Научная культура Западной Европы XIX века

    Работы  Лобачевского, Больяи и Римана предвосхищали последующее развитие науки. В период, когда они выступали со своими теориями, не было областей естествознания, где эти теории могли   бы   иметь   значение. Только в XX столетии, после создания теории относительности,   эти геометрические идеи были применены к исследованиям реального  физического пространства. На основе классической алгебраической   задачи о  решении уравнений  высших степеней  выросла одна из важнейших областей математики — теория групп. Эта теория,  начало которой было положено Лагранжем, развивается в XIX в. рядом ученых. Однако особые заслуги в этом отношении принадлежат прежде всего французскому математику Э. Галуа (1811—1832), давшему с помощью теории групп ответ на вопрос об условиях, которым удовлетворяют уравнения, разрешимые в радикалах. Его идеи также далеко не сразу получили признание. Только в 70-е годы начинается их применение в геометрии (немецкий ученый Ф. Клейн, 1849— 1925)", в области дифференциальных уравнений (норвежский математик С. Ли, 1842—1899) и затем уже в математическом естествознании (кристаллография,   квантовая физика и т.  д.).  

    2.2 Астрономия

    Успехи  астрономических исследований в  этот период были подготовлены, с одной стороны, совершенствованием астрономических приборов и методов наблюдений небесных тел, а с другой — накоплением данных астрономических наблюдений, особенно после возникновения в ряде стран в конце XVII и в XVIII в. государственных обсерваторий. Астрономия развивается в неразрывной связи с математикой и механикой. Поворот в развитии астрономических знаний был связан с крушением старых представлений о небесных телах,- как раз и навсегда данных, сотворенных богом.

    Новые представления пришли не сразу. В 1755 г. выдающийся немецкий философ Эммануил Кант (1724—1804) в работе «Общая естественная история и теория неба» выдвинул первую космогоническую гипотезу. И только через 41 год, в 1796 г., французский астроном, математик и физик Пьер Симон Лаплас (1749—1827) конкретизировал гипотезу образования планет из газового облака, вращавшегося вокруг Солнца и простиравшегося за пределы возникшей из него солнечной системы.

    В дальнейшем были обнаружены явления, необъяснимые с точки зрения гипотез Канта и Лапласа, и в XX в. эти гипотезы были признаны несостоятельными. Но историческое значение их было огромно не только для астрономии, но и для всего естествознания в целом. Энгельс в «Диалектике природы», характеризуя переход к идеям эволюции в естествознании, писал, что «первая брешь в этом окаменелом воззрении на природу была пробита не естествоиспытателем, а философом... В открытии Канта заключалась отправная точка всего дальнейшего движения вперед. Если Земля была чем-то ставшим, то чем-то ставшим должны были быть также ее теперешнее геологическое, географическое, климатическое состояние, •ее растения и животные, и она должна была иметь историю не только в пространстве — в форме расположения одного подле другого, но и во времени — в форме последовательности одного после другого».

    Для торжества идеи о постоянном развитии небесных тел большое значение имели  исследования английского астронома  В. Гершеля (1738— 1822). С помощью крупных  телескопов, им же самим изготовленных, Гершель открыл планету Уран, двух спутников Сатурна, ряд туманностей и звездных скоплений. Наиболее важные работы Гершеля относятся к звездной астрономии. Положив в основу своих исследований определение числа звезд, видимых в различных частях звездного неба на площадях, равных полю зрения телескопа (метод звездных промеров), он исследовал распределение звезд в пространстве, заложив основу статистических исследований строения Млечного Пути. В 1783 г. Гершель обнаружил движение солнечной системы. Изучение звезд привело его к открытию двойных звезд — пар звезд, обращающихся вокруг общего для них центра масс.

    Большое значение в развитии астрономии имели  труды В. Я. Струве (1793—1864) — первого  директора Пулковской обсерватории, известного своими обширными исследованиями двойных звезд, а также исследованиями в области звездной астрономии. В опубликованных в 1847 г. «Этюдах звездной астрономии» он впервые доказал существование поглощения света в межзвездном пространстве и увеличение числа звезд в единице объема по мере приближения к плоскости Млечного Пути. Ему же принадлежит первое надежное определение звездного параллакса, выполненное в 1837 г. •

    В это же время произошло другое важное событие в истории астрономии. В 1845 г. французский астроном У. Леверье (1811—1877) по предложению астронома Ф. Арго занялся изучением неправильностей в движении Урана и теоретически доказал, что их причиной является существование за пределами его орбиты неизвестной планеты. Леверье вычислил положение предполагаемой планеты. В сентябре 1846 г., по его данным, она была открыта берлинским астрономом Галле и названа Нептуном. Одновременно с Леверье и независимо от него аналогичные расчеты произвел в Англии Дж. Адаме (1819-1892).

