Научная культура Западной Европы XIX века

    Окончательное признание закон сохранения и  превращения энергии получил после большого числа работ, экспериментально доказавших справедливость закона и уточнивших механический эквивалент тепла (Джоуль, Грин, Колдинг, Роуланд, Эдлунд, Реньо и др.).

    Открытие  и обоснование закона сохранения и превращения энергии в середине XIX в. явилось обобщением многочисленных научных исследований и опыта, накопленного практикой. Познание этого закона природы имело огромное значение для дальнейшего развития науки и техники.  

    2.5 Электричество, магнетизм

    К концу XVIII в. были выработаны первые представления  об электричестве и изучены важнейшие явления электростатики. С начала XIX в. в центре изучения становится электрический ток. Этому способствовало открытие гальванических элементов, которые обнаружили обширную область явлений, связанных с постоянным электрическим током.

    Новый период в развитии учения об электричестве  начинается с работ итальянского физиолога Луиджи Гальвани (1737—1798), опубликовавшее го в 1791 г. свой «Трактат о силах электричества при  мышечном движении», и итальянского физика и физиолога Алессайдро Вольта (1745—1827), который в 1800 г. изобрел так называемый вольтов столб — первый источник постоянного тока, который широко использовался исследователями многих стран при изучении электрических явлений.

    В 1821 г. немецкий физик Т. Зеебек (1770—1831) открыл явление термоэлектричества, названное им термомагнетизмом, сущность которого заключалась в том, что в цепи, состоящей из разнородных металлов, возникает электродвижущая сила, если температура мест соединений или спаев этих металлов различна. Малая величина получаемых при этом сил тока заставила заняться вопросом о связи между различными комбинациями элементов в батарее и получающимися при этой силами токов. После ряда неудачных опытов вопрос был, наконец, решен немецким физиком Г. С. Омом (1787—1854), установившим основной закон электрической цепи, связывающий сопротивление цепи, электродвижущую силу и силу тока. Этот закон был установлен Омом экспериментально и сформулирован в 1826 г. в работе «Определение закона, по которому металлы проводят электричество».

    С установлением количественного  соотношения между основными  параметрами электрической цепи открылись широкие возможности  для изучения электрических явлений. Однако закон Ома долгое время  не находил себе признания. И только после того, как русские ученые Э. X. Ленц и Б. С. Якоби, немецкие ученые К. Гаусс, Г. Кирхгоф и некоторые другие положили этот закон в основу своих исследований, значение его стало неоспоримо.

    В 1841 г. Джоуль установил закон, определяющий количество тепла, выделяющегося в  проводнике при прохождении через  него электрического тока. Независимо от Джоуля в 1842 г. этот же закон открыл и экспериментально проверил Э. X. Ленц. Закон Джоуля — Ленца приобрел большое практическое значение, так как на нем основан расчет электроосветительных установок, всех нагревательных и отопительных электроприборов, которые начали широко применяться с конца XIX в.

    В 1820 г. датский ученый X. Эрстед открыл действие тока на магнитную стрелку. Французские физики Ж. Био и Ф. Савар нашли количественный закон этого действия. Закон взаимодействия токов был открыт французским физиком А. Ампером, трудами которого были заложены основы современной электродинамики. Воспроизведя явления Эрстеда, Ампер предложил свое «правило пловца» для определения направления отклонения стрелки током. Для объяснения магнитных свойств веществ Ампер предложил гипотезу, согласно которой магнит состоит из громадного числа элементарных магнитиков — кольцевых электрических токов.

    Таким образом, Ампер создал первую теорию магнетизма, в которой он сводит явления магнетизма к электричеству.

    В первой трети XIX в. были сделаны очень  важные открытия, имевшие весьма большие теоретические и практические последствия и снова поставившие в центр внимания вопрос о связи между зарядами и токами в телах и одновременными изменениями в окружающем пространстве, а также связавшие электрические явления с магнетизмом.

    Эти блестящие открытия были сделаны  английским физиком Михаилом Фарадеем (1791—1867). Руководимый идеей о единстве сил природы, он поставил себе задачей раскрыть связи между электричеством и магнетизмом, электричеством и химическими процессами, магнетизмом и светом. Это открытие, принесшее Фарадею мировую известность, имело огромное научное и практическое значение. Дальнейшее развитие учение об индукции токов получило в работах русского ученого Э. X. Ленца, который обосновал в 1833 г. так называемое «правило Ленца».

