Научные труды М.В.Ломоносова в области физики

Наряду с исследованиями явлений  теплоты и света Ломоносов  уделял большое внимание изучению электрических явлений. В XVII-XVIII в. вопросы статического электричества были практически не изучены. В «Вольфианской экспериментальной физике», переведенной Ломоносовым на русский язык, по существу ничего не говорится об электричестве.

Современники Ломоносова, изучавшие  явления электричества, пользовались теми же методами, что и при исследовании тепловых процессов. Они и электричество  считали «невесомым флюидом», разновидностью какой-то мифической жидкости, переливающейся в электризуемое тело. Материалисту Ломоносову было чуждо представление о «невесомых жидкостях». Русский учёный объяснял электричество так же, как явления теплоты и света, движением мельчайших частичек эфира. В незаконченной рукописи «Теория электричества, изложенная математически», он писал: «Электрическая сила есть действие, вызываемое легким трением в чувствительных телах и состоящее в силах отталкивательных и притягательных, а также в произведении света и огня»¹⁰.

Ломоносову принадлежат  несколько работ, посвящённых исследованию атмосферного и статического электричества. Первые исследования он начал вместе со своим другом академиком Г. В. Рихманом, трагически погибшим 26 июля 1753г. при изучении грозового разряда. В 1752-1753 гг. Ломоносов и Рихман проводили наблюдения над атмосферным электричеством. 31 мая 1753г. Ломоносов писал И. И. Шувалову: «…без всякого чувствительного грому и молнии происходили от громовой машины сильные удары с ясными искрами и с треском, издалека слышным, что ещё нигде не примечено и с моею давнею теориею о теплоте и с нынешнею об электрической силе весьма согласно...»¹¹. По существу в этих строках изложено сообщение об открытии электрического поля в атмосфере.

Весь 1753 год Ломоносов  готовил сообщение академии наук о результатах этих работ по изучению атмосферного электричества. Публичное собрание Академии состоялось 26 ноября. На русском языке ломоносов прочел «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих». Его сообщение сопровождалось опытами с электрической машиной. «Слово о явлениях воздушных…» было опубликовано в академических изданиях, а затем в зарубежной научной литературе.

В конце декабря 1753г. Л.Эйлер писал  из Берлина по поводу речи Ломоносова: «Сочинение г.Ломоносова об этом предмете я прочел с величайшим удовольствием. Объяснения, данные им относительно столь внезапного возникновения стужи и происхождения последней от верхних слоев воздуха в атмосфере я считаю совершенно основательными… Прочие  предположения столько же остроумны, сколько вероятны, и свидетельствуют о счастливом даре г. автора к распространению истинного познания естествознания, чему образцы, впрочем, и прежде он представил в своих сочинениях»¹² .

Возникновение атмосферного электричества  Ломоносов связывал с восходящими  и нисходящими потоками воздуха, происходящими в результате различия давления и температур в верхних и нижних слоях атмосферы. Электрические заряды, вызывающие грозовые процессы, являются следствием трения частиц потоков воздуха. Учёный старался открыть закономерности возникновения электричества в атмосфере, чтобы потом использовать их в практике — «отвратить от храмин наших гром»¹³.

Ломоносов явился одним из основоположников опытного естествознания в России. Он высоко ценил данные эксперимента, обеспечивающие возможность более  глубокого познания явлений природы и разработки более правильных научных гипотез и теорий. Именно практику, эксперимент он считал лучшим средством для установления истины.

Выдающийся русский физик, друг и соратник Ломоносова по исследованиям  в области электрических явлений – Г.В.Рихман также был убежденным сторонником опытного знания. С 1744 г. Рихман возглавлял Физический кабинет Петербургской Академии наук, который по существу являлся старейшей в России физической лабораторией, важным центром развития физической науки. С самого начала своих исследований по электричеству (1745) Рихман уделил основное внимание количественному методу изучения электрических явлений. Он создал специальную экспериментальную установку, основу которой составляла электростатическая машина и два прибора, предложенные самим рихманом, предназначавшиеся для количественного определения величины электрического заряда. 

