Модуль Юнга

Все, что мы хотели знать о модуле Юнга, но стеснялись спросить – нам расскажет Джеймс Гордон (в первой части статьи я приведу целиком фрагмент из его книги «Конструкции, или почему не ломаются вещи»). А во второй части статьи мы поговорим о враче и физике, астрономе и механике, металлурге и египтологе, океанографе и ботанике, филологе и музыканте, живописце и гимнасте… Нет, речь пойдет не об экспедиции Лондонского Королевского общества, потерпевшей кораблекрушение и спасшейся на таинственном острове где-то в Индийском океане… Мы поговорим об одном лишь Томасе Юнге (опять же я почти дословно процитирую статью Е.М. Кляус «Томас Юнг» из сборника статей АН СССР «Творцы оптической физики» 1973 года. Статья достаточно длинная, но читается как хороший детектив! К тому же, я дополнил ее иллюстрациями того времени :-) ). Итак…

Часть I

«Модуль Юнга, или какова жесткость данного материала?

Как уже говорилось, в своей первоначальной форме закон Гука хотя и заслуживал внимания, но свалил в одну кучу свойства материала и поведение конструкций. Произошло это в основном из-за отсутствия понятий «напряжение» и «деформация», не последнюю роль сыграли здесь существовавшие в прошлом трудности, связанные с испытанием материалов.

В настоящее время для испытания материала как чего-то отличного от конструкции из него изготовляют так называемый образец. Форма образца может быть самой разной, но, как правило, это стержень с участком постоянного сечения, на котором и производятся измерения, и утолщенными концами для закрепления в испытательной машине. Обычная форма металлических образцов показана на рис. 8.

Ris_8

Рис. 8. Типичный образец для испытаний на растяжение

Испытательные машины также могут сильно различаться размерами и конструкцией, но по существу все они представляют собой механические приспособления для приложения к образцам нагрузки, которую при этом можно точно измерять.

Напряжение в стержне вычисляется путем деления нагрузки, регистрируемой на каждой стадии испытаний по шкале устройства, на площадь поперечного сечения образца. Растяжение стержня-образца под действием нагрузки (а следовательно, деформация материала) обычно измеряется с помощью экстензометра — чувствительного устройства, которое крепится к двум точкам образца.

Такое оборудование позволяет довольно просто измерить напряжения и деформации, которые возникают в образце материала по мере того, как мы увеличиваем нагрузку. Графическое изображение зависимости напряжения от деформации называется кривой деформирования. Эта кривая, обычный вид которой представлен на рис. 9, является характеристикой данного материала и практически не зависит от размеров испытываемого образца.

Ris_9Рис. 9. Типичная кривая деформирования

При постройке кривых деформирования для металлов и многих других твердых тел мы неизменно будем обнаруживать, что по крайней мере для небольших напряжении эти кривые имеют прямолинейные участки. В этих случаях о материале говорят, что он «подчиняется закону Гука» или является «гуковским материалом».

Мы обнаружим также, что наклоны этих прямолинейных участков для различных материалов различны (рис. 10), Очевидно, что наклон кривой деформирования является мерой деформации материала при заданном напряжении. Другими словами, он является мерой упругости или, наоборот, податливости данного твердого тела.

Ris_10

Рис. 10. Кривая деформирования. Тангенс угла наклона ее прямолинейного участка является параметром материала,

который называется модулем упругости и обычно обозначается Е

Для любого материала, который подчиняется закону Гука, тангенс угла наклона кривой деформирования должен быть величиной постоянной. Таким образом, отношение

напряжение/деформация = s/e = E

и носит название модуля упругости, или модуля Юнга. Модуль Юнга — величина постоянная для данного материала. Иногда при обсуждении технических вопросов о нем говорят как о «жесткости». Кстати, слово «модуль» в переводе с латинского означает «малая мера».

Вспомним, что деформация нашей веревки под действием веса кирпича составляла 0,5%, или 0,005, при напряжении 24,5 МН/м2 Поэтому модуль Юнга веревки

E = s/e = 24,5/0,005 = 4900 МН/м2 = ~ 5 • 104 кгс/см2.

Единицы измерения жесткости, или модуля Юнга

Поскольку модуль Юнга представляет собой отношение напряжения к безразмерной величине, то размерность его та же, что и у напряжения, например МН/м2 или кгс/см2. Формально модуль Юнга можно рассматривать как напряжение, требуемое для 100%-ного удлинения материала (если с материалом при этом ничего не произойдет), вследствие чего его численные значения настолько велики, что их трудно себе представить.

Фактические значения модуля Юнга

Значения модуля Юнга для многих органических веществ и инженерных материалов представлены в табл. 1. Они расположены в порядке возрастания — от модуля Юнга мягкого покрова взрослой самки саранчи (отнюдь не самого мягкого биологического материала; кстати, покров самцов и молодых самок саранчи не многим жестче) до алмаза. Из таблицы видно, что величина жесткости материалов может изменяться в 6 млн. раз. Причину таких колоссальных различий мы обсудим в гл. 7.

Table_1

Следует отметить, что многие очень мягкие биологические материалы отсутствуют в таблице. Дело в том, что их упругие свойства даже приближенно не описываются законом Гука, а потому для них невозможно ввести модуль Юнга — во всяком случае, в том виде, как обсуждалось выше. К упругим свойствам таких материалов мы вернемся позже.

В настоящее время модуль Юнга считается фундаментальным понятием — оно господствует в инженерном деле, в материаловедении и начинает вторгаться в биологию. Однако должна была пройти вся первая половина XIX столетия, прежде чем модуль Юнга завоевал умы инженеров. Отчасти это явилось следствием крайнего консерватизма, а отчасти того, что все практически полезные идеи о напряжениях и деформациях появились довольно поздно.

После разработки основных идей трудно было представить себе что-либо более простое и очевидное, чем модуль Юнга, но до этого все представления об упругости казались исключительно сложными. От Юнга, сыгравшего важную роль в расшифровке египетских иероглифов и бывшего одним из проницательнейших умов своего времени, эта работа потребовала, очевидно, огромного умственного напряжения.

Он работал над проблемой жесткости в 1800 годы и рассуждал совершенно иначе, чем это сделали бы мы с вами. Юнг оперировал величиной, которая в настоящее время называется удельным модулем и показывает, каким должно быть уменьшение длины столба исследуемого материала под действием собственного веса. Данное самим Юнгом определение своего модуля, опубликованное в 1807 г., гласит: «Модуль упругости любого вещества есть столб этого вещества, способный производить давление на свое основание, которое так относится к весу, вызывающему определенную степень сжатия, как длина вещества к уменьшению этой длины» * .

* «Хотя их светлости весьма уважают науку и очень ценят Вашу статью, она слишком учена…, говоря короче, она непонятна». (Из письма адмиралтейства к Юнгу.)

После всего этого даже египетские иероглифы могли показаться не такими уж сложными. Один из современников сказал о Юнге: «Он употреблял слова не в обычном их значении, а строй его мыслей редко походил на строй мыслей собеседников. Я не встречал человека, который бы менее его подходил для обмена знаниями».

К тому же не следует забывать, что Юнг старался осилить концепцию, которую едва ли можно было сформулировать без понятия о напряжениях и деформациях, вошедших в употребление лишь 15-20 лет спустя. Современное определение модуля Юнга (Е = напряжение/деформация) было дано в 1826 году, за три года до смерти Юнга, французским инженером Навье (1785-1836). Что касается Коши, то спустя некоторое время как изобретателю напряжения и деформации ему был пожалован титул барона. Думается, он это заслужил.

Прочность

Не следует путать прочность конструкции и прочность материала. Прочность конструкции определяется нагрузкой (в ньютонах или в килограммах), которая приводит к разрушению конструкции. Эта величина известна как разрушающая нагрузка, и она обычно используется только применительно к некоторой конкретной конструкции.

