Акустика образует ветвь механики, которая, однако, особенно сначала, развивалась довольно самостоятельно. Уже в древности знали, что чистые тона в противоположность шумам основаны на периодических колебаниях источника звука. Пифагор (570-496 до н. э.) знал, кроме того, может быть из египетских источников, что длины струн, которые настроены на гармонические интервалы - октавы, квинты и т. д., при прочих одинаковых условиях относятся между собой, как 1:2, 2:3 и т. д. Значение, которое пифагорейцы приписывали числам в своей философии, связано, несомненно, с глубоким впечатлением, которое на них произвело это открытие. Изобретатели органов, широко распространившихся в IX столетии н. э., знали соответствующее правило у органных труб. Но акустическая наука в явной форме еще не участвовала в развитии музыкального искусства в течение двух тысячелетий после Пифагора. Лишь Галилей дал также и здесь решающий толчок для дальнейшего. В упомянутых «Discorsi» 1638 г. он устанавливает частоту как физический коррелат ощущения высоты тона. Он характеризует относительную высоту двух звуков посредством отношения их частот и выводит зависимость частоты колебаний струны от длины, напряжения и массы. Он наблюдал возбуждение колебаний посредством резонанса и объяснил это явление; он также показал особенность стоячих волн на поверхности воды в сосудах, производя колебания посредством трения. Еще дальше пошел его бывший ученик Марен Мерсенн (1588-1648): ему удалось почти в то же время, а именно в 1636 г., дать первое абсолютное определение числа колебаний, измерить скорость звука в воздухе, а также открыть, что струна в большинстве случаев одновременно с основным тоном дает еще гармонические обертоны. Жозеф Совер (1653-1716) сделал те же наблюдения над органными трубами, изучил сущность биений, а также установил на струнах положение узлов и пучностей посредством еще теперь применяемого бумажного «наездника».
Отто Герике доказал экспериментально, что звук, в отличие от света, распространяется не в пустом пространстве. Зависимость скорости звука от сжимаемости и плотности воздуха определил Ньютон в своих «Принципах», хотя его формула была подтверждена опытом лишь тогда, когда в 1826 г. Лаплас заменил изотермическое сжатие адиабатическим. Математическая обработка механики в XVIII столетии была полезна также для акустики. Выдающийся экспериментатор Эрнст Фридрих Хладни (1756-1827) в 1802 г. противопоставил давно известным поперечным колебаниям струн и стержней продольные и крутильные колебания, сделал видимыми в своих «звуковых фигурах» узловые линии колеблющихся пластинок и измерил скорость звука не только в воздухе, но и в других газах. Проводимость звука жидкостями долгое время оспаривалась из-за мнимой их несжимаемости, несмотря на прямое наблюдение, сделанное в 1762 г. Вениамином Франклином (1706-1790). Но в 1827 г. Жан Даниэль Колладон (1802-1892) и Якоб Франц Штурм (1803-1855) дали убедительное доказательство распространения звука в воде, определив скорость звука в Женевском озере и найдя ее равной 1,435 • 105см/сек.
В дальнейшем в течение XIX столетия физическая акустика все больше превращалась в учение об упругих волнах. Из оптики в нее были введены идеи интерференции, диффракции и рассеяния на препятствиях. Принцип Допплера, возникший в 1842 г. как оптическая идея (гл. 6), нашел свое первое подтверждение в изменениях высоты тонов, которые воспринимаются, например, в момент, когда свистящий паровоз, пройдя мимо, начинает удаляться. Аналитический метод Фурье (гл. 7), созданный первоначально для решения проблемы теплопроводности, применялся с огромным успехом для изучения звуковых волн, тем более, что разложение любого периодического колебания на колебания синусоидальные соответствует непосредственной психологической реальности; как установил в 1843 г. Симон Ом (1787-1854), ухо может воспринять эти колебания в отдельности. Если же это не удается из-за врожденной недостаточности или недостаточного упражнения, то эти синусоидальные колебания определяют тембр звучания в смеси тонов, как это подчеркнул Гельмгольц в своем «Учении о звуковых ощущениях» (1862).
Большие технические задачи встали перед акустикой после того, как в 1861 г. Филипп Рейс (1834-1874) и в 1875 г. Александр Грехем Белл (1847-1922) изобрели телефон, а в 1878 г. Давид Юз (1831-1900) существенно улучшил микрофон Рейса. После этого возникла возможность более совершенной передачи человеческих голосов и музыкальных звуков. Передача звука электрическими волнами, плод мировой войны 1914-1918 гг., значительно усилила роль этой новой области технического применения - электроакустики. К этой же области относится фонограф, изобретенный в 1877 г. Томасом Альва Эдисоном (1847-1931).