Ломоносов принимал деятельное участие в экспериментальных исследованиях Рихмана. Оба ученые впервые, использовав «указатель» Рихмана, предприняли попытку определения «градуса электричества», порождаемого молнией. В своих домашних лабораториях они соорудили так называемые «громовые машины», представляющие простые громоотводы, железный стержень которых соединялся не с землею, а с «указателями электричества». Ломоносов и Рихман понимали, сколь опасны эти исследования для жизни. Но устранить опасность, писал Рихман, может «лишь тот, кто путем многих предварительных опытов и наблюдений выяснил, почему и при каких обстоятельствах молния становится опасной… Очевидно, - заключает ученый, - что в нынешнее время и физикам представляется возможность проявить своего рода отвагу и смелость в рискованном деле»¹⁴. Аналогичного мнения придерживался и Ломоносов. В научном отчете за 1752г. он писал: «чинил электрические воздушные наблюдения с немалою опасностию»¹⁵.

31 мая 1753 г. Ломоносов писал И. И. Шувалову: «Без всякого чувствительного грому и молнии происходили от громовой машины сильные удары с ясными искрами и с треском, издалека слышным, что ещё нигде не примечено и с моею давнею теориею о теплоте и с нынешнею об электрической силе весьма согласно…». По существу в этих строках изложено сообщение об открытии электрического поля в атмосфере.  

Возникновение атмосферного электричества Ломоносов связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха, происходящими в результате различия давления и температур в верхних и нижних слоях атмосферы. Электрические заряды, вызывающие грозовые процессы, являются следствием трения частиц потоков воздуха. Учёный старался открыть закономерности возникновения электричества в атмосфере, чтобы потом использовать их в практике — «отвратить от храмин наших гром».

Изучая атмосферное электричество, Ломоносов обратил внимание на характер электрических разрядов, разделив их на три вида, отличающихся определёнными особенностями: «Первый в искре с треском, которая часто с излучению и, по разности материи, разного цвету примечена, особливо когда натуральная электрическая сила в металлический прут приведена была из облака. Второй род — шипящий и холодный пламень… без треску. Третий род — бледный и слабый свет, который в весьма редком воздухе или месте, воздуха отнюдь не имеющем, над ртутью в барометре показывается…». Соответствующие виды электрических разрядов Ломоносов наблюдал в природе. Явления молнии, сопровождаемые ударами грома, учёный называл первым родом электрического разряда. Ко второму он относил так называемые огни св. Эльма, появляющиеся иногда на острых концах, возвышающихся над землёй и водой предметов: башен, скал, корабельных мачт. Третьим родом электрических разрядов Ломоносов считал вечерние зарницы и северные сияния, возникающие в сильно разреженных верхних слоях атмосферы.

Как известно, первое практически  пригодное устройство для защиты зданий от ударов молнии, прообраз современного громоотвода, было предложено американским ученым В.Франклином в 1752г. это устройство  состояло из заостренного металлического стержня, возвышающегося над зданием и обязательно соединенного проволокой с землей для отвода электрического заряда в землю. Франклин доказал, что электрический заряд, получаемый путем трения, в принципе аналогичен заряду атмосферного электричества, т.е. имеет с ним только количественное различие. Исследования Франклина продолжил французский ученый Т.Ф.Далибар, которому удалось извлечь электричество из облаков во время грозы (с помощью воздушного змея) и получить электрические искры, похожие на разряд статического электричества. Об этих исследованиях сообщали журналы и газеты того времени, в том числе и «Санкт-петербургские ведомости». Ломоносов приветствовал смелые опыты Франклина и Далибара в своем «Письме о пользе Стекла», опубликованном в конце 1752г.

Методы грозозащиты, предложенные Франклином, встретили немало противников. Не только церковники, но и многие ученые считали установку громоотводов на городских и сельских зданиях крайне опасной затеей. Даже много лет спустя, в 1780-1784гг., во Франции проходил получивший широкую огласку судебный процесс против человека, установившего на своем доме громоотвод. Его обвинили в «притягивании» молнии на головы своих сограждан. И только блестящая защитительная речь мало в то время известного адвоката, а в будущем видного деятеля Французской революции – Максимильена Робеспьера позволила суду вынести оправдательный приговор¹⁶.

Гибель Г. В. Рихмана привела  к почти повсеместному прекращению  исследований грозового разряда. Представители  церкви и реакционеры от науки  торжествовали, видя в случившимся  божью кару. Однако Ломоносов в 1753г.  писал: «Не думаю, чтобы внезапным поражением нашего Рихмана натуру испытающие умы устрашались и электрической силы в воздухе законы изведывать перестали; но паче уповаю, что все свое рачение на то положат, с пристойною осторожностию, дабы открылось, коим образом здравие человеческое от оных смертоносных ударов могло быть покрыто»¹⁷.