Прочность материала характеризуется напряжением (в МН/м2 или в кг/см2), разрушающим сам материал. Обычно величина прочности более или менее постоянна для всех образцов данного вещества. Мы в основном будем рассматривать прочность материалов при растяжении, которую называют прочностью на разрыв. Ее обычно определяют, разрушая небольшие образцы в испытательной машине. Большинство вычислений в области прочности сводится, естественно, к определению прочности конструкции по известной прочности ее материала.

Величины прочности некоторых материалов приведены в табл. 2. Из нее видно, что прочность биологических и инженерных материалов, как и их жесткость, меняется в очень широких пределах.

Table_2

Удивительно различие в прочности мышц и сухожилий. Этим объясняется и разница их поперечных сечений. Так, ахиллесово сухожилие, будучи толщиной всего с карандаш, прекрасно справляется с передачей натяжения от толстых икроножных мышц к костям пятки (что позволяет нам ходить и прыгать). Кроме того, из таблицы видно, почему инженеры не могут допустить большие растягивающие нагрузки на бетон, не армированный стальными прутьями.

В целом металлы прочнее неметаллов. А плотность почти у всех металлов больше, чем у большинства биологических материалов. (Удельный вес стали 7,8 г/см3, а большинства биологических тканей около 1,1 г/см3) Поэтому высокая прочность металлов в сравнении с тканями растений и животных не производит особого впечатления, если относить ее к единице массы.

Подытожим сказанное в этой главе.

Напряжение =  нагрузка / площадь

Деформация = удлинение под действием нагрузки / первоначальная длина

Прочность — это напряжение, необходимое для разрушения материала. Модуль Юнга характеризует жесткость материала.

Модуль Юнга = напряжение / деформация = E

Прочность и жесткость — свойства разные. Приведем в этой связи выдержку из книги «Почему мы не проваливаемся сквозь пол»: «Печенье жестко, но непрочно, сталь — и жесткая, и прочная, нейлон — нежесткий, гибкий, но прочный, малиновое желе — и нежесткое, и непрочное. Вряд ли можно ожидать большей информации о свойствах твердого тела, если пользоваться лишь двумя его характеристиками».

Если что-либо из сказанного оказалось для вас не совсем ясным, возможно, вам будет утешением узнать, что не так давно мне пришлось потратить в Кембридже целый вечер на объяснение двум всемирно известным ученым основных различий между прочностью, жесткостью, напряжением и деформацией в связи с одним очень дорогим проектом, по которому им предложили дать консультацию правительству. Так, мне и до сих пор неясно, насколько я тогда преуспел.»

Часть II

«Юнг был одним из наиболее дальновидных и проницательных людей, которые когда-либо жили, но он имел несчастье быть много выше своих современников. Они взирали на него с изумлением, но не в состоянии были следовать за смелым полетом его мысли, поэтому множество его идей было забыто и погребено в огромных томах трудов Королевского общества. Только последующие поколения, с опозданием, словно бы воскресили его открытия и были поражены тщательностью и силой его выводов».

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц

«По разным причинам Юнгу не посчастливилось встретить должное признание со стороны своих современников. Научные позиции, уже завоеванные им, не раз потом приходилось с большой затратой интеллектуальной энергии завоевывать вновь его преемникам».

Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей

 

Томас Юнг — старший из десяти детей торговца шелком и бархатом — родился 13 июня 1773 года в Мильвертоне (Сомерсет, Англия).

Он научился читать в два года по Библии. Его дед вспоминал, что пятилетний внук наизусть декламировал большую поэму Гольдсмита «Покинутая деревня». В среде коммерсантов дед был несколько необычной фигурой: свой досуг он посвящал чтению классических авторов — конечно, в подлинниках. Поощряя все возраставшую тягу внука к ученью, он предостерегал его: «Учиться мало и кое-как — ужасная вещь!..»

Латинская грамматика была начата, когда Томасу едва минуло шесть лет. В восемь лет Томас сопровождал в поле соседа-геодезиста, где ему разрешалось «прикладываться» к геодезическим и физическим приборам. Он научился измерять высоту таких предметов, к которым невозможно подойти, и расстояния до них. Днем измерял, а вечером производил расчеты. Это казалось ему чем-то таинственным, поражало воображение. Геодезист стал пускать мальчика в свою библиотеку, а тот взялся за чтение математического словаря.

В Комптонском пансионе Томпсона он начал изучать математику, бухгалтерию и языки — греческий, древнееврейский, латынь. Французский и итальянский языки Томас выучил случайно, стремясь удовлетворить любопытство — свое и своего однокашника, у которого оказалось несколько книг на этих языках. Заинтересованные картинками, они захотели узнать содержание и самих книг…

Тринадцатилетний Юнг пишет, что его «очаровала восточная литература». Чтобы проверить, так ли сильно различаются между собой восточные языки, как европейские, он самостоятельно, без учителя, начинает изучать арабский и персидский.

«У меня было правило, — вспоминал он впоследствии, — вставать летом на час раньше моих товарищей, а зимой ложиться часом позже их, чтобы углубить пройденное за день; таким образом мои школьные дела были вскоре завершены».

Большую роль сыграла и его дружба с Иосифом Джефри — одним из младших учителей пансиона, любителем точных наук и хорошим механиком. Он дал почитать Томасу лекции по физике Вениамина Мартина. Оптическая часть лекций содержала детальные сведения о конструкции приборов. Джефри научил его работать на токарном станке, чертить, шлифовать стекла, изготовлять краски и переплетать книги.

Когда Юнг увлекся ботаникой, ему понадобился микроскоп. Он решил сделать его сам — по одному только описанию. Токарное дело он знал, оставалось лишь освоить метод флюксий, как тогда называли дифференциальное исчисление. И он принялся за математику…

По окончании пансиона Томас продолжает занятия в том же направлении: мастерит оптические приборы (вплоть до телескопа), совершенствуется в восточных языках. На его столе — всегда груда словарей, самоучителей и грамматик.

Интересен такой эпизод. Однажды Томас попал с одной своей родственницей в Лондон. Его словно магнитом тянули прилавки книготорговцев. Он брал в руки какую-нибудь редкую книгу и, забыв обо всем, погружался в чтение. Хозяин, наблюдавший за не по-городскому одетым мальчиком, сказал покровительственно: «Ну, малыш, если ты мне переведешь хотя бы страницу — книга твоя». Малыш быстро перевел и сделался обладателем ценной книги.

book«Томас Юнг становится обладателем переведенной им книги».

Репродукция с картины неизвестного художника. Из архивов Лондонского Королевского общества :-)

Эта сцена повторялась несколько раз, пока торговец не содрогнулся от понесенного убытка…

Ему было четырнадцать лет, когда Дэвид Беркли, состоятельный джентльмен из Юнгсбери, один из лидеров старшего поколения квакеров, наслышанный о необыкновенных способностях мальчика, пригласил его в сотоварищи к своему внуку Гудсону Гарни, который был года на полтора моложе Томаса. До приезда учителя, Джона Годкина, а фактически и после того, изучением древних авторов у Гарни руководил Юнг.

Это было своеобразное трио — учитель и двое его учеников. Гудсон Гарни получил потом известность как антиквар, писатель и политический деятель, шесть раз избиравшийся в парламент. В 1818 году его избрали в члены Королевского общества (что в Англии равносильно званию академика). Переживший своего друга на тридцать пять лет, Гудсон Гарни написал о нем в 1831 году воспоминания и затратил немало сил и средств на увековечение его памяти… А Джон Годкин стал заметной фигурой среди тогдашних филологов-классиков. В 1807 г. он вместе с Юнгом издал «Греческую каллиграфию».

Биограф Юнга Георг Пикок * профессор астрономии в Кембридже, приводит обширный список прочитанных Юнгом в ту пору книг. Помимо Фенелона, Корнеля, Расина, Шекспира и Мильтона, там много книг по математике, астрономии, натурфилософии (тогдашнее название физики) и ботанике. В частности, он прочел «Принципы» и «Оптику» Ньютона, ботанические работы Линнея, химические — Лавуазье и Блэка, а также серию медицинских книг. Он делал выписки и на каждую прочитанную книгу писал критическую аннотацию. Приблизительно в это же время, используя только подлинники, он составил подробный обзор многочисленных философских систем Древней Греции, восхищавший всех, кто в него заглядывал.

