р5

четвер, 6 лютого 2014 р.

АНДРЕ-МАРІ АМПЕР (1775-1836)

У історії науки Андре-Марі Ампер відомий головним чином як основоположник електродинаміки. Між тим він був універсальним ученим, що має заслуги і в області математики, хімії, біології, і навіть у лінгвістиці і філософії. Це був блискучий розум що приголомшував своїми енциклопедичними знаннями всіх людей, що близько знали його. Але найміцніший ім'я Ампера увійшло до історії фізики, що знайшло своє віддзеркалення в таких термінах, як «ампер» (одиниця сили струму), «закон Ампера», «сила Ампера» і так далі Сам Ампер був великим майстром винаходити нові наукові терміни. Саме він ввів в ужиток учених такі слова, як «електростатика», «электродинамика», «соленоїд». Цікаво також відзначити, що займаючись важливою проблемою наукознавства – питанням класифікації наук, Ампер висловив думку про тому, що в майбутньому, ймовірно виникне нова наука про загальні закономірності процесів управління. Він запропонував іменувати її «кібернетикою». Передбачення Ампера виправдалося.


В даний час така наука існує і носить запропоновану їй назву. Свій родовід Андре-Марі Ампер веде від ліонських ремісників. Його батько Жан-Жак Ампер разом зі своїми братами торгував ліонськими шовками. Він получив хорошу освіту непогано володів древнім мовами і прагнув бути в курсі всього, чому вчили 

