Ампер

Выдвинутое еще в глубокой древности Демокритом учение о том, что все вещи состоят из мельчайших неделимых частиц — атомов, было применено к химии замечательным английским ученым Джоном Дальтоном. В 1808 году он опубликовал свое открытие в сочинении «Новая система химической философии». Исходя из того, что все вещества состоят из атомов — мельчайших частиц материи, обладающих определенным постоянным весом, — Дальтон пришел к выводу, что если два химических элемента — образуют между собою не одно, а два или большее число соединений, то различие их состоит в том, что на один атом одного элемента приходится в этих соединениях различное число атомов другого элемента. Отсюда легко сделать важное заключение, если перейти к весовым отношениям. Это заключение гласит: весовые количества одного элемента, приходящиеся на одну весовую часть другого, относятся между собою, как простые кратные числа соответственно числу атомов, вступивших между собой в соединение. Но «закон кратных отношений», установленный Дальтоном, страдал существенным недостатком: определяя относительное число атомов в каких-либо соединениях, он не давал никакого критерия для определения их абсолютного числа. Гипотеза Дальтона оказалась также неприменимой к законам, установленным французским ученым Гей-Люссаком, об отношении объемов реагирующих газов и газообразных продуктов реакции. Защищая свою гипотезу и не имея возможности увязать ее с законами Гей-Люссака, Дальтон выступил против Гей-Люссака. Только работы Авогадро и Ампера внесли ясность в проблему атомистического обоснования химии.

В 1811 году Авогадро и около этого же времени Ампер выдвинули, независимо друг от друга, гипотезу, которая стала одним из краеугольных законов физики и химии. Эта замечательная гипотеза, столь же смелая, как и простая, была строго доказана и подтверждена только в значительно более позднее время. Она гласит: в равных объемах всех газов содержится при одинаковых условиях равное число молекул. Нам известно теперь это число: для одного кубического сантиметра газов оно примерно равно единице с девятнадцатью нулями. Если вспомнить, что размеры атома ничтожно малы, — его диаметр имеет величину порядка одной стомиллионной доли сантиметра, что пересчитать атомы непосредственно, конечно, нельзя как в силу ничтожных размеров, так и в силу грандиозного числа их в единице объема, то станет очевидной смелость и решительность гипотезы Авогадро и Ампера. Но гипотеза эта, хотя она и разрешала все трудности, связанные с применением теории Дальтона к законам Гей-Люссака и открытиям других химиков, не получила признания современников. Это объясняется может быть, тем, что новая гипотеза исходила не от химиков-экспериментаторов, а от теоретиков, которые делали свои выводы на основании готовых чужих опытов. Против гипотезы Авогадро и Ампера выступили, между прочим, Дальтон и Гей-Люссак, хотя они и критиковали ее с различных позиций.

Развитие физики и химии в течение XIX века показало всю исключительную прозорливость Авогадро и Ампера, поскольку атомная теория имела в их гипотезе известную базу для своих численных определений.

В 1807 году Ампер был назначен профессором Политехнической школы. Немедленно после его назначения он был избран приемным экзаменатором, а затем назначен генеральным инспектором университета. Это несколько улучшало материальное положение Ампера и приободрило его. Но сама по себе работа инспектора, которой Ампер очень дорожил, потому что она давала основную часть его небольших доходов, была неприятной и нудной. Ампер должен был контролировать расходы коллежей, присутствовать на учебных занятиях, экзаменовать учеников. Его отношения с чиновниками, с которыми ему приходилось иметь дело, быстро стали враждебными. Огромное количество бумажной переписки, постоянные инспекторские разъезды отрывают Ампера от научной работы. Только необходимость в хлебе насущном не позволяет ему отказаться от этой должности. Правда, творческий ум Ампера не переставал работать и во время поездок. Он даже завел манеру называть свои научные открытия именем тех мест, где они были сделаны. Так возникли: «теория авиньонская», «марсельская пропозиция», «доказательство гренобльское», «теорема Монпелье». Но дорожные тяготы сильно ухудшили его и без того не очень крепкое здоровье. Семейная жизнь Ампера по-прежнему остается неупорядоченной. Его небольшое хозяйство ведет теперь сестра, приехавшая к нему из Лиона.

Назначение Ампера профессором математики сыграло в его жизни важную роль, усилив его творческую активность в области математических наук. В ближайшее время он разрабатывает ряд математических проблем, которые представляют собою значительный интерес. Эти работы послужили также основанием для избрания Ампера в члены Французского института. Математические работы Ампера затрагивают очень важные темы чистой и прикладной математики.