    Важной  заслугой Фарадея является установление им в 1833—1834 гг. основного количественного  закона электролиза — закона электрохимической эквивалентности. При этом он высказал мысль об атомной структуре электричества. В 1835—1838 гг. Фарадей проводил исследования диэлектриков. В 1836 г. он открыл магнитное вращение плоскости поляризации, установив, таким образом, связь между светом и электромагнитными явлениями. В том же году он открыл и явление диамагнетизма. До 1851 г. Фарадей изучает магнитные свойства различных веществ, а также работает над вопросами, касающимися общих свойств магнитного поля. В 1851 г. он опубликовал интересную работу: «Физический характер магнитных силовых линий».

    Выдающимся  продолжателем работ Фарадея  был английский физик Джемс Максвелл (1831—1879). Научная деятельность Максвелла  охватывает ряд проблем молекулярной физики, оптики, механики, теории упругости. Но основной вклад наряду с кинетической теорией газов Максвелл «делал в области электромагнетизма. Если Фарадей дал первое обоснование учения об электромагнитном поле, то Максвелл, продолжая работы Фарадея, разработал теорию электромагнитного поля.

    Эти исследования обобщены в его знаменитом труде «Трактат по электричеству и магнетизму», вышедшем в 1873 г. Математическим выражением теории Максвелла явилась его знаменитая система уравнений.

    Открытия, сделанные во второй трети XIX в., подготовили  почву для применения учения об электричестве  и магнетизме к ряду важнейших  технических проблем, которые были решены во второй половине XIX в. и в  начале XX в. 

    2.6 Химия

    Развитие  химического производства подготовило  глубокие изменения и в химической науке. С рассматриваемым периодом связано формирование основных научных понятий химии (атом, молекула, эквивалент, валентность). Центральной проблемой этого периода явилось развитие атомно-молекулярного учения. Представление о том, что все тела состоят из отдельных мельчайших частиц, возникло еще в глубокой древности, и ученые возвращались к нему неоднократно в более поздние эпохи. В XVII в. французский философ П. Гассенди (1592—1655) выдвинул впервые понятие о молекуле. Понятие об атомах и молекулах развивалось Р. Бойлем и М. В. Ломоносовым.

    Развитие  атомно-молекулярной теории связано  с именем английского ученого Д. Дальтона (1766—1844). Он первый в начале XIX в. ввел химическую атомистику. Работы Дальтона сыграли огромную роль в установлении конкретной связи между теоретическими представлениями об атомах и экспериментальными данными о составе вещества. Работы Дальтона высоко оценил Ф. Энгельс, указав, что «новая эпоха начинается в химии с атомистики (следовательно, не Лавуазье, а Дальтон — отец современной химии)…» Однако в учении Дальтона еще не было правильного представления о различиях между атомом и молекулой, которую он называл сложным атомом. Дальтон предполагал, например, что простые газы: водород, азот и т. д., состоят не из молекул, а из атомов.

    Представление о молекуле как о наименьшей частице  простого или сложного вещества, вступающей в химическое взаимодействие, высказал в 1811 г. итальянский ученый А. Авогадро (1776—1856). Согласно гипотезе Авогадро, в разных объемах всех газов при одинаковых температурах и давлении содержится одно и то же число молекул. Закон Авогадро позволил определить молекулярный вес любого вещества. Теперь, зная молекулярный вес и химический состав соединений, можно было вычислить атомные веса элементов.

    В 1859 г. Г. Кирхгоф совместно с Р. Бунзеном положил начало спектральному анализу. Экспериментальные исследования, проведенные Кирхгофом и Бунзеном в 1859—1862 гг., привели к разработке и усовершенствованию техники спектрального анализа и введению его в практику химических исследований. С помощью нового метода ими были изучены спектры большого количества химических соединений, открыты новые элементы — цезий и рубидий.

