Научная революция XVII века - Владимир Кирсанов

Эта критика заставила Бойля возобновить исследования. «Теперь мы попытаемся показать, что в специально поставленных экспериментах упругость воздуха способна производить гораздо больше, чем нам необходимо ей приписывать для объяснения явлений в опыте Торричелли... Мы взяли затем длинную стеклянную трубку, которую с помощью горелки и ловкости согнули на конце так, что закругленная часть вышла почти параллельной остальной трубе, а отверстие в этом коротком отростке... было тщательно герметически закупорено. Длина отростка была разделена на дюймы (каждый из которых был разделен на восемь частей) - это было сделано с помощью бумажной шкалы, которая была аккуратно приклеена на трубку». Аналогичная бумажная шкала была приклеена на длинном отростке трубы. Затем «в колено или закругленную часть сифона, было налито столько ртути», чтобы в обоих отростках ртуть установилась на одинаковой высоте. «После этого мы начинали заливать ртуть в более длинное колено... до тех пор, пока воздух в коротком колене вследствие сжатия не уменьшился в объеме наполовину, тогда мы взглянули на длинное стеклянное колено и увидели не без радости и удовлетворения, что ртуть в длинном колене на 29 дюймов выше, чем в коротком» (т. е. давление на воздух в коротком колене вдвое больше первоначального. - В. К.). Из этого опыта Бойль делает вывод, что «сопротивление сжатию удваивается с удвоением давления» и, следовательно, упругость воздуха (т. е. его сопротивление сжатию) пропорциональна его плотности. Такова формулировка первого варианта закона Бойля.

Но эта формулировка не означает, что получена обратная пропорциональная зависимость между внешним давлением и увеличением объема воздуха. Опыты, которые Бойль проделал для изучения зависимости расширения воздуха с уменьшением внешнего давления, не были им никак интерпретированы. (В этих опытах использовалась торричеллева трубка, сначала полностью погруженная в сосуд со ртутью, а затем постепенно поднимаемая из ртути.) Вместо него интерпретацией опытов занялся физик-любите ль Ричард Таунли. Бойль говорит: «Я не замедлю признать, что я не свел опыты, которые я проделал с измерением расширения воздуха, к какой-либо определенной гипотезе. В то время как искусный джентльмен мистер Таунли... попытался вывести то, чего недоставало у меня». Именно Таунли был тем, кто указал на обратную пропорциональность между объемом и давлением. Бойль говорит далее о «предположении мистера Таунли относительно пропорциональности, определяющей, насколько воздух теряет свою упругость при расширении». «Мой помощник (т. е. Гук.— В. Я.),—заключает он,— сказал мне, что проводил наблюдения с той же самой целью год назад, и они показали довольно хорошее согласие с теорией мистера Таунли» [23, I, с. 100 и далее].

Таким образом, Ричард Таунли является соавтором закона Бойля.

В 1666 г. Бойль опубликовал «Гидростатические парадоксы», в которых стремился опровергнуть старую доктрину, утверждающую, что легкая жидкость не производит давления на более тяжелую жидкость. Что такое опровержение оказалось сделанным столь поздно, показывает, как медленно распространялось правильное представление о давлении жидкостей.

Пятнадцать лет спустя после публикации Бойля «закон Бойля» был переоткрыт (совершенно независимо) выдающимся французским физиком Эдмом Мариоттом (1620—1684). Поэтому он называется теперь также законом Бойля—Мариотта. Мариотт опубликовал закон в своем трактате «О природе воздуха» в 1676 г. Он пишет: «Мы использовали трубку в 40 дюймов, которую заполнили ртутью на 27 ½  дюйма, 12 ½ дюймов осталось для воздуха, будучи погруженной на 1 дюйм в сосуд со ртутью, 39 дюймов оставалось сверху, причем 14 дюймов занимала ртуть и 25 дюймов воздух, расширившийся до двойной величины своего (первоначального) объема». У Мариотта было более ясное представление о важности это-то закона, чем у Бойля.

Мариотту приписывается введение экспериментальной физики во Франции. Как Бойль был знаменит участием в организации Королевского общества в Англии, так и Мариотт был одним из первых и ведущих членов Парижской академии наук, организованной в 1666 г. Тщательными измерениями высоты ртутного столба в глубоком погребе, а затем в астрономической обсерватории (новой), расположенной на одной из возвышенностей Парижа, он получил приближенную формулу для определения высоты с помощью барометра.

