Начальный этап античной физики

Возникновение атомистики

       «Эмпедокл – говорил греческий философ и историк науки Теофраст, предполагает четыре материальных элемента, а именно: огонь, воздух, воду и землю; эти элементы, будучи вечными, изменяются по числу и величине путем соединения и разделения. Существуют два начала в современном смысле этого слова, при помощи которых элементы приводятся в движение; эти начала – Любовь и Вражда, ибо элементы должны подвергаться двоякому движению, а именно: то соединению путем Любви, то разделению путем Вражды.

       Чрезвычайно существенно, что Эмпедокл со всей ясностью утверждал всеобщее начало сохранения. Его элементы вечны и неразрушимы; «они остаются сами собой», «если бы они совсем погибли и их не было бы более, как бы возникла Вселенная?

       С V в.  до н.э.  центр греческой науки переместился в Афины. В Афины приезжали выдающиеся представители греческой науки. Здесь учил математик Гиппократ, философ и физик Анаксагор (около 500-428 гг. до н.э.), создавший учение о «семенах» всех вещей и движущем начале «нус» (дух), сообщившим элементам материи вращательное движение, в результате которого образовалась Земля и все вещи.

       Анаксагор учил, что Луна, Солнце, планеты и звезды, которым египтяне и греки приписывали божественную природу, являются раскаленными камнями.

       Анаксагор был современником основателей атомистики Левкиппа и Демокрита (около 460-370 гг. до н.э.).

Принципы Демокрита:

1. Из ничего не происходит ничего. Ничто существующее не может быть разрушено. Все изменения происходят благодаря соединению и разложению частей.
2. Ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь основанию и с необходимостью.
3. Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все другое только воззрение.
4. Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме.
5. Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами не существует.

 

Аристотель

Аристотель родился в 384 г. до н.э. в городе Стагире, в северо-восточной области Греции. В 18 лет Аристотель прибыл в Афины в Академию Платона, где пробыл около 2 лет до встречи с ее основателем и около 20 лет вместе с Платоном до самой смерти своего учителя. С 343 по 339 гг. до н.э. жил в столице Македонии Пеле в качестве наставника Александра. В 336 г. до н.э. Аристотель вернулся в Афины, где основал свой Лицей.

Аристотель положил основание и истории науки. В его «Метафизике» мы находим мысли о возникновении науки и искусства, обзор и критический анализ результатов работ его предшественников. О многих античных ученых мы знаем только по сведениям, приводимым Аристотелем.

Пожалуй, ни один ученый не оказывал такого длительного и глубокого влияния на развитие человеческой мысли, как Аристотель. Его воззрения принимались за истину в течение ряда столетий.

Аристотель был крестным отцом физической науки. Название его книги, посвященной исследованию природы, («Физика»), стало названием физической науки. В аристотелевской «Физике», в отличие от современного учебника физики, мы не найдем ни математических формул, ни описаний опытов и приборов. Аристотель приходит к тем или иным выводам путем рассуждений, установления логических противоречий в выводах, следующих из тех или иных предположений. Такой метод, метод диалектики и логики, был в большом ходу у древних мыслителей.

Диалог, дискуссия были основным методом Сократа и его ученика Платона, сочинения которого прямо написаны в форме диалога.

Метод эксперимента и математического анализа был отброшен Аристотелем.

       Аристотелю вряд ли бы понравилось исследование природы с помощью комбинации искусственных вещей. Эксперимент нарушает жизнь природы и искажает ее познание. По тем же причинам Аристотель считал недопустимым применение математики в исследовании природы.

       Совершенно ясно, что при таких методологических предпосылках «Физика» Аристотеля является скорее философским трактатом, чем руководством по естествознанию. В ней Аристотель обсуждает общие понятия о природе: понятия материи и движения, пространства и времени, разбирает действующие причины, вопрос о существовании пустоты, о конечном и бесконечном, о первичных качествах.

       К таким утверждениям относится учение Аристотеля о существовании абсолютного неподвижного центра мира (Земли), о противоположности земного и небесного.

       Пустота, невесомость, по Аристотелю, неестественны, невозможны.

 

АРХИМЕД

       Архимед родился в 287 г. до н.э. в Сиракузах.