* G. Peacock. Life of Thomas Young. London, 1855.

Чем старше становился Томас Юнг, тем неотвязнее вставал перед ним извечный вопрос — кем быть? Юнгу — при широте его интересов — ответить на этот вопрос было непросто. Но все же он, наконец, решил, что станет врачом. Медицина даст ему средства, а главное — независимость, к которой он всегда упорно стремился…

А что представляла собой английская наука? «Золотой век» Ньютона и былая великая слава — все это осталось позади. Хотя работали такие ученые, как Кавендиш, Блэк, Пристли, Румфорд, Дальтон, Гершель, однако центр научного развития переместился на материк, во Францию, где блистали имена Лагранжа, Даламбера, Лапласа, Кулона, Лавуазье и др. Остро все это чувствовавший Юнг писал: «Британия сильно отстает от своих соседей во многих областях математики: если бы я серьезно обратился к их изучению, я стал бы учеником французской или немецкой школы».

В 1792-1794 годах Юнг изучает медицину в Лондоне и Эдинбурге. Но медицина не поглощала его полностью. Он напечатал несколько различных заметок в «Джентльменском журнале», а в мае 1793 г. прочитал в Королевском обществе свои «Наблюдения над процессом зрения», опубликованные затем в «Философских трудах». Юнг объяснял способ аккомодации глаза для видения на различных расстояниях изменением кривизны хрусталика. Это не было новостью, но молодой ученый строил свои доказательства на фактах, добытых при изучении анатомии глаза, в частности хрусталика. Юнг, например, установил, что хрусталик обладает волокнистой, или мускулистой, структурой и тем самым великолепно приспособлен к изменению своей формы.

Его исследование было замечено и вызвало шумные отклики. Среди ученых, оспаривавших право на первенство открытия, закипели нешуточные страсти. Юнга обвиняли в плагиате, в невежестве и в других страшных грехах. Под нажимом авторитетов ему пришлось временно отступить, сделав вид, что он отрекается от своей теории.

otrechenie«Отступление Томаса Юнга под нажимом авторитетов». 

Литография 1793 года. Из архивов Лондонского Королевского общества :-)

Шумиха кончилась тем, что его по рекомендации пятнадцати членов общества 19 июля 1794 года избрали в члены Королевского общества — честь для ученого, которому только-только исполнился двадцать один год, надо сказать, немалая.

Осенью следующего года Юнг переехал в Геттинген, чтобы, как он писал матери, «продолжить свои научные занятия под руководством выдающихся профессоров», «присмотреться к тем нравам и обычаям», которые «отливают там человеческий интеллект». Слава Геттингенского университета была чрезвычайно тогда широкой. К занятиям Юнг приступил 3 ноября. Он писал матери: «Я нахожусь в ста ярдах от второй по величине библиотеки Европы и могу быстро получить любую нужную мне книгу. Это главная причина моего желания кончать здешний университет». Однако сначала ему было трудно слушать лекции, поскольку он привык работать самостоятельно, а по-немецки — только читал.

gettingenГеттингенский университет в начале XIX века

В Эдинбурге Юнг пристрастился к танцам, театру и музыке; рассказывают, что однажды Юнг победил на спор опытного канатного гимнаста. В Геттингене он еще расширил свою программу: дважды в неделю брал уроки танцев, дважды в неделю занимался музыкой и рисованием и четыре раза — верховой ездой.

Лекции по истории искусств он слушал у такой знаменитости, как профессор Гейне, а физику — у профессора Лихтенберга. Георг Кристоф Лихтенберг много занимался изучением электричества, был талантливым экспериментатором и еще до братьев Монгольфье пришел к идее воздушного шара. «Кто не понимает ничего, кроме физики, тот и ее понимает недостаточно, — утверждал Лихтенберг. — Ученость может родить лишь листья, не давая плодов». Свои лекции он читал необыкновенно живо, не скупясь обставлял их опытами. Он был неповторимо остроумен, язвителен, слушать его было истинным наслаждением. Но никто из его многочисленных студентов, вероятно, не подозревал, что их любимый профессор — первостепенный, кроме того, сатирик, что его «Афоризмы», которые он на досуге заносил в тетрадки, изданные посмертно, принесут ему всемирную славу.

16 июля 1796 года Юнг защитил диссертацию — «О силах, сохраняющих человеческое тело». Затем, по традиции университета, соискателя «поженили» с богиней здоровья Гигией и он был возведен в звание доктора медицины, хирургии и акушерства.

gigija«Жена» Томаса Юнга, богиня здоровья Гигия, кормит змею из чаши.

Змея и чаша — символы современной медицины.

От Гигии, собственно, и произошло название гигиены  

Путь домой занял у Юнга около полугода. Пешком и отнюдь не по кратчайшему пути прошел он через всю Германию — от Геттингена до Гамбурга. В Веймаре он навестил философа Гердера, а во Фрайбурге его представили знаменитому геологу Вернеру. Целый месяц он отвел для изучения картин Дрезденской галереи. Именно в Германии Юнг полюбил живопись, к которой прежде был равнодушен.

На родине Юнга ждал сюрприз: правила коллегии врачей, принятые во время его отсутствия, лишали его возможности начать врачебную практику. Кроме того, имея на руках иностранный диплом, он мог рассчитывать на получение звания кандидата коллегии врачей лишь лет через семь-восемь, не ранее. Его это, конечно, не устраивало. Чтобы «подпасть» под действие отечественных законов, он должен был два года проучиться в каком-нибудь из «респектабельных» английских университетов. Он выбрал колледж Эммануэля в Кембридже и поступил туда на правах вольнослушателя.

Георг Пикок сообщает, что, представляя новичка его будущим руководителям, магистр шутливо заметил: «Я привел вам ученика, способного читать лекции своим учителям». Однако Юнг не пытался этого делать. Он никогда первым не вступал в беседу, не навязывал своего мнения, не выставлял напоказ свои знания. Однако, если к нему обращались даже с каким-либо трудным вопросом, он давал объяснение, не задумываясь, и с такой легкостью, словно речь шла о самом пустячном деле… Говорил он при этом очень просто и как о чем-то само собой разумеющемся, полагая, что все понимают то, о чем он говорит, так же хорошо, как и он сам. Впоследствии это было характерно и для его лекций…

Наступал главный период его научного творчества: Юнг обратился к оптике.

В «Слове о происхождении света», произнесенном на заседании Петербургской академии наук 1 июля 1756 года, Ломоносов говорил*: «Но как чувствительное око прямо на солнце смотреть не может, так и зрение рассуждения притупляется, исследуя причины происхождения света и разделения его на разные цветы»

* М. В. Ломоносов. Полное собрание сочинений. М.-Л., Изд-во АН СССР, 1952, т. 3, стр. 318.

Через семьдесят лет прозвучала еще более горькая жалоба: «Сколько внешность света по себе явственна, а для зрения ощутительна, столько внутреннее его значение сокрыто и для чувственных понятий разума непостижимо». Так писал в своем учебнике физики (1831) Даниил Велланский. Это только на первый взгляд — свет явление как будто простое и легко объяснимое, а в действительности — настолько таинственное и сложное, что не одна сотня голов пошла кругом, решая его загадки.

«Что ж нам оставить ли надежду? — вопрошал Ломоносов в той же речи своей. — Отступить ли от труда? Отдаться ли в отчаяние о успехах? Никак!»

Оптикой занимались и в древности, и в средние века, но то была преимущественно геометрическая оптика, связанная с нуждами астрономических наблюдений. К концу XVII в. накопились факты, которые толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. И Рёмер, и Кассини измерили скорость света (еще Декарт считал передачу света мгновенной, а Галилей, хоть и пытался измерить скорость света, но не сумел преодолеть связанных с этим трудностей). Гримальди открыл явление, названное им дифракцией, — способность света огибать маленькие тельца и тонкие нити. Он же обнаружил, но не сумел истолковать, и интерференцию световых волн. То же самое произошло у Гюйгенса с явлением поляризации света.