В 1674 г. Дени Папен (1647—1714) описал воздушный насос, в котором откачиваемый сосуд с запорным краном был заменен столом и стеклянным колоколом. Заслуга во введении этого усовершенствования обычно приписывается Папену, однако сам он приписывал это Гюйгенсу, который, как теперь известно, сделал это открытие в 1661 г. Папен был учеником и ассистентом Гюйгенса, он познакомился с ним в Париже, и с 1672 г. начались их совместные работы по конструированию пневматических устройств. В первое время они занимались совершенствованием вакуумных насосов, но затем Гюйгенсу, увлекавшемуся тогда опытами с порохом, пришла в голову идея скомбинировать в одном аппарате силу атмосферного давления и силу взрыва. Так в 1673 г. была построена знаменитая пороховая машина, которую Гюйгенс и Папен демонстрировали Кольберу. Ее устройство было весьма простым и представляло цилиндр с поршнем; в пространстве под поршнем взрывалось небольшое количество пороха, в результате в камере образовывалось разрежение и поршень мгновенно втягивался в цилиндр. Машина развивала достаточную мощность, чтобы поднять нескольких человек. Папен всю жизнь продолжал заниматься вопросами пневматики (вскоре он переехал в Англию, где стал ассистентом Бойля, а затем членом Королевского общества), но для Гюйгенса это был всего лишь эпизод.

В том же 1673 году выходит в свет главная книга Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium»), в которой он свел воедино результаты своих многолетних исследований проблемы колебаний и вращательного движения. В ней впервые опубликовано соотношение между периодом и длиной маятника (сегодня оно записывается формулой T = 2πl√(l/g), дано доказательство таутохронности циклоидального маятника (которую он открыл еще в 1658 г.), а также развита теория центра качаний.

Проблема, которую предстояло решить Гюйгенсу, заключалась в описании колебаний физического тела аналогично тому, как это делается для простого (математического) маятника. Иначе говоря, задача сводилась к тому, чтобы найти характеристики простого маятника, колеблющегося изохронно с данным телом.

Гюйгенс нашел длину такого простого маятника, которая определяется расстоянием от точки подвеса до точки, находящейся на прямой, проходящей через центр тяжести тела и точку подвеса, и названной им «центром качаний». Формула, полученная Гюйгенсом для определения центра качаний, аналогична современной L = I/ml, где L — искомая длина, I — момент инерции, m — масса и l — расстояние от точки подвеса до центра тяжести. Гюйгенс получил также важную теорему об обратимости центра качаний, т. е. если центр качаний и точку подвеса поменять местами, то период колебаний не изменится.

В «Маятниковых часах» Гюйгенс приводит без доказательства зависимость центробежной силы (сам термин тоже принадлежит ему) от скорости и радиуса вращения: Fц.б.~ v2/R. Эту зависимость он получил еще в 1659 г., но дал ее вывод, использующий закон падения Галилея и геометрические построения, позже, в рукописном трактате «О центробежной силе».

В 1681 г. Гюйгенсу приходится покинуть Париж — и, как оказалось, навсегда — главным образом из-за религиозных преследований, связанных с отменой нантского эдикта. Первый академик Франции отказывается от своего звания и возвращается на родину. Вернувшись в Гаагу, в дом своего отца, он вновь начинает заниматься астрономией и оптикой, пытается построить планетарий.

В 1690 г. появляется «Трактат о свете», который составил Гюйгенсу славу основателя волновой теории света. Согласно его представлениям, свет есть результат прохождения через упругий эфир ударных волн с чрезвычайно большой скоростью. Такой эфир состоит из весьма малых упругих частиц, плотно примыкающих друг к другу. Переноса материи при прохождении света через эфир не происходит, речь идет о передаче импульса, или «тенденции к движению». Каждая частица, получившая импульс, передает его соседним частицам, которые, в свою очередь, становятся источниками импульсов света. В результате каждая частица будет порождать сферическую волну. Волны, исходящие от отдельных частиц, слишком слабы, но когда бесконечное число таких волн перекрывается, возникает свет, т. е. огибающая фронтов волн всех частиц. Это и есть знаменитый принцип Гюйгенса. С его помощью Гюйгенс объяснил явления отражения и преломления, связав показатель преломления со скоростью света в различных средах. Триумфом волновой теории было объяснение двойного лучепреломления в исландском шпате.