праці великих математиків - Ейлера, Бернулі, Лагранжа. Проте багато хто з цих праць був написані по-латині, яким він не володів. Кілька місяців пішло на вивчення цієї мови, причому вивчив її майже самостійно і настільки добре що без зусиль зміг читати вигадування твори математики і фізики XVII-XVIII століть.
Історія науки знає аналогічні випадки, коли великі учені не отримували систематичного шкільного вчення через ті або інші причини. Тим не менше їх природний розум, пристрасне прагнення до знанням, працьовитість робили свою справу. У якості прикладу можна пригадати таких знаменитих самоуків як Фарадей і Едісон.
З настанням 1789 року почалася Велика французька буржуазна революція. 14 липня штурмом була узята Бастилія, символ королівської влади Бурбонів. Ця звістка швидко дійшла і до Ліона. Андре сприйняв її як звістка про настання нової епохи, про якою мріяли просвітителі XVIII століття. Проте революційні події зіграли трагічну роль у житті Ампера. У 1793 році в Ліоне спалахнув заколот який незабаром був пригнічений. За співчуття бунтівникам був обезголовлений Жан-Жак Ампер. Смерть батька Андре переживав дуже важко; він надовго вибився із звичної колії і був близький до втрати розуму. Лише рік потому він насилу знайшов душевну рівновагу і зміг повернутися до своїх занять.
Страта батька мала і інші наслідки. За вироком суду майже все майно сім'ї було конфісковане і її матеріальне положення різко погіршало. Андре довелося думати про кошти для існування. Він вирішив переселитися до Ліона і давати приватні уроки математики до тих пір, поки не удасться влаштуватися штатним викладачем в яке-небудь учбовий заклад. Цей період життя Ампера зіграв велику роль у його розвитку як ученого. У Ліоні він познайомився з допитливими молодими людьми, такими же залицяльниками науки, як і він сам, і спори з ними на наукові теми багато в чому сприяли розвитку його інтелекту. Андре багато займався з учнями, багато читав. Його робочий день починався у чотири години ранку - потрібно було встигнути виконати обширну програму.
У 1799 році Ампер одружився на Катрін Каррон. Наступного року у них народився син. Витрати на життя неухильно зростали. Не дивлячись на всі старання і економію, засобів, зароблених уроками, не хватало. Нарешті, в 1802 році Ампера запросили викладати фізику і хімію в Центральну школу старовинного провінційного міста Бурк- ан-Бреса, в 60 кілометрах від Ліона. З цієї миті почалася його регулярна викладацька діяльність що продовжувалася все життя.
Ампер мріяв перебудувати традиційне викладання курсу фізики. Замість викладу розрізнених фактів і гіпотез, теорій і експериментів він хотів розвернути перед слухачами грандіозну картину всесвіту, де все взаємо зв’язано і взаємо обумовлено. Але це лише мрії. Нудні викладачі-чиновники, убога лабораторія і бідний фізичний кабінет, повсякденні буденні турботи - ось реальна дійсність, яку він знайшов в Бурк-ан-Бресе. Проте він багато працював заповнюючи пропуски в своїх знаннях. В той же час його не покидала надія повернутися до Ліона до дружини і сина. І незабаром вона здійснилася.
Назрівали зміни в шкільній освіті. У старій королівській Франції більшість учбових закладів знаходилося під керівництвом і під впливом духівництва. Французька революція змела цю систему. Була проголошена ідея загальної освіти звільнення викладання від церковного догматизму і встановлена трьохступенева система освіти: початкова, середня і вища. У кожному департаменті фундирувалися ліцеї, що дають середнє освіта з практичним ухилом. 4 квітня 1803 роки Ампер був призначений викладачем математики Ліонського ліцею. Щасливим він повернувся до Ліона, але незабаром важкий удар обрушився на Ампера - померла його дружина.
В кінці 1804 року Ампер покинув Ліон і переїхав до Парижа, де він отримав посаду викладача знаменитої Політехнічної школи. Ця вища школа була організована в 1794 році і незабаром стала національною гордістю Франції. Основна завдання школи полягало в підготовці високоосвічених технічних фахівців з глибокими знаннями фізико-математичних наук. Серед її викладачів були такі відомі учені, як Лагранж  Монж, Бертолле. Недивно, що і серед вихованців Політехнічної школи ми зустрічаємо імена прославлених учених і інженерів, таких як Френель Гей-Люссак, Клапейрон, Понселе, Араго, Дюлонг.
У Парижі Ампер відчував себе самотнім. Він знаходився цілком у владі спогадів про свою недовгому щасливому життю. Це - головна тема його листів до рідних і друзям. Він і раніше славився дивакуватою і розсіяною людиною. Тепер же ці риси його характеру сталі ще помітнішими. До них додалася надмірна неврівноваженість. Все це заважало йому добре викладати своїм слухачам матеріал яким він насправді володів чудово.
Які ж наукові проблеми хвилювали Ампера в цей час? Практично до 1820 року його основні інтереси зосереджувалися на проблемах математики механіки і хімії. Питаннями фізики у той час він займався дуже мало: відомо лише дві роботи цього періоду, присвячені оптиці і молекулярно- кінетичній теорії газів. Що ж до математики то саме в цій області він досяг результатів які і дали підставу висунути його кандидатуру у Академію по математичному відділенню.