 Принцип рычага и учение о центре тяжести являются важнейшими (наряду с законом Архимеда) научными достижениями Архимеда в области механики.

Кроме закона рычага, в книге «О равновесии плоских фигур» содержатся определения центров тяжести треугольника, параллелограмма, трапеции, параболического сегмента, трапеции, боковые стороны которой являются дугами парабол. Он использует закон рычага при вычислении параболического сегмента и объема шара. Эти вычисления Архимеда являются начальным этапом интегрального исчисления. Закон Архимеда изложен в сочинении «О плавающих телах». Основы гидростатики были заложены Архимедом и лишь в конце 16 и первой половине 17 столетия были развиты Стевиным, Галилеем, Паскалем и др. учеными.

Герон прославился как изобретатель остроумных автоматов и эолипила, первого теплового двигателя, представляющего по своей сути модель первой паровой машины. Правда, эолипил Герона никакой полезной работы не производил и остатвался забавной игрушкой. Любопытно, что многие автоматы Герона по существу были основаны на действии атмосферного давления, хотя сам Герон, никакого представления о давлении воздуха не имел и действие широко применяемо им сифона объяснял неразрывностью водяной струи.

Научная революция Коперника

Николай Коперник (1473-1543) с большим увлечением занимался математикой и астрономией. В 1530 г. он изложил основные положения своей теории в рукописи сочинения «Малый Комментарий».

Сочинение Коперника «О вращениях небесных сфер» содержит шесть книг. Основная его идея: построить простую модель солнечной системы, ее кинематический механизм. Такой механизм он нашел, относя движения всех планет, в том числе и Земли, к Солнцу. Этот шаг Коперника имел поистине революционное значение.

Так, новое учение о космосе обращает мысль его основателя к материалистической атомистике. Оно неизбежно подводило также к представлению об относительности движения, к физическому релятивизму.

 В другом месте Коперник, возвращаясь к вопросу об относительности движения, пишет: «Так при движении корабля в тихую погоду все находящееся вне представляется мореплавателям движущимся, как бы отражая движение корабля, а не сами наблюдатели. Наоборот, считают себя в покое со всем с ними находящимся. Это же, без сомнения, может происходить и при движении Земли, так что мы думаем, будто вокруг нее вращается вся Вселенная».

Позднее эти идеи Коперника с особой основательностью разовьет Галилей, сформулировав классический принцип относительности.

 

Джордано Бруно. Кеплер.

Из великого открытия Коперника возникла научная программа, осуществление которой привело к возникновению экспериментального и математического естествознания, в первую очередь механики и оптики.

Навеки вошло в историю имя мученика науки Джордано Бруно (1548-1600). Этот замечательный человек, писатель, поэт, ученый, талантливый оратор и лектор, также был одним из титанов, которых рождало это бурное время. Молодой монах ревностно предавался научным и литературным занятиям: изучал греческую науку и философию, труды арабских ученых и философов, сочинения Фомы Аквинского и Николая Кузанского. Он написал сатирическую комедию «Светильник», сатирический диалог «Ноев ковчег».

В 1584 г. им были написаны диалоги «Пир на пепле», «О бесконечности Вселенной и мирах», в которых он излагал свое учение о бесконечной Вселенной, слагающейся из множества миров, подобных нашей солнечной системе.

       Великий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630) обессмертил свое имя открытием законов движения планет. После окончания Тюбингенской семинарии, а затем академии получил блестящий аттестат, удостоверяющий его выдающиеся способности и знания. Был назначен преподавателем математики и философии в училище в Граце. Занимался составлением календарей, гороскопов и научной работой. По его высказыванию, «астрология – дочь астрономии, хотя и незаконная, и должна кормить свою мать, которая иначе умерла бы с голоду».

Написал сочинение «Дополнения к Вателло». Здесь он дает теорию камер-обскуры, излагает свою точку зрения, в которой исправляет ошибку Алхазена, показывая, что изображение получается на сетчатке, а хрусталик действует как линза. Кеплер правильно объяснил близорукость и дальнозоркость, а также способность глаза иметь далекие и близкие предметы изменением кривизны хрусталика. Из составленных им таблиц рефракции он определяет плотность воздуха относительно плотности воды.