    Начиная с середины XIX в. на развитие астрономии все большее влияние оказывают достижения физики, связанные с усовершенствованием экспериментальных методов исследования физической природы небесных тел, В этот период развернулись исследования по определению блеска звезд. К 60-м годам относится начало применения спектрального анализа и изучение структуры небесных тел.

    Спектральный  анализ, разработанный немецкими  учеными Робертом Бунзеном (1811—1899) и Густавом Кирхгофом (1824—1887), имел огромное значение для дальнейшего развития астрономии и стал, по существу, одним из основных научных методов современной астрофизики. Спектральный анализ дал возможность исследовать строение и химический состав звездной материи и туманностей. Так, в 1868 г. И. Янсен (1827—1907) исследовал во время солнечного затмения протуберанцы Солнца и установил, что они являются вспышками массы газа, состоящей в основном из водорода. В дальнейшем посредством систематических исследований удалось установить наличие в солнечной и в звездной материи большинства элементов, известных на Земле. Завоевания астрономии этого периода были важным шагом на пути естественнонаучного установления материального единства мира.  

    2.3 Механика

    В XIX в. центр внимания был перенесен  на разработку вопросов физической и  технической механики.

    Развитие  механики идет в эту эпоху в  двух направлениях: разрабатываются и совершенствуются аналитические методы механики и закладываются основы так называемой прикладной механики. Центром развития механики в этот период становится Франция. Работы французского ученого Ж. Лагранжа (1736—1813), особенно его «Аналитическая механика» (1813 г.), определили аналитическое направление в этой науке. Одновременно во Франции формируется и прикладная механика (этот термин получил всеобщее распространение в 30-х годах XIX в.). В начальный период главную роль в развитии прикладной механики играли ученые, группировавшиеся вокруг парижской Политехнической школы. Прежде всего это Г. Монж (1746—1819), Л. Карно (1796—1832), Ж. Понселе (1788—1867) и др.

    Основным  в прикладной механике являются понятия  механической 
работы и уравнения движения машин. Важной задачей было определение 
коэффициента полезного действия машин, проблема обеспечения равно - 
мерного движения машин, в связи с чем весьма важной стала проблема 
устойчивости движения в машинах (Навье, Понселе, Морен, Вышнеград - 
ский).

    На  первых этапах прикладная механика включала и изложение начал гидравлики, теории гидравлических двигателей, теории паровых машин и паровых котлов. В дальнейшем эти разделы выделяются в самостоятельные науки. Уже в 30-х годах XIX в. в самостоятельную научную дисциплину оформились теория упругости и сопротивление материалов. После появления водяных турбин выделяется в отдельную науку гидравлика и теория гидравлических двигателей.

    Хотя  основные понятия кинематики были даны еще в предшествующий период Галилеем, Гюйгенсом, Ньютоном, Эйлером, все же кинематика как самостоятельный раздел механики возникла только в первой половине XIX в. под влиянием запросов машинной техники и необходимости исследования передачи движений в механизмах. Крупнейшую роль в этом новом направлении сыграла выдвинутая Гаспаром Монжем идея разработки кинематики механизмов. Позднее на целесообразность выделения кинематики в самостоятельную науку указал французский физик Ампер в 1834 г. Он же предложил само название — кинематика. Идея Ампера была осуществлена французским механиком Понселе в 1838—1839 .гг. в лекциях, посвященных передаче движения в механизмах. Однако первыми специальными работами по кинематике механизмов можно считать книгу Виллиса (1800—1875) «Принципы механики», появившуюся в свет в 1841 г., работу Л. Бурмейстера «Учебник по кинематике» и, наконец, сочинение Ф. Рело (1829—1905) «Теоретическая кинематика», вышедшее в 1875 г.

    Характерной особенностью указанных работ, заложивших основы кинематики механизмов, является применение геометрических методов. При  помощи этих методов решались задачи о приближенных прямолинейно направленных механизмах у Бурмейстера. В классическом труде Рело дается расчет механизмов так называемым экспериментальным  методом, при котором решение  вопроса осуществляется при помощи моделей механизмов, шаблонов отдельных звеньев, экспериментально-построенной траектории точек звеньев и т. д.