Для Ампера математика никогда не была самоцелью. Он всегда рассматривал ее как мощный и гибкий аппарат для решения и анализа тех или иных проблем науки о природе или технике. Первая математическая работа Ампера, посвященная теории вероятностей, точно также носила прикладной характер. Интересно отметить, что в 1809 году Ампер получил возможность практически применить свои обширные познания в области теории вероятностей. Правительство разрабатывало план постройки убежищ для стариков. Чтобы учесть необходимые затраты, надо было определить, сколько в среднем в год будет людей, нуждающихся в таком убежище. Правительство предложило этот вопрос Институту, и непременный секретарь его Деламбр, знакомый с работами Ампера в области теории вероятностей, предложил ему произвести все нужные вычисления. Сделанные Ампером вычисления не встретили никаких возражений. Эта возможность применить познания на практике доставила Амперу большое удовлетворение.

Большинство его зрелых математических работ касается либо тех отделов математики, прикладной характер которых совершено ясен, либо тех или иных приложений математики к механическим или физическим проблемам. Так, заинтересовавшись вопросом об основах механики, Ампер разрабатывает новый метод доказательства так называемого «принципа или начала возможных перемещений».

«Принцип возможных перемещений» является одним из основных принципов теоретической механики. Как известно, механика распадается на статику, изучающую законы равновесия тел, кинематику, изучающую геометрические свойства движения, и динамику, изучающую движение тел в связи с силами, которые его производят. Существует целый ряд общих принципов механики, которые объединяют эти отделы в некотором общем выражении. Рассматривая перемещение какого-либо тела, мы видим, что оно определяется не только действующими на тело силами, но и условиями, ограничивающими свободу его движения. Эти условия, ограничивающие свободу движения данного тела, называются обычно связями. Таким образом, перемещение тела определится действующими на него силами и существующими связями. Значение принципа возможных перемещений и состоит как раз в том, что оно устанавливает общий метод для вывода уравнений движения тел (дифференциальных уравнений) при какой угодно системе связей. Это колоссально расширяет круг могущих быть рассмотренными задач. Математики и механики приложили много труда, чтобы доказать этот принцип. Однако эти доказательства, которые строили Лаплас, Лагранж и другие ученые, всегда основывались на различных гипотезах о природе сил (так называемых реакций), вызываемых связями. Надо сказать, что в гипотезах всегда имеется известный элемент произвола. Поэтому этот принцип надо рассматривать как принцип, который находит свое обоснование в том, что выводимые из него уравнения перемещений или равновесия тел всегда подтверждаются на опыте. Принцип возможных перемещений был отчетливо сформулирован в конце XVIII века, а в начале XIX века многие ученые работали над тем, чтобы дать его доказательства. Одно из таких доказательств было предложено Ампером. Несмотря на свое остроумие, доказательство Ампера имеет ныне только исторический интерес. Однако весь комплекс работ Ампера по проблемам механики значительно обогатил эту науку.

Ампер принимает развитую его другом Френелем волновую теорию света. Но Френель не дал полного математического анализа основного понятия своей теории — волновой поверхности. Ампер берется за эту задачу и дает стройное, хотя и несколько сложное решение ее.

Продолжая размышлять над проблемами механики, курс которой Ампер читал в Политехнической школе, он пишет работу об одной из проблем того отдела механики, который изучает вращение твердого тела вокруг какой-либо его оси.

Механика в целом распадается на три отдела в зависимости от того, движение каких тел изучается. Соответственно этому возникает: механика твердого тела, механика жидкостей — гидромеханика, и аэромеханика. Отдел теоретической механики, изучающий движение, связанное с упругостью тел, — колебания и волны, — разросся ввиду своего значения в самостоятельный раздел. Некоторые другие части механики тоже выросли в большие научные области. Все они представляют как бы отпочкования и разветвления общей механики. Механика твердого тела изучает ряд проблем движения твердого тела (например, механического шара или камня), рассматриваемого как единое, неизменное целое. Одной из таких проблем является исследование законов вращения твердого тела вокруг какой-либо его оси. Каждый знает любопытные свойства волчка, практические применения которых имеют весьма большое распространение в виде так называемых гироскопов. Каждый слышал о том, что массивный стальной маховик, приведенный в слишком быстрое вращение, разрывается. Все эти и многие другие вопросы и изучает механика твердого тела. Ее практическое значение очень велико. Она представляет собою один из интереснейших отделов теоретической механики. Решение задач механики твердого тела наталкивается на серьезные математические трудности. Преодоление этих математических трудностей, нахождение наиболее простых и удобных методов решения задач механики твердого тела представляло собою проблему, которой занимались многие крупнейшие ученые-математики. В разработке этих методов принял участие и Ампер, написавший работу, весьма сочувственно встреченную учеными того времени. Отдельные моменты этой объемистой работы не утратили своего значения и до нашего времени и вошли в состав механики твердого тела как ее необходимый элемент. Затем он печатает большую работу, в которой рассматривает применение в механике нового математического метода — вариационного исчисления, незадолго до того разработанного Эйлером и Лагранжем.