Все свои переживания Кеплер изложил в книге «Новая астрономия, или Небесная физика с комментариями на движение планеты Марс по наблюдениям Тахо Браге», вышедшей в Праге в 1609 г.

Мысль Кеплера обратилась к оптике, и в 1611 г. вышло его новое сочинение по оптике – «Диоптрика».. Здесь он описывает конструкцию телескопа (труба Кеплера), рассматривает ход лучей в линзах и системах линз, приходит к выводу о существовании полного внутреннего отражения при переходе света из среды, оптически более плотной, в среду, оптически мене плотную, находит фокусные расстояния стеклянных  плоско-выпуклой и двояко-выпуклой линз. Трудны были последние годы жизни ученого. Он перебивался случайными заработками. Умер в ноябре 1630 г.

 

Галилей

Галилео Галилей (1564-1642) полностью обосновал систему Коперника физически, и его борьба за нее слилась с выработкой основ новой физики, пришедшей на смену аристотелевской. Галилей учился в Пизанском университете, сначала изучал медицину, однако впоследствии оставил медицинский факультет и стал изучать математику и философию. В 1589 г. его назначают профессором Пизанского университета, затем он переезжает в Падую. В Падуе он проработал 18 лет и сделал ряд важнейших открытий, принесших ему мировую славу. Именно здесь он начал борьбу за систему Коперника.

В 1608 г. в Голландии была изобретена зрительная труба. Галилей начал размышлять над возможной конструкцией трубы и в течение года создал трубу, представляющую комбинацию выпуклой и вогнутой линз, которую первым использовал в научных целях.

В начале января 1610 г. Галилей открывает спутники Юпитера – наглядную модель системы Коперника, демонстрирующую, как планета со своими лунами движется вокруг Солнца.

В марте 1616 г. декретом учреждений при инквизиции конгрегации книга Коперника была запрещена, а учение о движении Земли было признано противным священному писанию.

Еще будучи в Пизе, Галилей путем эксперимента опроверг учение перипатетической физики о пропорциональности скорости падения тела силе тяжести. Сброшенные со знаменитой наклонной башни шары, чугунный и деревянный, одинакового размера упали одновременно, и Галилей с полным основанием приписал различие скорости сопротивлению воздуха.

Опыт Галилея имел огромное методологическое значение. Эксперименты с падением тел проводил и Леонардо да Винчи. Но только Галилей ясно указал, что для получения научных выводов из опыта необходимо устранить побочные обстоятельства, мешающие получить на заданный природе вопрос. Этот простой опыт Галилея по существу явился подлинным началом экспериментальной науки.

Спустя 14 лет после запрещения учения Коперника Галилей закончил рукопись своего главного сочинения «Диалог о двух системах мира – Птолемеевой и Коперниковой» и повез ее в Рим, чтобы получить разрешение на публикацию.

В 1632 г. сочинение вышло в печати во Флоренции, которое было написано в виде диалога.

Против Галилея по приказанию папы возбуждается дело, его доставляют в Рим и заставляют отречься от его научных убеждений. После отречения он жил вблизи Флоренции и продолжал работать. В 1638 г. вышло его главное произведение – «Беседы о двух главных науках».

 

Ньютон

Достигнутые опытным естествознанием результаты получили завершение в работах великого английского ученого Исаака Ньютона (1642-1727). Важнейшим научным достижением Ньютона было создание теории движения планет и связанное с этим открытие закона всемирного тяготение, положенного в основу физического обоснования гелиоцентрической системы.

Ньютон в 1661 г. был принят в колледж Святой Троицы. Одним из его учителей был профессор Исаак Барроу, который читал лекции по оптике на весьма высоком уровне. Ньютон получил степень бакалавра, а затем магистра. В это же время разразилась эпидемия чумы, и Ньютон уехал из Кембриджа в деревню, где он много и плодотворно работал, его будущие великие открытия созревали в деревенском уединении. В 1669 г. Барроу решил посвятить себя теологии, передал кафедру своему гениальному ученику. Ньютон стал профессором Кембриджа.

Первая научная работа Ньютона относится к оптике. В 1668 г. он построил первую миниатюрную модель рефлектора. В 1671 г. Ньютон построил второй усовершенствованный рефлектор, послуживший поводом к избранию его членом Королевского общества.