    Одновременно  с новыми разделами механики, вызванными к жизни машинным производством, развиваются и другие разделы, такие, как теория упругости, гидромеханика. К рассматриваемому периоду относится возникновение общей теории упругости, начало которой было положено Навье и особенно Коши. Навье в 1821 г. впервые вывел уравнения равновесия и движения упругой изотропной среды. Коши в 1822 г., развивая идеи Гука, сформулировал обобщенный закон деформации общего вида, а также основные понятия теории упругости и механики деформированных сред; Развивая статическую теорию упругости, Сен-Венан (1797—1886) в 1855 г. поставил и решил задачу о кручении и изгибе, приобретшую позже в связи с развитием техники большое практическое значение.

    В области гидромеханики, основы которой  были заложены в XVIII в. 
работами Э. Эйлера и Д. Бернулли, в эту эпоху возникает новая важная 
область — гидромеханика вязкой жидкости. Она разрабатывается в первой 
половине XIX в. в трудах С. Пуансона, Л. Навье, Дж. Стокса. Навье в 
1822 г. впервые вывел уравнение движения несжимаемой вязкой жидкости. 
В этом же направлении работал и английский физик и механик Дж. Стоке. 
Его уравнение движения вязкой жидкости, известное под названием уравнения Навье — Стокса, было важным этапом в развитии гидромеханики. 
Работы этих ученых сыграли в дальнейшем важную роль для развития машиностроения (трение в подшипниках и их смазка). Большое значение для дальнейшего развития гидромеханики имели исследования 
английского физика Кельвина Томсона (1824—1907) и немецкого естество- 
испытателя Германа Гельмгольца (1821—1894). Томсон и Гельмгольц 
положили начало разработке теории вихревого движения. Томсон установил важную теорему о сохранении циркуляции в идеальной жидкости. 
Гельмгольц в 1858 г. заложил фундамент теории вихревого движения 
жидкости, имеющей важнейшее значение для развития гидродинамики 
и аэродинамики в XX в. 
 
 
 
 
 
 

    2.4 Термодинамика

    Исследование  паровых машин привело к разработке основных начал термодинамики —  науки, изучающей законы теплового  равновесия и превращения теплоты  в другие виды энергии.

    Одним из основоположников термодинамики  был французский ученый Карно. Он указывает, что полезная работа в  паровых машинах может быть получена только при переходе тепла от тела более нагретого к телу более  холодному. Наоборот, для того чтобы  передать тепло от холодного тела к более нагретому, необходимо затратить  работу. Эту закономерность Карно  выявил, анализируя  идеальный  круговой тепловой процесс.

    Работы  Карно способствовали установлению принципа, позволившего определить наибольший возможный КПД тепловой машины. Этот принцип привел в дальнейшем к открытию второго начала термодинамики, которое в окончательном виде сформулировал в 1850 г. немецкий ученый Р. Клаузиус (1822—1888). Сущность второго начала термодинамики, по Клаувиусу, заключается в том, что теплота не может сама по себе перейти от более холодного тела к более теплому. Клаузиус впервые ввел понятие энтропии — одну из основных термодинамических величин.

    Важнейшее значение для развития техники имело  открытие первого закона термодинамики, согласно которому количество теплоты, сообщенное материальной системе, равно сумме прироста внутренней энергии системы и количества произведенной ею работы. Это начало термодинамики было сформулировано как частный случай закона сохранения и превращения энергии.

    Закон сохранения и превращения энергии, как показывает вся история развития науки, является одним из наиболее общих, универсальных законов естествознания. Он был открыт и сформулирован в результате исследований и наблюдений, сделанных в разных странах и в течение длительного времени. Производственная практика, особенно в области теплотехники, использование возможности превращения механической энергии в тепловую и наоборот, а также успехи в области изучения электрических явлений способствовали накоплению необходимых сведений для обоснования этого закона.

    Закон сохранения и превращения энергии  был сформулирован выдающимся немецким ученым Робертом Майером (1814—1878).

    Этот  закон в 1841 г. Майер впервые изложил  в своем труде «О количественном и качественном определении сил», опубликованном только в 1881 г. Свои мысли он развил в работе «Замечание о силах неживой природы» (1842 г.) и в труде «Органическое движение в его связи с обменом веществ» (1845 г„). Закон сохранения и превращения «сил» (энергии), по Майеру, заключается в том, что движение, теплота, электричество, химические процессы и т. п. являются качественно различными формами «сил», превращающихся друг в друга при неизменных количественных соотношениях. В своих работах Р. Майер установил понятие количественного эквивалента «сил» и определил механический эквивалент тепла.