Наука в XIX веке. Электромагнитная картина мира.

Блок 6. Наука и техника в XIX веке.

В XIX веке объем накопленной научной информации требовал более узкой специализации среди ученых. На смену энциклопедистам то есть специалистам широкого профиля пришли узкие специалисты физики, механики, биологи, генетики и т. д.

В начале XIX века интенсивное развитие получила химия. Она была разделена на органическую и неорганическую. Очень популярны были так называемые химические шоу, где широкой публике демонстрировали наиболее живописные химические реакции. Такие представления проводил британский химик Гемфри Дэви, во время которых часто импровизировал. Так, проводя представление, в 1806 г. он нагрел поташ (то есть карбонат калия K2CO3) и пропустил через него электрический разряд. В результате появилось светящееся фиолетовым светом вещество. Дэви назвал его «потасий». В 1809 году Луис Вольф Гилберт предложил название «калий» (лат. kalium, от араб. аль-кали – поташ). Позже Дэви открыл еще девять химических элементов, а также выявил анестезирующее свойство закиси азота (Оксид азота N2O), названной им веселящим газом. Вдыхание газа этого прекращало зубную боль.

В 1808 г. Жозеф Гей-Люссак сформулировал так называемый закон объемных отношений, согласно которому соотношение между объемами реагирующих газов выражается простыми целыми числами. Например, 2 объема водорода соединяются с 1 объемом водорода, дают 2 объема водяного пара; 1 объем хлора соединяется с 1 объемом водорода, дают 2 объема хлороводорода и т.д. Этот закон в то время мало что давал ученым, поскольку не было единого мнения о том, из чего состоят частицы разных газов. Не существовало и четкого различия между такими понятиями как атом, молекула, корпускула (устаревший термин для обозначения мельчайшей частицы материи или эфира, Сейчас слово корпускула заменяют на слово молекула или атом).

В 1811 г. Амедео Авогадро, тщательно проанализировав результаты экспериментов Гей-Люссака и других ученых, пришел к выводу, что закон объемных отношений позволяет понять, как же «устроены» молекулы газов. «Первая гипотеза, – писал он, – которая возникает в связи с этим и которая представляется единственно приемлемой, состоит в предположении, что число составных молекул любого газа всегда одно и то же в одном и том же объеме...» А «составные молекулы» (сейчас мы их называем просто молекулами), по мысли Авогадро, состоят из более мелких частиц – атомов.

Тремя годами позже Авогадро изложил свою гипотезу еще более четко и сформулировал ее в виде закона, который носит его имя: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул...» Это добавление было очень важным: оно означало, что можно, измеряя плотность разных газов, определять относительные массы молекул, из которых эти газы состоят. Действительно, если в 1 л водорода содержится столько же молекул, что и в 1 л кислорода, то отношение плотностей этих газов равно отношению масс молекул. Авогадро особо отмечал, что молекулы в газах не обязательно должны состоять из одиночных атомов, а могут содержать несколько атомов – одинаковых или разных. Во времена Авогадро его гипотезу невозможно было доказать теоретически, так что она была оставлена в стороне и скоро забыта; но затем химики самой логикой их исследований, незаметно для них, были приведены к той же теории. После того, как гипотеза Авогадро стала общепризнанной, ученые получили возможность не только правильно определять состав молекул газообразных соединений, но и рассчитывать атомные и молекулярные массы. Эти знания помогали легко рассчитать массовые соотношения реагентов в химических реакциях. Количество вещества, численно равное относительной молекулярной массе, но выраженное в граммах, назвали грамм-молекулой, позже – молем.

В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев открыл периодический закон химических элементов и представил его содержание в виде таблицы. Это позволило уточнить характеристики уже известных химических элементов и предсказать какие свойства будут у еще не открытых.