В «Слове о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» Ломоносов говорил об изыскании «способов, дабы громовые удары отвращать или от них укрываться было можно». Поражаемость грозовым разрядом отдельных участков земной поверхности он связывал с состоянием атмосферы, прежде всего с ее температурой и влажностью, а также с проводимостью земных пород. Остановившись на методах укрытия от грозы, учёный описывал два способа «отвращения» громовых ударов, которые «не без успеху, как кажется, употреблены быть могут. Один состоит в выставленных и надлежащим образом подпертых электрических стрелах, другой в потрясении воздуха. Первым электрическую громовую силу отводить в землю, вторым электрическое движение в воздухе приводить в замешательство и в слабость»¹⁸.

Первый из упомянутых способов подтверждает изобретенный Франклином громоотвод, хотя ломоносов вначале не считал абсолютно необходимым устанавливать его на наиболее высоких зданиях и связывать с землею проводником электричества. Развивая второй способ борьбы с молнией, ученый рекомендовал «разбивать громовые тучи колокольным звоном» и как пишет он далее, «не токмо колокольным звоном, но и частою пушечною пальбою во время грозы воздух трясти не бесполезно, дабы он великим дрожанием привел в смятение электрическую силу и оную умалил»¹⁹ (следует заметить, что в наши дни взрывная волна артиллерийских снарядов и ракет используется для того, чтобы разогнать тучи и предотвратить дождь или град).

Широкое развитие в середине XVIII в. экспериментальных исследований в области электричества стимулировало попытки теоретического обоснования электрических явлений. Над этим работали не только отдельные учёные, но и научные учреждения. Не стояла в стороне и Петербургская Академия наук. В мае 1753г., по предложению Ломоносова, была объявлена конкурсная задача по теории электричества — «сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную её теорию»²⁰.

Уведомление о конкурсе и  его целях было подготовлено Ломоносовым. В нём отмечались некоторые недостатки существовавших теорий, в частности неоправданное смешение электричества с «огнём», обращалось внимание на необходимость объяснения природы проводников и изоляторов, указывалось на возможность существования «тончайшей электрической материи», которая беспрепятственно «сквозь скважины тел ходит».

Через два года Петербургская Академия получила 13 законченных исследований. Первой премии была удостоена работа Л.Эйлера, находившегося в то время в берлине. По существовавшим правилам члены петербургской академии наук не могли принять участия в конкурсе. Но соблазн поработать над интересной проблемой был столь велик. Что Л.Эйлер все же представил «Рассуждения о физической причине электричества», приписав эту работу своему сыну Иоганну. Однако после объявления результатов конкурса он сам же раскрыл вынужденную мистификацию²¹. В «Рассуждении…» Эйлера тонкой материей, создающей электрические силы, является эфир. Все электрические явления он объясняет упругостью эфира или, говоря более точно, нарушением равновесия в эфире при его проникновении в поры вещества. Проводники электричества, по мнению Эйлера, обладают открытыми порами, а изоляторы – закрытыми. При электризации происходит сгущение или разрежение эфира.

 Ломоносов не участвовал в конкурсе. Однако он стремился на базе накопившихся экспериментальных данных обосновать теорию электрических явлений. В апреле 1756г. он приступает к написанию диссертации под названием «Теория электричества, изложенная математически». В этой работе ломоносов, подобно Эйлеру, приписывает все электрические свойства материальной среде – эфиру. Однако он не согласен с эйлеровскрй статической моделью, объясняющей явления электричества лишь сгущением и разрежением эфира.  Электрические явления, по мнению учёного, основываются на вращении частичек эфира. Эта теория в своей основе является кинетической. «Электрические явления, — писал Ломоносов, — притяжение, отталкивание, свет и огонь — состоят в движении. Движение не может быть возбуждено без другого двигающегося тела»²². В последующей работе Ломоносов объяснял механизм электризации стекла посредством трения: «Через трение стекла производится в эфире коловратное движение его частиц... От поверхности стекла простирается оное движение по удобным к тому особливо водяным или металлическим скважинам»²³. Таким образом, электрические явления, подобно световым и тепловым, основоположник русской науки рассматривал как различные формы движения материальной субстанции — эфира.  

Эфирная теория электричества, разработанная  Ломоносовым, сыграла прогрессивную роль в развитии науки об электричестве. Ломоносов предвидел безграничные возможности, которые открывает электричество перед человечеством. В одном из прибавлений к «Вольфианской экспериментальной физике» он пророчески писал об электрических опытах, которые «великую надежду к благополучию человеческому показующие»²⁴