Ньютон был противником необоснованных гипотез. Известны его слова: «Hypotheses non fingo» (гипотез не измышляю). Однако гипотеза о «телесности» света, получившая название «корпускулярной» (или «эмиссионной», или «теории истечения»), была им поддержана в 1672 году

Свет, по этой гипотезе, есть поток мельчайших световых частиц, называемых корпускулами, которые выбрасываются светящимися телами и движутся в пространстве с огромной скоростью. То есть свет, согласно этой теории, имеет как бы атомную структуру (роль «световых атомов» играют гипотетические корпускулы). Частицы эти — различной величины, чем обусловливается цветность: попадая на сетчатку глаза, наибольшие по величине корпускулы создают впечатление темно-красного цвета, а самые маленькие — фиолетового. Различные по величине корпускулы испытывают различное преломление при переходе из одной оптически плотной среды в другую.

Но эта теория бессильна была объяснить такие, например, явления, как «кольца Ньютона» и двойное преломление света в исландском шпате. Даже явление отражения — сравнительно более простое (почему отражается только часть света, а другая часть поглощается отражающим телом, что здесь происходит?) — и то она не в состоянии была объяснить. Тем более, что отраженные частицы ведь неизбежно должны сталкиваться с падающими… Шопенгауэр — идеалист и скептик — впоследствии издевался по этому поводу над корпускулярной теорией, утверждая, что она не дает возможности увидеть в зеркале собственную физиономию.

Newton_ringsНаблюдение «колец Ньютона»

Однако благодаря огромному авторитету Ньютона теория эта получила всеобщее распространение и господствовала в физике более ста лет. За Ньютоном упрочилась «недобрая» слава ее создателя и яростного защитника, но последователи великого ученого оказались «гораздо более корпускулярными», нежели сам Ньютон!.. Первое предположение о волновой природе света высказал итальянский физик и астроном XVII века Гримальди: он сравнивал распространение света с распространением волн на воде.

Непримиримыми противниками корпускулярной теории были современники Ньютона — Роберт Гук и Христиан Гюйгенс.

В своей «Микрографии», еще за пять лет до теории Ньютона, Гук писал, что свет — это очень быстрые колебательные движения чрезвычайно малой амплитуды, исходящие из светящегося тела как из центра и распространяющиеся через окружающую среду в виде сферических волн. Семь лет спустя он выступил в Королевском обществе с гипотезой о природе света. «Свет в эфире — то же, что звук в воздухе», — утверждал он.

А что такое эфир? Это некое всезаполняющее вещество, напоминающее обычный воздух, но только значительно более тонкое и упругое. Им заполнена вся Вселенная. («Его, — говорит Эйнштейн, — пришлось принять как новую форму материи» *) Когда какая-нибудь частица эфира приходит в движение, это движение передается от частицы к частице — возникает эфирная волна.

* А. Эйнштейн. Физика и реальность (Сборник статей). М., «Наука», 1965, стр. 256.

Но не Гук, а Гюйгенс — этот «редкий гений», как называл его Лаплас, — разработал волновую теорию света. У Гюйгенса волновая природа света — это уже не «счастливая догадка» и не «попутное озарение», а вполне научно обоснованная теория. Он изложил ее в 1678 г. в своем «Трактате о свете», где строго математическим путем показал, как происходит отражение и преломление света. («Свет теперь рассматривался как динамический процесс, происходящий с самим пространством, — писал Эйнштейн. — Таким образом, теория поля явилась в мир как незаконное дитя ньютоновой физики, хотя было бы куда разумнее, если бы оно сразу было узаконено».)

Из теории Гюйгенса, вопреки утверждению Ньютона, вытекало чрезвычайно важное следствие: скорость света в среде, оптически более плотной, должна быть меньше, чем в среде, оптически менее плотной.

Ньютон не принял гипотезы эфира; к тому же волновая теория не могла объяснить возникновения цветов, поэтому великий ученый отдавал предпочтение корпускулярной теории. Вместе с тем, как ни странно, он высказал предположение, что световые волны должны быть периодичны. Впоследствии это сделалось важнейшим положением волновой теории. Гюйгенс же этого не осознал. «Не нужно представлять себе, — писал он, — что волны следуют друг за другом на одинаковых расстояниях».

У волновой теории были полчища противников и буквально считанные приверженцы. Но среди последних — такие сильные, как Эйлер, Ломоносов, Франклин.

Леонард Эйлер был настоящим рыцарем волновой теории и немало переломал копий, отстаивая ее честь. Но даже он не сумел протаранить ту стену, за которой томилась отверженная теория.

Bogatyri«Сторонники волновой теории света». Картина В. Васнецова. 1898 год

На картине изображены справа налево: Бенджамин Франклин (with good look), Леонард Эйлер (с копьем) и Михаил Васильевич Ломоносов (с бритвой Оккама).

В «Слове о происхождении света» Ломоносов решительно отрицал «Невтонову» корпускулярную теорию и противопоставлял ей волновую теорию «Гугения». «Зыблющееся движение эфира, — утверждал Ломоносов, — должно быть причиною света».

Одним из аргументов Франклина против корпускулярной теории было то, что все попытки измерить давление света, которое, естественно, должны испытывать освещаемые тела от потока несущихся частиц, оставались безрезультатными.

Видимо, с легкой руки Эйлера и Ломоносова русские ученые всегда отдавали предпочтение теории Гюйгенса. «Свет простирается как звук, а не как запах», — писал в 1793 году Петр Гиларовский в «Руководстве к физике».

Вклад XVIII столетия в развитие оптики был невелик. Брадлей открыл аберрацию света. Бугер и Ламберт заложили основы фотометрии. Эйлер и Доллонд, доказав, что хроматизм можно устранить, исправили тем самым ошибку, прижившуюся в науке от Ньютона; затем была изготовлена ахроматическая линза. Вот, пожалуй, и все.

По мере того как в оптике делались новые открытия, адептам корпускулярной теории, дабы не быть выбитыми из седла, приходилось пристегивать к основной гипотезе добавочные. Корпускулярная теория, из простой и наглядной, превращалась в громоздкую и запутанную, как в свое время птолемеевская система… Крупные победы она отпраздновала в работах Лапласа, Пуассона и Био. Никто не подозревал, что то были последние победы: корпускулярная теория, казалось, утвердилась навеки, а волновая — повержена и не воспрянет.

Но волновая теория отличалась беспримерной живучестью. Она исподволь набирала силы и — посреди океана хулы и непризнания — росла, как растет атолл… На рубеже двух столетий она неожиданно двинулась в наступление, которое завершилось ее победой.

Это наступление начал Томас Юнг.

nastuplenie«Томас Юнг начинает наступление на корпускулярную теорию света». 

Литография 1799 года. Из архивов Лондонского Королевского общества :-)

Получив по наследству значительное состояние, дававшее ему независимость, Юнг после Кембриджа обосновался в Лондоне. Он много и напряженно работал. Эксперимент следовал за экспериментом, идея наслаивалась на идею. Порой ему было не поспеть за полетом мысли… В 1798 году в оптические работы неожиданно вклинились акустические, что могло показаться странным. Но из этой «странности» начиналась новая физика. Юнг писал: «Я изучал не теорию духовых инструментов, а теорию воздуха и провел новые, как мне думается, наблюдения над гармониками». Занимаясь изучением колебания струн, он обматывал их серебряной нитью и рассматривал в темноте, направляя на определенные точки струны яркий луч света. Изящно и просто, как, впрочем, у Юнга всегда.

Есть предположение, что над вопросом колебания струны (а возможно, и над вопросами растяжения, сжатия и сдвига) Юнг впервые задумался именно в то время, когда подвизался в качестве канатоходца. Версия весьма правдоподобная, поскольку Юнг всегда оставался естествоиспытателем, даже на цирковой арене. Его ум был такого свойства, что все и всегда служило ученому поводом и предметом для углубленных размышлений и исследований.