В XIX веке главной проблемой тропических колоний была малярия и переносившие ее комары. Единственным лекарством от малярии была кора хинного дерева, которой остро не хватало. Попытки получить искусственный хинин вывели химию на новый уровень. В 1856 г.  Уильям Перкин также пытался синтезировать лекарство от малярии. Он взял анилин (C6H5NH2,), серную кислоту, и дихромат калия (K2Cr2O7), смешал их с каменноугольной смолой (каменноугольный дёготь, один из продуктов коксования). Полученную субстанцию подверг дестиляции. Созданный таким образом порошок не мог лечить малярию, но был способен окрашивать ткань в пурпурный цвет. Это был первый синтетический дешёвый и надёжный краситель, названный мовеин. Который принес прибыль самому изобретателю.

Именно  Уильям Перкин считается основателем химической промышленности.

В биологии с1859 года утвердилось эволюционное учение Чарльза Дарвина. Сущность этого учения заключается в следующих основных положениях:

1. Все виды живых существ, населяющих Землю, не были созданы Богом а возникли естественным путём.

2. Возникнув естественным путем, органические формы медленно и постепенно преобразовывались и совершенствовались в соответствии с окружающими условиями.

3. В основе преобразования видов в природе лежат такие свойства организмов, как изменчивость и наследственность, а также постоянно происходящий в природе естественный отбор. Естественный отбор осуществляется через сложное взаимодействие организмов друг с другом и с факторами неживой природы; эти взаимоотношения Дарвин назвал борьбой за существование.

4. Результатом эволюции является приспособленность организмов к условиям их обитания и многообразие видов в природе.

Теория эволюция Дарвина бежала впереди фактов, как и предыдущая теория трансформации Бюфона. К началу ХХІ первого века так и не было найдено надёжных доказательств этой теории. Сейчас теорию эволюции пересматривают, находя в ней всё больше и больше несоответствий. Тем не менее, под влиянием дарвинизма в широких масштабах проводилось изучение ранее неисследованных районов земной суши и Мирового океана.

С 1856 Грегор Мендель начал проводить в монастырском садике хорошо продуманные обширные опыты по скрещиванию растений (прежде всего среди тщательно отобранных сортов гороха) с целью выяснения закономерностей наследования признаков в потомстве гибридов. В 1865 на двух заседаниях Брюннского общества естествоиспытателей Мендель доложил результаты своей работы. В 1866 в трудах общества вышла его статья «Опыты над растительными гибридами», которая заложила основы генетики как самостоятельной науки. Это редкий в истории знаний случай, когда одна статья знаменует собой рождение новой научной дисциплины. К сожалению, современники не оценили по достоинству его открытия и вспомнили о них только в начале ХХ века.

Эпохальным можно назвать открытие вирусов в 1898 г., Мартином Бейеринком. Долгое время велись споры: о том, что такое вирусы, это живые организмы или нет. Наличие наследственной информации и способность размножаться позволяли причислить вирусы к живым, а отсутствие синтеза белка, клеточной структуры и невозможность самостоятельного развития вынуждало отнести их к неживым биологическим организмам. Позже их стали рассматривать как объекты, находящиеся на границе между живым и неживым мирами.

Благодаря успехам химии медицина пополнилась рядом новых препаратов. В лекарственном арсенале врачей появились широко известные ныне аспирин, пирамидон и другие средства.

Наряду с лечебной медициной развивается медицина профилактическая. Так, венский врач Игнац Земмельвейс  установил, что причина родильной горячки кроется в переносе заразного начала инструментами и руками медиков, ввел дезинфекцию и добился резкого сокращения смертности рожениц. Английский хирург Джозеф Листер предложил антисептический метод лечения ран, применение которого позволило резко уменьшить число осложнений при ранениях и оперативных вмешательствах.

С деятельностью Ильи Ильича Мечникова связаны переход к изучению роли самого организма в инфекционном процессе и выяснение причин возникновения невосприимчивости к заболеванию – иммунитета.

 Немецкие учёные Эмиль Беринг и Пауль Эрлих разработали химическую теорию иммунитета и заложили основы серологии – учения о свойствах сыворотки крови.

Разработанный Зигмундом Фрейдом и его учениками метод психоанализа позволил эффективно лечить фобии, истерию, неврозы и другие психические заболевания. Этот же метод стали применять для лечения «пограничных состояний» психики у здоровых людей. Так зародилась психология.

Во XIX веке из терапии выделяются новые научно-практические отрасли: педиатрия, невропатология и психиатрия. 