Значение развитых Ампером математических методов было как следует оценено только в середине XIX века, когда начало выясняться огромное значение для механики так называемой «теории преобразования».

Эта сложная математическая теория представляет собою один из наиболее глубоких отделов теоретической механики. Как известно, теоретическая механика зиждется на. трех основных законах Ньютона. Первый, из этих законов определяет свойство инерции, состоящее в том, что изолированное от каких-либо внешних воздействий тело движется равномерно и прямолинейно до тех пор, пока на него не действует никакое другое тело. Второй закон выражает связь силы и вызываемого ею ускорения, устанавливая, что ускорение пропорционально силе и направлено с ней по одной прямой. Третий закон гласит о том, что всякое действие силы имеет равное и противоположно направленное противодействие. Эти три закона образуют основу механики. Но ведь механика — наука, которая выражает явления природы в количественной форме и позволяет нам рассчитывать механические свойства механизмов, машин, конструкций. и сооружений. Поэтому если мы воспользуемся этими тремя законами и запишем второй закон в математической форме, что f — mw, где f — сила, действующая на данное тело, m — масса телa, a w — ускорение движения этого тела, то это дает нам возможность решать разнообразные механические задачи. Конечно, для решения сложных задач, в которых движение тел изменяется непрерывно и налицо ряд усложняющих условий, мы должны придать этому уравнению более сложную форму, воспользовавшись дифференциальным исчислением. Тогда мы получим основное уравнение механики в его обычной математической форме. В течение XVIII, XIX и протекшего отрезка XX века ученые разработали значительное количество самых разнообразных математических методов, которые делают механику в высшей степени тонким и гибким способом решения теоретических и практических задач, часто весьма большой сложности. Механика в современном ее виде является одной из прекрасно и многосторонне разработанных наук. В сложной и внутренне связанной системе математически формулированной механики «теория преобразования» является одним из центральных моментов. Эта теория имеет огромное значение не только для механики, но и для других отделов современной физики, как, например, для той части теории атома, которая называется «волновой механикой», для теории относительности, электродинамики и т. п. Таким образом, «теория преобразования» представляет собою вершинную часть теоретической механики, значение которой, простирается и за пределы этой науки. Эту важную область и обогатил Ампер своими научными работами.

Из числа разнообразных математических методов наибольшее значение для решения физических задач имели дифференциальные уравнения в частных производных. Собственно говоря, математическая физика исчерпывалась пятью-шестью типами таких уравнений, но решение их равносильно решению той или иной физической проблемы и представляет значительные математические трудности. Над преодолением этих трудностей бились многие крупнейшие математики. Ампер также представил Французской академии большую работу на эту тему. В этой работе он дал целый ряд методов и теорем, которые вошли составным элементом в теорию дифференциальных уравнений в частных производных.

Уже перечисленного достаточно, чтобы увидеть, насколько солидны заслуги Ампера в области математики. Но кроме этих работ, он опубликовал еще несколько математических исследований, и в электродинамике дал неувядаемый образец применения математики к физическим проблемам.

Мы не имеем возможности излагать здесь содержание чисто математических работ Ампера. Они относятся к весьма отвлеченным и тонким отраслям математического анализа. Отметим лишь, что они имели весьма большое значение в развитии высшей математики.

Именно в качестве математика Ампер был выбран в члены Французского института — этого высшего ученого учреждения Франции. До 1789 года во Франции было пять отдельных академий. Конвент вынужден был упразднить их «как учреждения аристократического характера, позорящие науки и ученых».

В 1795 году Директория учредила Национальный институт наук и искусств, который должен был «совершенствовать науки и искусства». Пять отделений Института получили уже при Людовике XVIII название академий. Выборы новых членов производились по освобождении мест за смертью членов академии.

В то время по разделу математических наук членами Института являлись: Лагранж, Лаплас, Лежандр, Боссю и ряд других.

В 1813 году умер Лагранж. 11 апреля 1813 года Ампер пишет Бредену: «Мне сообщили о смерти Лагранжа… Итак, вот вакантное место в Институте… Мне нужно будет выступить в качестве соискателя… Нужно будет сделать целых шестьдесят визитов… Я буду день и ночь работать над мемуаром. Скажи об этом Балланшу и Депре, но больше никому, чтобы мне не оказаться лишний раз посмешищем».