Прочитанный Ньютоном мемуар об открытиях в оптике вовлек его в полемику с Робертом Гуком (1635-1703), официальным экспериментатором Королевского общества. Гук в докладе, представленном обществу, и в книге «Микрография» становится на точку зрения волновой теории и высказывает мысль о поперечности световых волн. Раздраженный полемикой, Ньютон принял решение ничего не публиковать по оптике до тех пор, пока жив Гук, и выполнил это решение. Кроме первых двух оптических мемуаров, повлекших за собой полемику с Гуком, Ньютон не публиковал ничего  до 1704 г., когда была издана его «Оптика».

Астроном Галей понял, что идея Гюйгенса о существовании центростремительной силы позволяет объяснить динамику движения планет, и пытался ее разработать. В ходе работы он встретился с большими трудностями и обратился к Ньютону. Ньютон показал ему рукопись, в которой проблема, волновавшая Галлея, была полностью решена. Галлей стал настойчиво убеждать Ньютона опубликовать свой труд. Ньютон долго не соглашался. Только с помощью влиятельных лиц в Кембридже Галлею удалось сломить сопротивление Ньютона. В конце концов знаменитые «Математические начала натуральной философии» Ньютона вышли в свет в 1687 г., спустя 144 года после того, как Коперник опубликовал свою систему мира. Эта система получила динамическое обоснование и стала прочной научной теорией. Одновременно было завершено начатое Галилеем дело создания новой механики. Три закона Ньютона завершают труды Галилея, Декарта, Гюйгенса и др. ученых по созданию классической механики и вместе с тем создают прочную основу для плодотворного ее развития.

С приходом к власти Вильгельма Оранского в 1688 г. Ньютон был избран депутатом парламента от Кембриджа.

Назначенный смотрителем Монетного двора, Ньютон в короткий срок перечеканил монету, способствовал тем самым оздоровлению финансов страны. В 1699 г. он назначается директором Монетного двора, а в 1703 г. был избран президентом Королевского общества. Окруженный почетом и славой Ньютон провел свои последние годы жизни в Лондоне, где умер в 1727г. и захоронен в Вестминстерском аббатстве.

Ньютон и Лейбниц разработали общий метод решения задач. Ньютон назвал свой метод исчислением флюксий, именуя этим термином то, что мы ныне подразумеваем под производной. Саму переменную Ньютон назвал флюентой (текущей).

Интересно, что в «началах» Ньютон не пользуется своим методом, а доказывает свои предложения геометрическим способом и с помощью метода предельных отношений.

Основной результат своих спектроскопических исследований Ньютон сформулировал так: «Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях».

Таким образом, по Ньютону, у светового луча имеется объективная, неизменная характеристика (цвет), которую он охраняет при отражении и преломлении. В другом месте Ньютон, что эта характеристика не может быть изменена какой-либо иной причиной, которую он мог наблюдать.

Из своих исследований Ньютон сделал важный практический вывод о существовании хроматической аберрации, которую он ошибочно считал неустранимой. Им были введены в астрономию телескопы –рефлекторы.

Ньютон был первым в мире, открывшим периодичность в световых явлениях. Он установил, что для каждого цвета имеется своя длина, на которую изменяется толщина воздушного клина, когда одно цветовое кольцо заменяется другим того же цвета. Следует признать. Ньютон определил длину волны весьма точно.

Ньютон исследовал также явление дифракции и, описав достаточно точно радужные полосы на внешних границах тени волоса, не заметил внутренней светлой полосы.

Ньютон постоянно обсуждает две концепции: корпускулярную и волновую, Волновая теория ему кажется неспособной справиться с противостоящими ей огромными трудностями.

Ньютон был первым строгим критиком волновой теории, рассматривающей свет как механические волны в особой среде, которая со времени Гюйгенса стала называться световым эфиром. Мысль же о том, что световые волны могут быть другой, не механической природы, ему в то время не могла прийти в голову.

При всем различии оптики Ньютона и Гюйгенса у них есть одна существенная общая чета: оба они стремятся описать явление света в рамках механических представлений. Механика лежала в основе физических и философских воззрений XVII в.

Заслуга Ньютона состоит в том. Что он ввел во всеобщее употребление понятие массы и указал способы ее измерения.