Летом 1799 года им были написаны «Опыты и проблемы по звуку и свету». Юнг смело критикует корпускулярную теорию и защищает волновую. То был окончательный его переход на позиции волновой теории. В январе 1800 года он прочитал свой мемуар Королевскому обществу, и вскоре его опубликовали. Мемуар не только подытоживал исследования самого Юнга, но и, как веха, разделял оптику двух столетий — сравнительно тихого восемнадцатого и бурного, боевого, давшего потом удивительно обильную жатву, девятнадцатого.

Итак, Юнг принял волновую теорию света, а стало быть, и гипотезу эфира. Но именно в обосновании реальности эфира заключались главные трудности самой волновой теории. Юнг приводит аргументы, якобы подтверждающие существование эфира, причем находит их в области электрических явлений. Он констатирует:

«… то, что среда, похожая во многих своих свойствах на те, которыми характеризуется эфир, действительно существует, с несомненностью доказывается явлениями электричества…»

И далее:

«Быстрое распространение электрического заряда показывает, что электрическая среда обладает упругостью такой величины, которую необходимо предположить для распространения света. Вопрос о том, должен ли электрический эфир рассматриваться как тот же световой эфир, если только такая жидкость существует, может быть, будет разрешен экспериментально; но до сих пор я, однако, не был в состоянии наблюдать, что преломляющая сила жидкости претерпевает какие-либо изменения под действием электричества».

Л.С. Полак по этому поводу отмечает:

«Это интересное место показывает замечательную силу научной мысли Юнга. Необходимость ввести непрерывную среду — эфир — и невозможность обосновать ее существование на основе аргументов, почерпнутых только из оптики, приводят к привлечению материала из других отделов физики. И как всегда, когда частности не заслоняют общей картины, идея всеобщей связи материальных явлений природы оказывается могучим руководящим принципом. Эфир существует, но его роль шире, чем роль носителя только оптических явлений. В нем происходят разнообразные процессы — как электрические, так и оптические. В частности, по гипотезе Юнга, развивающей взгляды Гюйгенса и его последователей, свет есть волна в эфире»

* Л.С. Полак. Из истории волновой теории света. В сб.: «Вопросы истории естествознания и техники». М., Изд-во АН СССР, 1956, вып. 2, стр. 78.

Занимаясь акустикой, Юнг обратил внимание на усиление и ослабление звука при сложении звуковых волн… Так, обратившись к принципу суперпозиции, он открыл интерференцию звука.

Примечательно название одного из разделов этой работы: «Об аналогии между звуком и светом». Юнг словно бы заносит ногу на следующую ступеньку великой физической лестницы, которая вскоре получила название — интерференция света…

Первым, кто описал явление интерференции, был Гримальди. Потом ее наблюдали Бойль и Гук, но не смогли объяснить, равно как и Ньютон, положивший на это немало сил и времени.

Юнг писал:

«В мае 1801 года, размышляя над прекрасными опытами Ньютона, я открыл закон, который, как мне кажется, объясняет гораздо большее количество интересных явлений, чем когда-либо ранее известный оптический принцип».

Общий принцип интерференции Юнг изложил в своем ответе на критические замечания, опубликованные в журнале «Эдинбургское обозрение». Там, в частности, говорилось:

«Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн движется но поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью п попадает в узкий канал, выходящий из озера. Представим себе также, что под действием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов не разрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступают в канал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю общим законом интерференции света» *.

* Цит. по кн.: Б. И. Спасский. История физики. М., изд. МГУ, 1963, ч. 1, стр. 238.

interferenciaИнтерференция волн на воде

Юнг сумел понять и объяснить то, что не удалось никому до него.

Юнг начал с того, что отказался от представления, будто волны, налагаясь, способны при этом только усиливаться. Напротив, утверждал он, при определенных условиях они могут и ослабить, и даже уничтожить друг друга. Так возникают темные полосы на тонких пленках, так появляются известные «кольца Ньютона».

Юнг четко сформулировал и непременное условие интерференции: интерферируют только «две части одного и того же света» (или, по современной терминологии, для осуществления принципа интерференции лучи должны быть когерентными).

Виртуозно-тонкий и находчивый экспериментатор, Юнг предложил и способ наблюдения открытого им явления: у него интерферировали два световых луча, идущих от одного источника через близко проколотые отверстия в непрозрачном экране.

«Два световых конуса, образующихся за непрозрачным экраном, расширяясь благодаря дифракции, частично перекрываются и в перекрывающейся части, вместо того чтобы давать равномерное увеличение освещенности, образуют серию чередующихся темных и светлых полос. Если одно отверстие закрыто, то полосы исчезают и появляются лишь дифракционные кольца от другого отверстия. Эти полосы исчезают и в том случае, когда оба отверстия освещаются… непосредственно солнечным светом пли искусственным источником света. Привлекая волновую теорию, Юнг очень просто объясняет это явление: темные полосы получаются там, где провалы волн, прошедших через одно отверстие, налагаются на гребни волн, прошедших через другое отверстие, так что их эффекты взаимно компенсируются; светлые каемки получаются там, где два гребня пли два провала волн, прошедших через оба отверстия, складываются» *.

* М. Льоцци. История физики. М., «Мир», 1970, стр. 200.

В статьях 1801-1803 годов («Теория света и цветов», «Опыты и исчисления, относящиеся к физической оптике») Юнг на основе принципа интерференции дал объяснение «колец Ньютона» и, связав интерференцию с дифракцией, измерил длину световой волны — основное понятие оптики, им же введенное. Для красного света он получил 1/36000 дюйма (0,7 m), для крайнего фиолетового — 1/60000 (0,42 m). Это были первые в истории физики измерения длины световых волн, и нельзя не поражаться точности этих измерений!

Юнгу принадлежит и термин «физическая оптика», прочно с тех пор утвердившийся в науке.

В первой из только что названных работ Юнг, между прочим, описал эффект, известный сейчас как астигматизм, а во второй ввел термин «интерференция» и сделал важный вывод, подтвердив его опытом, что отражение луча света от более плотной среды должно сопровождаться потерей полуволны.

(Интересна такая деталь. В защиту своей теории Юнг нередко цитирует письма и сочинения Ньютона, но не ссылается ни на Гюйгенса, ни на Эйлера. Сегодня это кажется странным. Но в ту эпоху силу доказательства имели только высказывания Ньютона.)

Идея интерференции, выдвинутая Юнгом, была парадоксально смела, оригинальна и охватывала большой круг явлений. Опыты Юнга изумили весь ученый мир. Это был первый серьезный вызов, брошенный корпускулярной теории света. Араго писал:

«Вот, бесспорно, самая странная из гипотез! Неожиданностью было видеть ночь среди ясного дня — в точках, которых свободно достигали солнечные лучи, но кто бы мог подумать, что свет, слагаясь со светом, может вызвать мрак!»

И в другом месте:

«Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и легкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки школьника, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха».

Удивительная раскраска бабочек и яркие переливы цветов на нефтяных и масляных пятнах — все это следствие интерференции. На принципе интерференции основана цветная фотография.

Своеобразным итогом работ Юнга по интерференции было изобретение эриометра — прибора, в котором дифракционный спектр использовался для измерения средней величины мельчайших частиц (шариков крови, цветочной пыльцы, волокон шерсти и т.п.).

Интерференция — одно из явлений, неопровержимо доказывающих волновую природу света.

Ни интерференцию, ни дифракцию корпускулярная теория объяснить не могла, поэтому ей ничего не оставалось, как отойти на оборонительные позиции.

Пословица гласит, что один в поле не воин, но Юнг в ту пору был в совершенном одиночестве. Он не владел в достаточной мере математическим анализом, а изложение его было трудным, «неудобопонятным» и в общем малодоступным. Но не только поэтому встретил ученый мир его открытия враждебно!..

Химик Гемфри Дэви в 1802 г. писал одному своему корреспонденту:

«Знаете ли вы теорию моего товарища Юнга, которая принимает за причину света волнообразное движение эфирной среды? Она не может сделаться популярной гипотезой после того, что сказано о ней Ньютоном. Ему было бы весьма приятно, если бы вы сделали об ней несколько замечаний! в пользу ее или хоть даже против нее» *.