Новый период в развитии математики открывается созданием в 1826 г. новой, неевклидовой геометрии, называемой теперь геометрией Лобачевского. Источник, сущность и знание идей Лобачевского сводятся к следующему. В геометрии Евклида имеется аксиома о параллельных, утверждающая: «через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести не более чем одну прямую, параллельную данной». Многие математики пытались доказать эту аксиому, исходя из других основных посылок геометрии Евклида, но безуспешно. Лобачевский пришел к мысли, что такое доказательство невозможно. Утверждение, противоположное аксиоме Евклида, гласит: “через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести не одну, а по крайней мере две параллельные прямые”. Это и есть аксиома Лобачевского. По мысли Лобачевского, присоединение этого положения к другим основным положениям геометрии приводит к логически безупречным выводам. Система этих выводов и образует новую, неевклидову геометрию. В истории науки Лобачевского называют Коперником в математике. Геометрия Лобачевского оказалось совершенно необходимой для теории относительности, а так же для расчетов в космонавтике.

В области физики этого периода определились три основные направления: исследование строения веществ, изучение проблемы энергии и создание новой физической картины мира. Подготовленные работами предшествующего периода и побуждаемые требованиями материального производства, научные исследования в каждом из этих направлений привели к крупнейшим открытиям. Эти открытия не укладывались в рамки господствовавших до них естественнонаучных представлений.

Физикам того времени было хорошо известно, что если по проводнику идет ток, то вокруг проводника возникает электромагнитное поле. Майкл Фарадей поставил перед собой вопрос: «А нельзя ли при помощи магнитного поля создать электрический ток?» Он провел следующий опыт: замкнул гальванометр на соленоид (то есть цилиндрическая обмотка из провода, причём длина такой обмотки многократно превышает её диаметр.). В соленоид вдвигал и выдвигал постоянный магнит. При перемещении магнита было зафиксировано отклонение стрелки гальванометра, что означает возникновение индукционного тока. При увеличении скорости перемещения магнита по отношению к катушке отклонение стрелки увеличивается. Замена полюсов магнита вызывает изменение направления отклонения стрелки гальванометра. Отметим, что магнит можно оставить неподвижным и перемещать соленоид относительно магнита. Это привело к открытию электромагнитной индукции: внутри замкнутого при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, возникает электродвижущая сила индукции.

В 1831 году Майкл Фарадей построил наглядное устройство преобразования механической энергии в электрическую – диск Фарадея. Это был первый электрический генератор постоянного тока называемый униполярным.

Закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем, является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов. Закон гласит: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

 Наибольшее удивление же вызвал тот факт, что вращение магнита вместе с диском также приводило к появлению электродвижущей силы в неподвижной внешней цепи. Так появился парадокс Фарадея. Он был разрешен только в 1897 г., когда английский физик Джозеф Джон Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон, составную часть атома. Оказалось, что атом, который раньше рассматривался как неделимая последняя мера материи, сам состоит из более мелких частиц.

Идеи Майкла Фарадея развивал Джеймс Максвелл, который в 1856 г. разработал теорию электромагнитного поля. Он пришел к выводу, что электрическое и магнитные поля могут существовать в отсутствии какого-либо вещества. Электромагнитная волна является поперечной и распространяется со скорость 300 км/ч. Направления магнитной и электрической индукции взаимно перпендикулярны. Свет – это частный случай электромагнитной волны.

Долгое время теория Максвелла не подтверждалась экспериментально. Только в 1883 г. Генрих Герц создать прибор для излучения и приема электромагнитной волны.

Вершиной научной мысли ХІХ в. следует считать открытие законов термодинамики, которые позволили объединить такие разные понятие как нагревание пара, кипение воды, горение угля и многое другое одним понятием – энергия. Поиск дешевых и эффективных источников энергии стал основной проблемой человеческой цивилизации в следующем столетии.

В этот период были сделаны крупнейшие научные открытия, которые привели к пересмотру прежних представлений об окружающем мире. На место механистической картины мира пришла электродинамическая. Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля – сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Но нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Электромагнитная картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.