Ньютон ввел и второе фундаментальное понятие механики: количество движения, определив его как меру движения, пропорциональную массе и скорости (II определение «Начал»).

Лейбниц указывал, что в явлениях природы сохраняется и другая мера движения. Так, если падающий груз производит деформирующее действие (таким образом, Галилей измерял скорости падения), то это действие пропорционально высоте падения и, следовательно, квадрату скорости, а так как оно к тому пропорционально и массе падающего тела, то движение, сообщенное деформированному телу, пропорционально произведению массы на квадрат скорости. Эту величину Лейбниц позже назвал «живой силой», отличая ее от «мертвой силы», силы давления неподвижного груза. Что величина mv сохраняется, было ясно еще Гюйгенсу, который опирался на закон сохранения величины mv  в своей теории упругого удара и в теории маятника.

Что же касается лейбницевской «живой силы», то она, как мы теперь знаем, является энергетической характеристикой движения и равна кинетической энергии 1/2 mv 

движущей точки.

       Итак, Ньютон ввел в механику фундаментальные понятия: массы, силы, количества движения (импульса). Стержнем ньютоновской динамики является понятие силы., а основная задача динамики сводится к установлению закона силы из данного движения и, обратно, определению закона движения тел по данной силе. Так, из закона Кеплера Ньютон вывел существование силы, направленной к Солнцу т обратно пропорциональной квадрату расстояния планет от Солнца. Тем самым Ньютон решил задачу физического обоснования системы Коперника. Одновременно он открыл существование в природе силы, которая обуславливает притяжение тел, в том числе Луны к Земле, и притяжение самой Земли, как и других планет, к Солнцу, т.е. силу всемирного тяготения.

       «Тяготение существует ко всем телам вообще и пропорционально массе каждого из них» (предложение VII).

«…Тяготение ко всей планете происходит и слагается из тяготений к отдельным частям ее..» (следствие 1).

       «Тяготение к отдельным равным частицам тел обратно пропорционально квадратам расстояний мест до частиц» (следствие 2).

       Так формулирует Ньютон свой знаменитый закон, который мы ныне выражаем компактной формулой: F= G …. Этим законом Ньютон дал точную динамическую основу всей системе Коперника и всей небесной механике, которая, развиваясь на этой основе, добилась огромных успехов.

 

 

Механика XVIII в.

«Начала» Ньютона были изложены тяжелым геометрическим языком. В превращении механики в аналитическую механику сыграла существенную роль плеяда блестящих математикой и механиков 18 века, в особенности петербургский академик Леонард Эйлер и парижский академик Жозеф Луи Лагранж (1736-1813).

«Механика» Эйлера вышла в Петербурге в 1736 г. в 2 больших томах.

Мы знаем, что Ньютон озаглавил свое сочинение «Началами натуральной философии», механикой в его время считалось учение о равновесии простых машин. Эйлер же впервые назвал механику наукой о движении, и полный перевод названия его труда в 1736 г. гласит: «Механика, или наука о движении, изложенная аналитически». В предисловии к этому труду Эйлер указывал, что под механикой обычно понимают науку о равновесии сил, и предлагал дать этой науке название «статика», а «науке о движении придать имя механики».

«Механика» Эйлера и была первым систематическим курсом ньютоновской механики. Эйлер рассматривает ньютоновское абсолютное пространство как удобную математическую абстракцию, полезную для описания механического движения тел.

Эйлер следует Ньютону и в определении основных понятий динамики – силы и массы. «Сила есть то усилие, которое переводит тело из состояния покоя в состояние движения или видоизменяет его движение». Отсуда в качестве следствия получентся закон инерции: «Всякое тело, предоставленное самому себе, или пребывает в покое, или движется равномерно и прямолинейно». Эйлер заранее предупреждает читателя, что он под словами «движение» и «покой», всегда подразумевает абсолютные движение и покой.Таким образом, в приведенной формулировке закона инерции следует иметь в виду движение и покой, отнесенные к абсолютному пространству.

Эйлер неоднократной обращался к вопросу об источнике сил и считал, что таким источником является движение непроницаемых инертных тел.