* Цит. по кн.: В. Уэвелл. История индуктивных наук от древнейшего и до настоящего времени. СПб., 1867, т. II, стр. 602.

Юнг был уверен и в своей правоте, и в силе своих аргументов; он ждал, что противник пойдет на него с поднятым забралом и рад был бы сразиться в открытую. Однако честной «рыцарской дуэли» он не дождался.

В 1803 году на него яростно набросился барон Генри Брум — будущий лорд-канцлер и видный политический деятель Британии, а в ту пору — молодой математик и физик, начинающий публицист, желчный и непомерно честолюбивый, причем его честолюбие нередко переходило в мелочное тщеславие. В основанном им «Эдинбургском обозрении» Брум поместил три статьи, вернее три памфлета, написанных хлестко, пропитанных злобой и враждебностью. Брум не столько нападал на теорию Юнга, сколько на ее автора. Он обвинял его в «опасном пренебрежении принципами логики» и «здравого смысла», он причислял его теорию к разряду «пустых фантазий», в которых он-де не обнаружил ничего такого, «что заслужило бы название эксперимента или открытия». Бросив упрек Королевскому обществу за то, что оно публикует «столь поверхностные и бессодержательные опусы», Брум советовал ему исправиться и впредь уже не допускать подобной «неосмотрительности».

brougham«Генри Брум советует Лондонскому Королевскому обществу быть осмотрительнее при выборе публикаций». 

Литография 1803 года. Из архивов Лондонского Королевского общества :-)

Беспрецедентные по своей наглости выпады больно язвили Юнга, но как человек корректный и сдержанный он некоторое время хранил молчание. Противник не унимался. Тогда Юнг, тревожась не столько за себя, сколько за свое детище, снизошел до ответа на эту гнусность. В 1804 году он написал опровержение и издал его отдельной брошюрой. Она разошлась… в одном экземпляре!

Это была, можно сказать, новая победа корпускулярной теории… правда, добытая не очень достойным путем и не на очень долгое время.

Нечистоплотная «критика» Брума имела своим следствием то, что развитие волновой теории задержалось на полтора десятилетия. Но гарпун, брошенный Юнгом — интерференция света, — хотя и не угодил в сердце, однако прочно застрял в недрах корпускулярной теории.

Про Юнга много позже скажут, что «он первым начал расшифровывать иероглифы оптики». Но ему принадлежал и первый правильный, по основной своей идее, опыт расшифровки доподлинных иероглифов — на так называемом камне Розетты, найденном тогда в Египте. Эту работу он выполнил задолго до того, как к ней приступил «основоположник египтологии» Шампольон.

История с Брумом лишила Юнга равновесия. И он, словно затем, чтобы обрести утраченное, устремился в археологию. Но в тот раз это ему не удалось…

Он занимал тогда кафедру натуральной философии в Королевском институте. Институт был основан в 1799 году «для распространения знаний», для усовершенствования ремесел и производства посредством использования новых открытий науки, «а также для развития средств, создающих комфорт и удобства жизни». Лекции по математической физике, которые Юнг там читал, не умножили его славы. Его изложение «страдало» чрезмерной сжатостью, он не любил задерживаться на промежуточных вопросах, «разжевывать» их. Ему казалось, что его поймут с полуслова, как всегда понимал он сам. Говорил он правильно, быстро, его фразы звучали четко, законченно, однако слушать его было нелегко. Он давал слишком богатую пищу для среднеинтеллектуальных едоков, больше, чем они могли усвоить. Обоюдная эта пытка продолжалась два года: в 1803 году Юнг благоразумно сложил с себя обязанности профессора.

Не преуспевал Юнг и в качестве лечащего врача. Он считался «слишком ученым». Должно быть, именно в силу своей учености он, смелый в науке, робел у постели больного, колебался, какой прописать рецепт. Свои лекции, которые он одно время читал в лондонской больнице св. Георгия, он начинал словами такого философского откровения: «Нет науки, сложностью превосходящей медицину. Она выходит за пределы человеческого разума». Все это отпугивало. Юнг никогда не имел большой клиентуры. Начав практику в 1799 году, он лет через пятнадцать почти прекратил ее.

Когда его спрашивали, счастлив ли он, он отвечал словами Вергилия:

Счастлив тот, кто сумел вещей постигнуть причины…

Летом 1804 года он женился на Элизе Максвелл, которая была почти вдвое его моложе. Она происходила из аристократической семьи и была, по свидетельству Гудсона Гарни, «женщиной прочного здравого смысла». Она уважала и очень любила своего мужа, разделяла и блюла его интересы. Араго отмечает, что «Юнг в собственной семье нашел человека, который понимал его, и чье одобрение должно было вознаграждать его за равнодушие публики». Он не оставил потомства, но в остальном его семейная жизнь сложилась исключительно счастливо.

Чтобы не повредить себе во мнении пациентов, Юнг многие из своих работ публиковал «под прикрытием псевдонима», а то и вовсе анонимно. Но это относится к сравнительно небольшим работам. Главный же свой капитальный двухтомный труд «Курс лекций по естественной философии и механическому искусству» *. Юнг выпустил в 1807 году под собственным именем. То было делом жизни физика, поэтому заботы о «реноме» врача отошли на второй план.

* Th. Young. A Course of Lectures on Natural Phylosophy and the Mechanical Arts. London, 1807, v. 1-2.

Из всех общих лекционных курсов того времени «Лекции» Юнга были наиболее значительны и оригинальны. Через них красной нитью проходит характерная для его творчества связь научной теории с широкой технической практикой. В одном ряду с вопросами теоретической физики и механики он рассматривает самые различные прикладные проблемы разных производств не только с технической, но и с технологической стороны.

В «Курсе лекций» прежде всего представлены итоги его исследований по теории света, венцом которых явился принцип интерференции.

Чисто физические исследования Юнг совмещал с исследованиями на «стыке» физики и физиологии. Здесь его тоже ждал успех: начав изучать научные основы зрения, он заложил в этой области прочный фундамент. Разработанная им теория цветового зрения была развита впоследствии Гельмгольцем. Цветовосприятие, по Юнгу, обусловлено наличием в ретине трех видов нервных волокон, которые реагируют соответственно на красный, зеленый и фиолетовый свет. В третьем принципе волновой оптики Юнг констатирует: «Ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний, возбужденных светом на сетчатке». Максвелл, сам много сделавший в области изучения теории цветов, в своей статье «О цветовом зрении» подчеркивал:

«Юнг… дал первую последовательную теорию цвета. Насколько мне известно, Томас Юнг был первым, кто, начав от всем известного факта, что существуют три основных цвета, нашел объяснение этому факту не в природе света, а в строении человека. Даже среди тех, кто писал о цвете после Юнга, некоторые полагали, что они должны изучать свойства пигментов, а другие — что они должны анализировать световые лучи. Они стремились постичь цвета, изучая нечто в окружающей природе — вне себя» *.

* Д.К. Максвелл. Статьи и речи. М., «Наука», 1968, стр. 216-217.

Попутно Юнг вернулся к своей теории аккомодации глаза, от которой в свое время его вынудили отречься. Подкрепив ее новыми опытами, он смело вернул ей «права гражданства».

Около 1806 году имел место случай, о котором Уильям Брэгг рассказывает: «Джон Дальтон, знаменитый химик, до сорока лет не знал, что он является цветнослепым, пока Томас Юнг не обнаружил у него этот недостаток» *. Впоследствии эта аномалия зрительного аппарата получила название дальтонизма.

* У. Брэгг. Мир света. Мир звука. М., «Наука», 1967, стр. 83.

Интересно, что во втором томе «Курса лекций» Юнгом упомянута работа М.В. Ломоносова «Слово о происхождении света». (На странице 290 в списке литературы по оптике находим: «Lomonosov de origine lucis, Petersb., 1758»). Оказывается, Ломоносова почти за полвека до Юнга волновали те же проблемы, а полное название его работы таково: «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее». В своих набросках, названных потом «127 заметок к теории света и электричества» и опубликованных уже после Октябрьской революции, Ломоносов отмечал: «16. Надо поставить опыт, будет ли луч иначе преломляться в стекле или воде наэлектризованных» *.

