Итак, одновременно с лабораториями за границей в России появились физические лаборатории в Петербургском и Московском университетах. Но экономическая отсталость России, реакционность правительства мешали развитию лабораторий. Мизерность отпускаемых на нужды лабораторий средств, недооценка важности научных исследований вынуждали руководителей физических лабораторий вести постоянную борьбу за каждую комнату для экспериментальной работы, за каждый прибор, за каждого ученика, что отнимало много времени и сил.
И все же в таких условиях передовые русские физики Ф. Ф. Петрушевский, Д.А.Лачинов, М.П.Авенариус, Н.А.УМОВ, А.Г.Столетов, П.Н.Лебедев обогатили не только русскую науку, но и внесли фундаментальный вклад в развитие физики.
Второе начало термодинамики
Прогресс теплотехники не только стимулировал открытие закона сохранения и превращения энергии, но и двинул вперед теоретическое изучение тепловых явлений. Уточнялись основные понятия, создавалась аксиоматика теории теплоты, разрабатывались математические методы. Ведущую роль в основании теории тепловых явлений сыграли Р. Клаузиус, В. Томсон и другие ученые.
Рудольф Клаузиус родился 2 января 1822 г. в г. Кёслине. По окончании университетского курса в Берлине он был преподавателем в Артиллерийской школе. С 1855 г. он стал профессором в Высшей политехнической школе в Цюрихе, а затем в Цюрихском университете. С 1869 г. он переехал в Бонн, где и умер 24 августа 1888 г.
Статьи Клаузиуса по механической теории теплоты были изданы в 1867 г. В 1879-1891 гг. вышло второе, перера_-ботанное и дополненное, издание этой книги под заглавием «Die mechanische Warmetheorie» в трех томах. Второй том книги был посвящен механической теории электричества, третий — кинетической теории газов.
Первая статья Клаузиуса «О движущей силе теплоты» появилась в 1850 г. В ней он разбирает работу Карно (вслед за В. Томсоном) и, отказываясь от его концепции неуничтожаемости теплоты, считает, что надо сохранить основную часть его положения в виде нового принципа — второго начала, который Клаузиус формулирует следующим образом: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Клаузиус неоднократно в своих статьях разъяснял смысл выражения «сама собой». «Появляющиеся слова «сама собой», — писал он в «Статьях по механической теории тепла»,— требуют, чтобы быть вполне понятными, еще объяснения, которое дано мною в различных местах моих работ». Теплота в ряде процессов может перейти от холодного тела к теплому, но «тогда одновременно с этим переходом от более холодного к более теплому телу должен иметь место и противоположный переход теплоты от более теплого к более холодному, либо должно произойти какое-либо другое изменение, обладающее той особенностью, что оно не может быть обращено без того, чтобы не вызвать с своей стороны, посредственно или непосредственно, такой противоположный переход теплоты ». Клаузиус указывает, что такой противоположный процесс должен рассматриваться «как компенсация перехода теплоты от более холодного тела к более теплому», и дает новую формулировку принципа: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может иметь место без компенсации».
«Это предположение, выставленное мною в качестве принципа, — пишет Клаузиус в своем обобщающем труде, — встретило много возражений, и мне пришлось его неоднократно защищать». В борьбе за утверждение нового принципа большую роль сыграл английский физик Вильям Томсон.
Вильям Томсон родился 26 июня 1824 г. в Белфасте в семье преподавателя математики. Когда Вильяму было восемь лет, семья переехала в Глазго, который стал впоследствии местом жизни и труда знаменитого физика. Одаренный мальчикуже в десятилетнем возрасте стал студентом Глазговского университета. Вскоре юный студент опубликовал свою первую работу по теории теплопроводности. Двадцати двух лет Томсон становится профессором в Глазго и занимает кафедру до 1899 г., в течение пятидесяти трех лет.
Заняв пост профессора натурфилософии университета и ознакомившись с положением дел на кафедре, Томсон нашел его неудовлетворительным. Старомодная аппаратура, большая часть которой столетней давности, остальная — пятидесятилетней. Такими приборами пользовались для лекционной демонстрации.
«...Здесь абсолютно не было обеспечено какого-либо рода экспериментальных исследований и совсем не было идей даже для какой-нибудь студенческой практической работы».