Эйлер формулирует предложение: «Сила инерции каждого тела пропорциональны количеству материи, из которого он состоит». Эйлер раскрывает знаменитое ньютоновское определение массы, вскрывает его атомистическую сущность и, подобно Ньютону, поясняет далее, что масса может быть измерена пропорциональным ей весом.

Еще в 1758 г. Эйлер написал уравнение вращательного движения твердого тела.

К 1744 г. механика обогатилась двумя важными принципами: принципам Даламбера и принципом Мопертюи-Эйлера. Основываясь на этих принципах, Лагранж построил законченную систему аналитической механики.

Лагранж порвал с геометрическими методами Ньютона и с гордостью заявлял, что в его «Аналитической механике» совершенно отсутствуют какие бы то ни было чертежи. «Я поставил себе целью, пишет Лагранж, - свести теорию механики и методы решения связанные с нею задач к общим формулам, простое развитие которых дает все уравнения, необходимые для решения каждой задачи».

Жозеф Луи Лагранж родился в 1736 г. В Турине. В 19 лет он стал профессором артиллерийской школы в Турине. Через 5 лет Лагранж был избран по представлению Эйлера членом Берлинской Академии наук.

Умер Лагранж в 1813 г. Его «Аналитическая механика» состоит из 2 основных разделов: статики и динамики.

В современной теоретической физике уравнения Лагранжа приобрели огромное значение, далеко выходящее за пределы механики. Они применяются в термодинамике, электродинамике, атомной физике. Таким образом, Лагранж создал мощный метод, позволяющий решать большой круг задач.

Оптика

Учение о теплоте развилось в 18 в. в тесной связи с химией и оптикой. Принцип Гюйгенса в 18 в. «не работал», вообще волновая теория света, несмотря на ее поддержку Ломоносовым и Эйлером, была оставлена.

Корпускулярная, «вещественная» теория света завоевала всеобщее признание.

Замети, что именно в 18 в. проявляется большой интерес к световым измерениям и именно отсюда датируется фотометрия. Причины этого, с одной стороны, лежат в практических потребностях. Вопросы освещения, в частности уличного освещения больших городов, устройство маячных фонарей, приобрели большое значение. Лавуазье занимался этими вопросами в Париже, Ломоносов принимал активное участие в устройстве парадных иллюминаций. Кулибин конструировал фонари.Измерение силы света различных источников и освещенности стало интересовать ученых.

Основателями фотометрии были француз Пьер Бугер (1698-1758), издавший в 1729 г. «Опыт градации света» и написавший «оптический трактат о градации света», и эльзасец И.Г.Ламберт (1728-1777), «Фотометрия», которая была издана в 1760г. В работе Бугера введены такие фотометрические понятия, как «световой поток», «сила света источника», «освещенность», «яркость». Бугер сконструировал простой фотометр. Он установил весьма важный закон поглощения света, согласно которому интенсивность светового потока убывает с толщиной поглощающего слоя по экспоненциальному закону.

Ламберт уточнил основные фотометрические понятия и соотношения, к закону зависимости освещенности от расстояния он добавил закон зависимости освещенности от угла наклона падающих лучей, сформулировал закон зависимости яркости источника от «угла истечения» света из источника. Этот закон Ламберта справедлив для абсолютно черного тела.

Фотометрия была важнейшим достижением оптики 18 в. Из других результатов следует отметить построение, вопреки мнению Ньютона, ахроматических объектов телескопов и труб и открытие аберрации света (Джеймс Брадлей,1728). Это последнее открытие дало новый метод определения скорости света и позже сыграло важную роль в развитии оптики движущихся сред.

Электричество и магнетизм

Научное исследование электрических и магнитных явлений началось с книги Гильберта, которому принадлежит и термин «электричество», произведенный от греческого названия янтаря.

Электрические явления, по Гильберту, коренным образом отличаются от магнитных.

Бойль, повторив опыты Герике с шаром, установил. Что наэлектризованное тело не только притягивает ненаэлектризованное, но и, в свою очередь, притягивается последним. Он показал, что электрические взаимодействия наблюдаются и в вакууме.

Ньютон в 1716 г. наблюдал искровой разряд между острием иголки и наэлектризованным телом. «Искра напоминала мне о молнии в малых, очень малых размерах», - писал Ньютон. Наконец, Стефан Грей в 1729 г. открыл явление электропроводимости тел и показал, что для сохранения электричества тело должно быть изолировано. Он наэлектризовал ребенка, сначала подвесив его на шнурах, сплетенных из волос, а затем поставив его га смоляной диск.