* М. В. Ломоносов. Полное собрание сочинений, т. 3, стр. 241.

В том же фундаментальном «Курсе лекций» Юнг предложил механическую работоспособность именовать «энергией» (вместо слова «сила») и придал этому термину его научное значение — как способность производить работу, понимая под ним величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела. На исключительно важный этот факт не обратили внимания и вторично «переоткрыли» его уже в середине XIX столетия.

Особое место и в «Курсе лекций», и во всей деятельности Юнга занимают работы по теории прочности. «Юнг сделал много для научного построения теории сопротивления материалов, введя в нее понятие модуля упругости при растяжении и сжатии, — писал известный русский ученый Степан Прокофьевич Тимошенко. — Он оказался к тому же основоположником изучения напряжений, вызываемых ударом, и указал метод вычисления их для идеально упругих материалов, следующих закону Гука до разрушения».*

* С. П. Тимошенко. История науки о сопротивлении материалов. М., 1957.

Там же: «…глава из второго тома «Натуральной философии», посвященная механике материалов, заключает в себе правильно обоснованные решения для ряда серьезных проблем сопротивления материалов, совершенно новых во времена Юнга. Эта работа не обратила, однако, на себя внимания в широких инженерных кругах по той причине, что изложение автора было всегда сжато и только в редких случаях ясно…»

И лишь спустя почти 100 лет нашелся человек, который смог не только прочесть труды Юнга, но и понять их. Им стал Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей, лауреат Нобелевской премии по физике 1904 года.

«…Рэлей изучил лекции Юнга и нашел в них целую сокровищницу интересных материалов; карандашные пометки на использованном им экземпляре свидетельствуют о той тщательности, с которой он следил за книгой; в ней, а также в других произведениях того же автора он открыл ряд ценных, но затем забытых начинаний. Одним из самых поразительных мест была оценка Юнгом величины молекулы; он указал для диаметра молекулы величину, лежащую между двумя и десятью тысячными одной миллионной доли дюйма. Это — удивительное предвосхищение современного знания, сделанное более чем на 50 лет раньше подобной же оценки размеров, предложенной Кельвином. До тех пор, пока Рэлей не обратил на это определение Юнга внимания, оно оставалось совершенно забытым, если предположить, что оно вообще когда-либо было замечено, чему, впрочем, доказательств не имеется.»

Юнга привлекали не только чисто научные проблемы. Им успешно решены и многие задачи инженерной практики, в том числе — немало труднейших. Рассматривая корпус корабля как балку, он указал способ вычисления его прогиба. Он предложил ряд важных изменений в конструкции судов.

Да и вообще чем он только ни занимался, о чем ни писал!

— О физике, химии, физиологии, медицине, астрономии, геофизике, технике;

— о филологии, музыке, живописи;

— о желтой лихорадке и о плотничьем ремесле;

— о заводах, вырабатывающих железо, и о гидравлике;

— о средствах укрепления остова линейных кораблей и об атмосфере Луны;

— о способах вычисления затмении и о роли сердца и артерий в явлении циркуляции;

— о трении в осях машин и о теории приливов и отливов;

— о тепловом флюиде и о восстановлении и переводе греческих надписей;

— об опыте составления грамматики и о теории эпициклоидальных кривых;

— о нравах пауков и о капиллярности;

— об ежегодной ренте и о прочности мостовых ферм.

Кроме того, им написано сорок пять биографий ученых для приложения к «Британской энциклопедии».

Араго замечает по этому поводу: можно подумать, что перед нами перечень трудов не одного ученого, а, по крайней мере, нескольких академий!

А ведь многое из созданного им еще не собрано, не опознано и, должно быть, безнадежно утрачено. До сих пор нет собрания его сочинений. Но вряд ли на этом основании можно упрекать англичан в пренебрежении к его памяти — ведь они пока что «не удосужились издать» научного собрания сочинений Ньютона и Шекспира — национальных своих кумиров!

Оптика между тем продолжала развиваться. Появились важные работы Лапласа, Брюстера, Араго и Био. Юнг тоже не сидел, сложа руки, мы это знаем; однако десятилетие после выхода «Лекций» не отмечено сколько-нибудь значительными его исследованиями по экспериментальной и теоретической оптике. Либо же они потеряны…

Чрезвычайно важное и буквально ошеломившее всех открытие — поляризация света — сделал в 1808 году молодой военный инженер Этьен Луи Малюс. За сто тридцать лет до него к этому был близок Гюйгенс, исследовавший двойное лучепреломление в исландском шпате. Но Гюйгенс поляризацию не распознал… «Отражение света занимало наблюдателей еще со времен Платона и Евклида, — писал Араго. — Но никто не подозревал в нем ничего большего, как средство отклонять лучи, никто не воображал, что изменение пути может быть причиной изменения природы».

Суть этого явления в следующем. Если взять обычный, неполяризованный луч, то в нем колебания совершаются во всех возможных направлениях, тогда как в поляризованном — только в одном или, другими словами, в какой-либо одной плоскости, проходящей через наш луч. Частичная поляризация имеет, например, место при всяком отражении от зеркальной поверхности. Малюс наблюдал ее при отражении света от стекла и воды.

Истолковать поляризацию с точки зрения волновой теории не удалось. Огорченный Юнг констатировал: «В ее теперешнем виде волновая теория недостаточна для объяснения всех явлений света». Растерянность сквозит и в его письме к Дэвиду Брюстеру — замечательному английскому оптику, изобретшему, в частности, стереоскоп и калейдоскоп. «Что касается моих основных гипотез о природе света, — писал Юнг, — то я с каждым днем все менее и менее расположен занимать ими свои мысли по мере того, как все большее число фактов, вроде тех, которые открыл Малюс, доходит до моего сознания…»

Юнг в течение двадцати семи лет был бессменным секретарем Королевского общества по сношениям с иностранными учеными. Извещая в 1810 году Малюса о присуждении ему медали Румфорда, высшей награды общества, Юнг, как бы парируя один из нанесенных ему ударов, писал: «Ваши опыты доказывают недостаточность моей теории, но не доказывают, что она ложная».

Короче: к 1815 году Юнг, которого не покидало чувство, что к его открытиям всегда относились несправедливо, был еще вдобавок разочарован возможностями волновой теории… В этот критический момент в науку вошел Френель.

Галилей сказал: «Удивительные вещи часто бледнеют перед лицом еще более чудесных».

Огюстен Жак Френель — кузен Проспера Мериме — обладал исключительной научной проницательностью. У него было какое-то особое чутье на то, где лежит истина.

Френель был молодым инженером по ремонту мостов и дорог. Заброшенный в 1809 году на несколько лет в глухую провинцию, он стал досуг отдавать науке. Сначала это были гидравлика, разного рода технико-химические вопросы, аберрация. Весной 1814 г. он вдруг заинтересовался оптикой. О «глубине» и «обширности» его тогдашних познаний в этой области свидетельствует его письмо к брату Леонору в Париж. «Поставь меня в известность, что знают о поляризации света, — писал он в июле того же года. — Ты не можешь себе представить, как мне хотелось бы узнать, что это такое… Пришли мне какой-нибудь мемуар, который бы ввел меня в курс дела…»

Он не знал английского языка, поэтому не читал работ Юнга и ничего о них не слышал. Это установлено совершенно достоверно. В 1815 г. он открыл интерференцию света, а затем в течение трех или четырех лет создал полную теорию дифракции. В своих исследованиях Френель пошел значительно дальше Юнга. «Юнг первый дал основную идею интерференции, но Френелю мы обязаны ее математическим обоснованием», — писал Дж.Дж. Томсон в статье «Структура света» *.

* Д.Д. Томсон. Электричество и материя. М. — Л., 1928, стр. 118.

