так как сущность механизма капиллярных явлений еще не окончательно выяснена. Определение постоянных, характеризующих отношение вещества к движущим и деформирующим его силам (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, упругие постоянные), входит обыкновенно в область Ф., так как применяемые для этих определений методы выработаны были этой наукой. Учение о телах в газообразном состоянии принадлежат Ф. почти всецело, причем путеводной нитью в этом учении служит кинетическая теория газов (см.). Учение о тепловых явлениях в современной физике разрабатывается в теоретической части своей на основаниях термодинамики (механической теории тепла — см.), того отдела учения об энергии, который специально трактует о явлениях тепловых. Немаловажную долю учения о тепле представляет изучение и опытное определение тех постоянных, которые характеризуют тепловые свойства тел. Кинетическая картина тепловых явлений ясно разработана лишь для газов; разработка же ее для жидких и твердых тел отступила пока на задний план и лишь медленно подвигается вперед. Господствующую роль в современной Ф. занимает учение об электрических и магнитных явлениях. Усиленная разработка этого учения началась с конца истекшего столетия, когда Фарадей-Максвеллево учение о природе электромагнитных явлений дало твердую основу для создания полной теории этих явлений. В последнее время особенный интерес привлекло изучение тех многосторонних и глубоких зависимостей, которые связуют электромагнитные явления с явлениями световыми. Учение о свете, трактовавшееся до конца истекшего столетия с точки зрения Френелевой теории, получило в настоящее время новое освещение в виде более общей электромагнитной теории света, давшей возможность рассматривать и теоретически упомянутые выше зависимости между явлениями электромагнитными и световыми. Несмотря на большие успехи, достигнутые теоретической физикой в математической обработке, разыскание новых явлений путем опыта и наблюдения не останавливается; хотя в сравнительно частых случаях теория могла делать предсказания, т. е. указывать на новые явления, ускользавшие от опыта, но нет достаточного основания предполагать такую полноту теории, которая упразднила бы опытную разработку в какой-либо части физики. Приложение физических методов к другим наукам чрезвычайно обширно. Если в астрономии теория тяготения достаточна для объяснения большинства всех явлений движения небесных тел, то понятие о составе этих тел стало возможным только с открытием спектрального анализа, что произошло, как известно, путем опыта и соображений чисто физического характера. Еще шире приложение Ф. к технике. Так, с середины истекшего столетия началось усиленное развитие технических применений электричества, которое с 80-х годов пошло столь быстро, что учение о применениях электричества пришлось выделить в отдельную прикладную науку электротехнику (см.). Точно так же и в учении о свете мало-помалу выделяется учение о расчете и конструкции оптических инструментов; можно ожидать, что, подобно электротехнике, и учение об оптических инструментах вскоре вполне отделится от основной науки Ф. и образует отдельную техническую науку. Об этих и подобных прикладных знаниях — см. соответственные статьи. Из современных руководств по Ф., обнимающих полный объем ее, можно назвать: О. Хвольсон, "Курс физики" (4 ч., вышли пока 3 ч.); его же, "Краткий курс физики" (4 ч., вышли пока 3 ч.); П. Зидов, "Курс физики" (2 т., более элемент., чем курсы проф. Хвольсона); A. Wüllner, "Lehrbuch der Experimentalphysik" (4 тома); Müller-Pouillet, "Lehrbuch der Physik" (4 т., более элемент., чем Wüllner); Violle, "Cours de Physique" (вышли пока 2 т.) и Chappuis et Berget, "Leçons de Physique générale" (4 т., более элемент., чем Violle).

А. Гершун.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон

1890—1907