Опыты Грея обратили на себя внимание французского естествоиспытателя Шарля Дюфэ(1698-1739), создавшего первую теорию электрических явлений.

Дюфэ установил 2 рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. Этот закон Дюфэ опубликовал в Мемуарах Парижской Академии наук за 1733г.

Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус внесли существенный вклад в эту науку.

Георг Рихман родился в 1711 г. в г. Пярну в Эстонии. Он учился в германских университетах и и Петербургской Академии наук., в 1741 г. стал профессором академии. Существенно новым моментом в исследованиях Рихмана было то, что он «пытался подвергнуть измерению порождаемое электричество». Рихман описывал ряд опытов с различными весами и массами. Но потом он переходит к другому методу – методу электрического указателя – родоначальнику современных электрометров. Описание экспериментов Рихмана было опубликовано в «Новых Комментариях» Петербургской Академии наук за 1751 г. спустя 6 лет после начала опытов. Это была первая публикация по электричеству в России.

Электрометры были созданы во второй половине 19 столетия.

С помощью своего указателя Рихман открыл существование электрического поля вокруг заряженного тела, напряженность которого убывает с увеличением расстояния от тела «по некоторому, пока еще неизвестному закону», Таким образом, русскому ученому принадлежит честь открытия электрического поля и вполне определенное утверждение о зависимости действия этого поля от расстояния до источника поля. Этот закон был найден спустя 40 лет Кулоном.

Основоположник американской науки Бенджамин Франклин родился в семье бостонского мыловара в 1706 г. Большую роль сыграл Франклин в борьбе за независимость американских колоний(1775-1783) Он принимал активное участие в выработке конституции США, боролся за демократические принципы управления государством. Умер Франклин в 1790 г.

Франклин был одним из основателей науки этого государства, учредителем одного из первых университетов, первого научного общества –Филадельфийского философского общества. Первое место в научной работе Франклина занимали исследования по электричеству. Один из первых опытов Франклина заключался в электризации чугунного шара, помещенного на горлышке «чистой сухой стеклянной бутылки». Электризация исследовалась с помощью легкого пробкового шарика, подвешенного на шелковой нити, прикрепленной к потолку. Франклин установил в этом опыте действие проводящего острия, разряжающего шар, и светящегося в темноте при разряде.

Франклин показывает, что электрическая атмосфера обволакивает шар равномерно, с остриев ее легче отобрать, чем с граней. Он демонстрирует стекание стекание электричества с острия на различных опытах. Это же свойство было раньше открыто и исследовано Рихманом. Существенно. Что в теории Франклина электричество является субстанцией, которую нельзя создать или уничтожить, а можно только перераспределить. Закон сохранения электрического заряда – основное положение теории Франклина, предшественницы электронной теории.

Франклин высказал также гипотезу, что молния представляет собой разряд наэлектризованных туч. Он произвел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. Опыты Франклина и его идея громоотвода вызвали широкий резонанс, их повторяли в Европе.

Аналогичные наблюдения проводили Ломоносов и Рихман в Петербурге. Во время наблюдения грозы Рихман был убит молнией.

Рихман начал свои электрические исследования за 2 года до Франклина. Независимо от Франклина проводил «электрические наблюдения» и Ломоносов.

Рихман и Ломоносов не приняли теории Франклина. Ломоносов разрабатывал свою теорию электрических явлений, в которой сделал попытку объяснить электричество движением частиц эфира.

В 1759 г. в Петербурге вышла на латинском языке книга «Опыт теории электричества и магнетизма» академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724-1802). З а 2 года до выхода этой книги член Берлинской Академии наук Эпинус принял приглашение Петербургской Академии наук и заключил контракт на 5 лет. Однако он остался в России до конца своей жизни. В отличие от Гильберта, Эпинус ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом.

В основу своей теории Эпинус кладет представление об электрической и магнитной жидкостях, частицы которых взаимодействуют с материей и между собой притягательными и отталкивательными силами. Следуя примеру Ньютона, Эпинус не рассматривает природу этих сил, а описывает с помощью их экспериментальные факты.