Вскоре Томсон в Глазго предпринял серию экспериментов по электродинамическим свойствам материи. В помощь себе он пригласил нескольких студентов. Приглашенные добровольцы с энтузиазмом принялись за работу. Другие студенты, узнав, что их товарищи предприняли экспериментальные исcледования, захотели участвовать в этом.
«Я не мог дать им всем работу, в особенности в исследовании, с которого я начал, — «Электрическая конвекция тепла», — вспоминает В.Томсон, — но я делал все, что в моих силах, чтобы найти им работу по смежным темам — электродинамические свойства металлов, модуль упругости металлов, ат мосферное электричество».
Вначале администрация университета предоставила исследователям старые лекционные комнаты и препараторские, примыкающие к ним. Но для добровольцев, число которых на первых порах колебалось от пяти до двадцати, этого было явно мало, и пришлось отвести под лабораторию еще и старый заброшенный винный подвал и часть старого профессорского дома, другая часть которого служила лекционными аудиториями. Через несколько лет в университете Глазго был упразднен один экзамен, и комната, предназначенная для него, перешла в распоряжение В.Том сона Вот такие комнаты служили В. Томсону физическими лабораториями до 1870 г.
Поражает энтузиазм, с которым работали студенты у В.Томсона. Как он вспоминал, некоторые студенты так усердно работали, что ему приходилось вмешиваться, беспокоясь об их здоровье. Обучение в лаборатории было совершенно новым делом. Студенты, тогда посещавшие кафедру натурфилософии, готовились стать юристами, медиками, но в основном духовными лицами. Натурфилософия для них была одним из предметов для получения степени, но это был теоретический экзамен, и никаких практических знаний он не требовал.
«Студенты, — замечает В. Томсон, — вначале приходили в лабораторию в надежде приятно провести время... и они не были разочарованы». Вскоре лаборатория стала пополняться приборами, выписанными не только из-за границы, но и сделанными университетской фирмой «Джеймс Уайт». Дж. Уайт, основатель фирмы, начал дело в Глазго в 1849 г. Все приборы, изобретенные самим В.Томсоном, изготовлялись этой фирмой.
В 1870 г. университет переехал в новое великолепное здание, в котором были предусмотрены просторные помещения для исследований.
Кафедра и дом Томсона первыми в Британии освещались электричеством. Между университетом и мастерскими Уайта действовала первая в стране телефонная линия. Мастерские разрослись в фабрику в несколько этажей, по существу ставшую филиалом кельвинской лаборатории. В.Томсон часто заходил в мастерские и обсуждал с Уайтом конструкцию будущего прибора. Вообще Томсон был очень привязан к своему университету в Глазго. Ему предлагали более высокие посты, такие, как главы Кавендишской лаборатории, ректора Эдинбургского университета, но он отказывался. В.Томсон старался не терять связь с лабораторией, где бы он ни был, «почтой и телеграфом он постоянно был связан с ней, получая результаты исследований и продолжая руководить лабораторией и на расстоянии».
В.Томсон обладал большим педагогическим талантом. Он прекрасно сочетал теоретическое и практическое обучение. Пять дней в неделю он читал по две лекции: одну — по физике, другую—по математической физике.
Лекции по физике сопровождались демонстрациями. К проведению демонстраций Томсон привлекал студентов. Такие лекции и обилие демонстраций, сопровождавших их, стимулировали интерес слушателей.
В.Томсон был сторонником экспериментального обучения для всех студентов университета. Три четверти его студентов становились теологами. Как говорил Томсон, «они определенно учились терпению и настойчивости, если не большой науке». Из лаборатории выходили и такие, которые, став духовными лицами, не прекратили занятия физической наукой.
Так, Джон Керр (1824-1907) был студентом кафедры натурфилософии, когда туда двадцатидвухлетним профессором пришел Томсон. Керр был одним из добровольцев Томсона, помогая ему в сооружении физической лаборатории, и стал его другом на всю жизнь. Впоследствии Керр стал священником одной из церквей Шотландии, но интерес к науке не потерял до конца жизни и сменил карьеру священника на карьеру ученого-педагога. Имя его вошло в историю науки благодаря открытию им в 1875 г. электрооптического эффекта.