    В этот же период благодаря работам  француза Ш. Ф. Жерара (1816— 1856), итальянца  С. Канниццаро и англичанина Э. Франкленда (1825— 1899) было установлено одно из важнейших  понятий химии — понятие валентности—   свойства атома соединяться со строго определенным числом других атомов при образовании молекулы нового вещества. В начале второй половины XIX в. немецкий химик Ф. А. Кекуле (1829—1896), австрийский химик И. Лошмидт (1821—1895) и шотландский химик А. С. Купер (1831—1892) независимо друг от друга предложили способ написания структурных формул молекул органических соединений. Однако предложенные формулы были еще очень несовершенны.

    Основоположником  научной теории химического строения вещества явился выдающийся русский  ученый Александр Михайлович Бутлеров (1828—1886). Свою теорию химического строения Бутлеров впервые доложил на 36-м собрании немецких естествоиспытателей и врачей в Шрейере 19 сентября 1861 г. Его доклад носил название: «Нечто о химической структуре тел». Теория химического строения молекул объяснила явление изомерии, заключающееся в существовании веществ с одинаковым составом и молекулярным весом, но различных по химическим и физическим свойствам. Явление изомерии в свете теории химического строения объяснялось различным порядком соединения между собой атомов одних и тех же элементов, причем создавалась возможность предсказывать число изомерных форм. В дальнейшем было установлено, что число изомеров оказалось больше, чем можно было предполагать, исходя из анализа возможных соединений атомов.

    Величайшим  достижением химии было открытие в 1869 г. гениальным русским ученым Д. И. Менделеевым (1834—1907) периодического; закона химических элементов. Это открытие было подготовлено всем ходом развития науки. Этому, в частности, содействовало  непрерывно увеличивающееся количество известных химии элементов. К концу XVIII в. было открыто около 30 элементов, а к 60-м годам XIX в. число их возросло до 63. В результате открытия новых элементов, их изучения и практического освоения в производстве возникла необходимость классификации этих элементов.

    Открытый  Д. И. Менделеевым периодический  закон — великий вклад русской  научной мысли в мировую науку. Периодическая система элементов представляла собой величайшее обобщение в области химии и физики. С ее помощью была установлена взаимосвязь между всеми элементами, предсказано существование еще неизвестных элементов и их свойств. На основе периодической системы были найдены закономерности свойств химических соединений различных элементов. Периодическая система элементов сыграла также важную роль в дальнейшем изучении строения атома при разгадке явлений радиоактивности, в открытии изотопии и в настоящее время является руководящим началом в развитии физики и химии. 

    2.7 Геология

    Развитие  горной промышленности позволило пополнить  и уточнить научные представления  о строении Земли, о минералах  и горных породах, о месторождениях полезных ископаемых, о геологическом строении многих районов Европы и Азии.

    Конец XVIII и начало XIX в. характеризовались  господством нептунизма в геологии. Но и в это время были высказаны  некоторые прогрессивные идеи. Однако эти идеи, особенно материалистические представления в эволюционной теории М. В. Ломоносова, в то время не нашли  широкого распространения. Лишь в начале XIX в. немецкие естествоиспытатели Александр  Гумбольдт (1769—1859) и Леопольд Бух (1774—1853) научно доказали несостоятельность  основных положений нептунизма. В частности, А. Гумбольдт высказал мысль о том, что огромную роль в современной геологической жизни Земли играл вулканизм. Л. Бух дал критику нептунистического взгляда на сущность вулканических явлений. Он выдвинул свою известную гипотезу «кратеров поднятия», согласно которой поднятия образуются при расширении магматических масс, поднимающихся из глубин земного шара и внедряющихся в осадочные толщи. Магма, внедряясь, раздвигает осадочные породы, и в них возникают складки и разрывы. В зоне поднятия образуется купол, при обрушении которого получается кратерообразная впадина; отсюда и название данной гипотезы.

    Благодаря трудам А. Гумбольдта и Л. Буха учение вулканистов получило всеобщее признание  в геологии. Основные положения вулканистов: о непрерывном развитии Земли, о  движении земной коры, о систематическом  чередовании морского и континентального режимов, приуроченности рудных залежей к зонам контакта магматических и осадочных пород, были весьма прогрессивными для своего времени. Однако вулканизм начала XIX в. довольно скоро стал вырождаться в реакционное направление,  получившее  название катастрофизма.