По аналогии с электрическими явлениями Эпинус вводит для описания магнитных явлений магнитную жидкость.

В 1771 г. английский лорд Кавендиш впервые экспериментально показал, что силы взаимодействия электрических зарядов подчиняются закону 1/r, где n=2+1/50.

Генри Кавендиш (1731-1810) занимался физикой и химией в качестве «хобби», как сказал бы теперь. Он родился в знатной английской семье. Отец Генри был членом Лондонского Королевского общества. В 1749 г. Кавендиш поступил в знаменитый колледж Кембрийского университета Питерхаус.

Работы Кавендиша по теплоте продолжались с перерывами более 30 лет. Своими калориметрическими опытами он доказал, что в одинаковых условиях каждое вещество по-своему ведет себя по отношению к нагреванию. Этим выводом Кавендиш предвосхитил введение такого понятия, как удельная теплоемкость. С помощью тонких и точных экспериментов ему удалось продемонстрировать существование скрытой теплоты плавления и парообразования.

Кавендиш исследовал тепловое расширение тел, также влияние нагревания на ход химических процессов. Результаты своих исследований он опубликовал в ряде работ в журнале ЛКО «Философские записки».

Кавендиш независимо от Д.Резерфорда в 1772 г. открыл азот, но об открытии вовремя сообщение не опубликовал. Получили известность опыты Генри Кавендиша по выделению «горючего воздуха» - водорода. Мастерство Кавендиша в проведении количественных химических опытов привело его к установлению состава воды – важнейшему открытию, которое послужило экспериментальным обоснованием кислородной теории, созданной несколько позже А.Лавуазье.

В электростатике Кавендиш одним из первых использовал понятие емкости проводника (правда, такого термина он не применял). В качестве эталонной он выбрал емкость шара определенного радиуса, т.е. емкость у него имела размерность длины, как в современной системе единиц CGSE. Благодаря введению этого понятия он раньше других ученых смог проводить количественные измерения в области электричества.

Еще при жизни Кавендиша получили известность его опыты с электрическими рыбами, следствием которых стало создание «Искусственного» ската, В этих опытах ученый исследовал проводимость различных веществ и по существу предвосхитил результаты Ома, полученные почти 50 лет спустя.

Таким образом, Кавендиш в своих электрических исследованиях намного опередил время.

Научная деятельность Кавендиша резко контрастировала с господствовавшим тогда идеалом ученого-джентльмена, посвящающего любопытным опытам часы досуга. Одинокая фигура Кавендиша противостояла тенденции любительства в английской науке: он был полностью поглощен своими исследованиями.

Вся исследовательская деятельность ученого была подчинена стремлению к проведению опытов в возможно более «чистом» виде, т.е. чтобы на их результатах сказывалось как можно меньше побочных факторов.

Особенно хочется подчеркнуть новаторство Кавендиша в оценке точности опытов. В этом его исследования превосходят работу Ш.Кулона, который не пытался оценить точность определения показателя степени расстояния.

В 1766 г. он открыл водород и получил углекислый газ, он показал, что вода получается при горении водорода. Он с помощью крутильных весов определил постоянную закона тяготения и тем самым «взвесил» Землю. Одинокий, чудаковатый джентльмен, он неохотно публиковал свои работы, свои электрические исследования. Они оставались неизвестными до 1879 г., когда их опубликовал Максвелл, первый профессор лаборатории Кавендиша, открытой на средства потомка Генри Кавендиша в Кембридже в 1874 г.

Максвелл повторил опыты Кавендиша с электрометром Томсона и показал, что n может отличаться от 2 не более чем на 1/21600.

«Что касается скрытости Кавендиша,- писал в 1891 г. известный электрофизик Хефисайд, - то она совершенно не простительна; это грех». Этот «грех» стоил Кавендишу славы открывателя точного закона электрических взаимодействий, который навсегда вошел в науку под названием закона Кулона.

Французский военный инженер, а с 1781 г. член Парижской Академии наук Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) в 1777 г. исследовал кручение волос, шелковых и металлических нитей. Результатом этих исследований явилось открытие закона кручения:

= С Pl/r,

где - угол кручения, Р – закручивающая сила, l