Во время той же войны Поль Ланжевен (1872-1946), используя пластинки пьезокварца, нашел способ получения в воде звуковых волн с числом колебаний высокого порядка - 100 000 в секунду, следовательно, далеко за пределами слышимости. Этот «ультразвук» должен был служить для нахождения подводных лодок под морской поверхностью. Физика применила его впоследствии для изучения собственных колебаний твердых тел, для измерения скорости звука в газах и жидкостях в зависимости от числа колебаний и в других случаях. Известную роль он играет также в биологии.
ГЛАВА 3
ГРАВИТАЦИЯ И ДАЛЬНОДЕЙСТВИЕ
Исследование гравитации было теснейшим образом связано с возникновением механики. Эта проблема с глубокой древности занимает человеческий ум. Если оставить в стороне атомистику, то, пожалуй, можно сказать, что ни с одним вопросом физики не было связано столько спекуляций, сколько с вопросом о причинах силы тяжести. Тем, что мы действительно об этом знаем, мы обязаны людям, которые ограничивались вопросом: как она действует? Дальше всех здесь пошел Галилео Галилей (1564-1642), который просто допустил, что вблизи земной поверхности тела получают постоянное ускорение, направленное вертикально вниз. Этого было достаточно для вывода его законов падения. Сюда относится также знаменитое ньютоновское «Hypoteses non fingo» в конце его «Principia». Но оба придавали величайшее значение тому, что все тела испытывают одинаковое ускорение, и проверяли это не только в случае свободного падения, но также тогда, когда устанавливали независимость периода маятника от природы колеблющегося тела. Единственно мыслимой противоположностью этого является представление о том, что сила тяжести пропорциональна «тяжелой массе», отличной от инертной массы. Равенство обеих масс является одной из замечательных черт теории тяготения.
Мысль о том, что тяготение не ограничивается частью пространства вблизи Земли, но представляет собой всеобщее свойство материи и действует также между небесными телами, довольно стара. Можно указать на наличие предчувствия этого, например, у Николая Коперника (1473-1543) и Р. Гука. Большим уважением пользовалось в течение XVII столетия - и даже у некоторых людей до конца XVIII столетия - учение великого философа Рене Декарта (1596-1650), который не признавал пустого пространства, считая его «contradictio in adjecto», представлял себе межзвездное пространство наполненным жидкостью, находящейся в вихревом движении и увлекающей за собой плавающие в ней планеты. Ньютон посвятил значительную часть своих «Принципов» гидродинамическому опровержению этой теории.
Когда мы спрашиваем о происхождении закона тяготения, названного по имени Ньютона (сила тяготения пропорциональна массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними), то мы можем назвать следующую плеяду ученых: Тихо Браге (1546-1601), которому мы обязаны точными, последовательно проведенными сериями наблюдений над положениями планет; Иоганн Кеплер (1571-1630), который вывел отсюда три названных по его имени закона (эллиптический характер траекторий, равенство площадей, описанных в равные времена радиусом-вектором, и «квадраты времен обращения относятся как кубы больших осей»); он уже, разумеется, как и другие его современники, предполагал уменьшение силы с квадратом расстояния. Наконец, Исаак Ньютон (1643-1727), который доказал этот закон, вычислив на его основе ускорение силы тяжести на земной поверхности и ускорение, которое испытывает Луна; кроме того, он математически вывел законы Кеплера из закона тяготения и своего общего закона движения. Закон по праву носит его имя. Никто из его предшественников не мог математически вывести законы Кеплера и исследовать небольшие отклонения, вызываемые взаимными возмущениями планет, объяснить аномалии движения Луны и сделать понятной их связь с приливами и отливами. Впечатление, которое произвели исследования Ньютона на современников, было огромным. И это вполне понятно. Ведь раньше положения планет считались непосредственным изъявлением божьей воли, а это открытие одним ударом устранило столь почитаемую прежде астрологию. Ничто так не укрепило уважения к молодой физике, как вычисление Ньютоном путей планет. С тех пор естествознание стало огромной духовной силой, которую никакая другая сила не могла безнаказанно игнорировать.