Кроме того, Френель провел серию экспериментов с высокой точностью измерения. Никогда не имевший в кармане лишнего су, он сетовал в письме к брату: «Один этот опыт стоил мне 80 франков, потраченных на приборы. Ты видишь, таким образом, что в физике надо покупать честь делать открытия». Микрометр ему заменяли куски проволоки с картоном, а гелиостатом служила простая линза. При помощи таких «приборов» Френель и делал своп гениальные открытия!

Франция тоже имела собственных «брумов»: Френеля обвинили в том, что он, «дорожный инженеришка», ворует чужие идеи. Слабый здоровьем ученый был, однако, силен духом. «Я почувствовал, что на упрек в плагиате нужно отвечать новыми открытиями», — писал он брату. И сделал эти открытия, ставшие классическими. Преждевременная смерть не дала ему завершить начатое, по за те десять лет, что оказались в его распоряжении, он совершенно преобразил оптику. Теория дифракции, разработанная в гениальных статьях Френеля, привела к полной победе волновой теории света над корпускулярной, к созданию современной оптики.

В 1816 г. Араго и Гей-Люссак, путешествовавшие по Англии, навестили в Вортинге Юнга, где он в течение многих лет практиковал как врач на морских купаньях. Разговор коснулся только что опубликованной работы Френеля о дифракции. Араго, настроенный в пользу Френеля, вспоминает, что их с Гей-Люссаком удивили многочисленные оговорки, которые Юнг вносил в их похвальные отзывы, а потом заявил, что опыт, которым они так восхищены, описан им, Юнгом, еще в 1807 г. «Это утверждение, — говорит Араго, — показалось нам безосновательным» *. Должно быть, на континенте с работами Юнга были недостаточно хорошо знакомы. Дело происходило в эпоху наполеоновских войн — вероятно, в этом крылась одна из причин. Когда разгорелся спор, миссис Юнг, молча до того слушавшая, внезапно вышла, смутив этим гостей, начавших было извиняться перед ее мужем за свою неучтивость. Но миссис Юнг тут же вернулась «с огромным томом in quarto в руках». Это был первый том «Лекций» Юнга. Она положила его на стол, открыла, ни слова не сказав, на странице 787 и показала пальцем рисунок, на котором были наглядно представлены дифракционные полосы и их объяснение на основе волновой теории.

* Ф. Араго. Томас Юнг. В кн.: Ф. Араго. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. СПб., 1860, т. II, стр. 65.

Что можно сказать по этому поводу? Если бы ученые того времени знали работы Юнга хотя бы в такой же степени, как миссис Юнг, многое в физике сложилось бы совсем иначе!

Узнав об этом случае от Араго, Френель отправил Юнгу очень дружественное и глубоко человечное письмо.

«Когда веришь, что сделал открытие, — писал он, — то, не без сожаления, думаешь, что кто-либо другой сделал его до тебя; и я со всей искренностью признаюсь Вам, сэр, что таковы были чувства, которые я испытал, когда Араго показал мне, что в моем представленном в Институт мемуаре было очень небольшое число действительно новых наблюдений. Однако если что-нибудь и могло меня утешить в том, что я ие имею преимущества приоритета, так это то, что судьба свела меня с ученым, который обогатил физическую науку таким большим количеством важных открытий, — обстоятельство, которое в немалой степени увеличивает мое доверие к теории, принятой мною» *.

* Цит. по кн.: «Вопросы истории естествознания и техники», вып. 2, стр. 89.

До работ Френеля открытия Юнга по волновой теории по сути дела находились в забвении. Однако к достижениям Френеля Юнг поначалу отнесся довольно сдержанно.

Наиболее злободневной проблемой тогда была поляризация света, ставшая для волновой теории своего рода ахиллесовой пятой. Об этом времени один остроумец сказал, что оно было заполнено поисками «существительного к глаголу «волноваться»».

Обстоятельства сложились так, что Юнг вступил в дружескую конкуренцию с современной ему французской школой. Для него началась пора как бы второй научной молодости…

Прочитав работы Френеля по интерференции поляризованных лучей, он пришел к выводу, что поляризация света по-настоящему исчерпывающе может быть объяснена лишь в том случае, если допустить, что световые колебания происходят перпендикулярно к распространению волны, а не вдоль, как повелось считать от Гюйгенса. (Между прочим, о поперечности световых колебании говорил еще Роберт Гук в 1672 г., правда, весьма расплывчато, вот почему на эту важнейшую гипотезу никто тогда не обратил внимания.)

О своем выводе Юнг сообщил Араго в письме, датированном 1817 г. Но к такому же заключению — и опять-таки независимо от Юнга — пришел Френель. Он понимал, что это должно вызвать сенсацию, и долго колебался; ему казалось, что новая гипотеза противоречит основам механики. И только в 1821 г. Френель решился представить в Академию наук два своих мемуара. Он писал потом:

«Будучи смелее в своих предположениях и меньше доверяя взглядам математиков, г-н Юнг опубликовал эту гипотезу раньше меня, хотя, быть может, открыл ее и позднее».

О взаимоотношениях Юнга и Френеля академик Г.С. Ландсберг писал:

«Френель во всех своих мемуарах и официальных высказываниях всегда с большой готовностью подчеркивал права Юнга на приоритет. Однако он не мог не осознавать их относительного значения. И однажды, задетый дошедшим до него высказыванием, где Юнг сравнивал себя с деревом, а Френеля с яблоком, которое произвело это дерево, Френель пишет Юнгу исполненное горечи письмо (26 ноября 1824 г.); жалуясь на необъективность англичан по отношению к французской науке вообще, он легко доказывает, что «яблоко выросло без дерева». Письмо было написано в период физического и морального истощения тяжело больного Френеля. Через несколько месяцев, немного оправившись, он просит Юнга сжечь это письмо, написанное в минуту раздражения» * .

* Цит. по кн.: О. Френель. Избранные труды по оптике. М., 1955, стр 68.

В дальнейшем отношения Юнга и Френеля носили дружественный характер.

Заслуги Юнга были высоко оценены страной Малюса и Френеля: в 1827 г. его избрали одним из восьми иностранных членов Французского института. Ставя его об этом в известность, Араго сообщил и о кончине Френеля.

Однако яблоко в общем-то выросло, конечно, не без яблони. Френель, хотя и умер двумя годами ранее Юнга, но он — его фактический продолжатель. А настоящий продолжатель — всегда «углубитель». Профессор Фердинанд Розенбергер в своей «Истории физики» замечает по этому поводу: «Они вместе пробили брешь в крепко сколоченном здании так называемой ньютоновой системы и тем самым подорвали прочность целого».

«…Теоретическая система, построенная Ньютоном, — писал Эйнштейн, — была побеждена… волновой теорий света Гюйгенса — Юнга — Френеля, которая преодолела сопротивление физиков, объяснив явления интерференции и дифракции» *.

* А. Эйнштейн. Собрание научных трудов. М., «Наука», 1966, т. II, стр. 261.

А в «Замечании к переводу речи Араго «Памяти Томаса Юнга»»на немецкий язык Эйнштейн ответил на вопрос — что для нас самое главное в научном наследии Юнга:

«Араго подробно остановился лишь на одном из двух великих достижений Юнга: объяснении интерференции и дифракции света, и ничего не сказал о том, как Юнг объяснил богатство и многообразие нашего цветоощущения. Причина этого проста. Юнг принадлежал к числу тех редких, наделенных необычайной фантазией мыслителей, чье упорство в разработке своих идей или, более кратко, усидчивость, не соответствуют богатству их оригинальных идей. Потребовались научные дарования первого ранга — Френель и Гельмгольц, чтобы разработать обе эти великие идеи до такой степени, когда научный мир смог воспринять их. В то время, когда Араго писал свою речь, Френель уже сделал свое дело, но Гельмгольца нужно было еще ждать несколько десятилетий. Именно поэтому Араго полностью воздал должное лишь первой из великих идей Юнга, но не второй. То, что было в его силах, Араго сделал с любовью и изяществом» *.

* А. Эйнштейн. Собрание научных трудов, т. IV, стр. 111.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Пожалуйста, выполните сложное математическое вычисление: *

© 2018 Живые мосты ·  Дизайн и техподдержка: Goodwinpress.ru