Ампер завжди розглядав математику як потужний апарат для вирішення всіляких прикладних завдань фізики і техніки. Вже його перша опублікована математична робота, присвячена теорії вірогідності, носила, по суті, прикладний характер і називалася «Міркування про математичну теорії гри» (1802 рік). Питання теорії вірогідності цікавили його і надалі.
У дослідженні багатьох проблем фізики і механіки велике значення мають так звані диференціальні рівняння в частинних похідних. Рішення таких рівнянь пов'язано із значними математичними труднощами, над подоланням яких працювали найбільші математики. Свій вклад у математичну фізику, як називають цей розділ науки, вніс і Ампер. Лише у одному 1814 року він виконав декілька робіт, що отримали високу оцінку видних французьких математиків, зокрема Лапласа, Лагранжа і Пуассона.
Електричні і магнітні явища до початку XIX століття багато в чому ще представлялися таємничими природа їх була неясна. Учені були знайомі лише з властивостями статичних зарядів і з постійними магнітами. Всі виявлені на досвіді електричні і магнітні явища пояснювалися як результат дії особливих електричних і магнітних рідин («флюїдів»). Так, наприклад, петербурзький академік Епінус в своїй праці «Досвід теорії електрики і магнетизму», виданому в у 1759 році, писав: «Існує рідина, що виробляє всі магнітні явища, яку тому слідує назвать- магнітною. Ця рідина надзвичайно тонка, може проходити через будь-які пори в тілах; її частки як і частки електричної рідини, взаємно відштовхують один одного. Ця рідина в більшій частині інших тіл, що виявляються в світі, не викликає жодних реакцій; вона не притягується і не відштовхується ними. Проте існує певний ряд тіл, частини яких притягують магнітну матерію і нею притягуються; тілом, наділеним такою властивістю є перш за все залізо, а потім все тіла, що іменуються залізними...».
Єдиною кількісною характеристикою електричних і магнітних явищ був закон Кулона, відкритий в кінці XVIII століття. Прогрес намітився лише після того, як вперше був отриманий електричний струм. У 1800 році Вольт винайшов перше джерело струму, який був названий стовпом вольта. Звістка про цей винахід викликала величезний інтерес на науковому світі. Наполеон запросив італійського фізика до Парижа аби той повторив свої досліди перед вибраною аудиторією. Там же Вольта виступив з доповіддю, в якому висловив думку про тотожну природу статичної електрики і електричного струму  «рухомого електричного флюїда» по термінології того часу. Багаточисельні досліди показали, що електричний струм здатний викликати різні ефекти - теплові, хімічні, світлові. Природно було також передбачити, що повинна існувати зв'язок між електрикою і магнетизмом, що заперечувалася ученими впродовж декількох століть.
Ампер був головним чином, теоретиком і рідко звертався до експериментів. Але він розумів, що Серйозне дослідження електромагнітних явищ неможливо без постановки дослідів, які повинні були підтвердити або спростувати його ідеї. Проте засобів на ці досліди Академія наук не відпустила. Амперу довелося найняти слюсаря, який виготовив все необхідне за його рахунок. Багато що було зроблено і самим Ампером. Перш за все він повторив досліди Ерстеда, намагаючись глибше зрозуміти природу відкритого данським фізиком явища. Дослідною дорогою він довів, що статична електрика не діє на магнітну стрілку. Лише рухоме електрика - електричний струм - в змозі викликати такий ефект. «У чому ж причина цього явища?- поставив собі питання Ампер. Чому провідник із струмом діє на магнітну стрілку?»
Природно було б передбачити, що електричний струм, проходячи по провідникові, перетворює його у магніт. Так і вважали багато фізиків, зокрема відомий французький фізик Біо. Ампер дотримувався іншої точки зору. Він висловив геніальну ідею: єдиною причиною дії провідника із струмом на магнітну стрілку є рухоме електрика; магнетизм - лише одне з його багато чисельних проявів. Не провідник, по якому тече струм, стає магнітом, а навпаки, магніт є сукупністю струмів. У магніті є безліч елементарних кругових струмів, поточних у площинах, перпендикулярних до його осі. Гіпотеза Ампера на ті часи здавалася виключно сміливою і неправдоподібною, тому вона була зустрінута вченими вельми критично.
Новий погляд на природу магнітних явищ виник в Ампера в результаті цілої серії експериментів. Вже в кінці першого тижня напруженого праці він зробив відкриття не меншої важливості, чим Ерстед - відкрив взаємодію струмів. Якщо два наелектризованих тіла взаємно притягуються або відштовхуються, то чи не будуть аналогічно поводитися два провідники, по яких тече струм? Ампер розташував паралельно прямолінійні ділянки двох провідників, що сполучають кінці двох стовпів Вольта.
Один провідник закріпив, інший зробив рухливим. Пропустивши через провідники струм, він спостерігав їх взаємодію: при однакових напрямах струмів вони притягувалися, при протилежних - відштовхувалися. Виявилося також що сили, що діють між провідниками із струмом не є центральними, тобто радикально відрізняються від електростатичних сил. Настільки різке відмінність проявів статичної електрики і електричного струму Ампер запропонував відобразити в у відповідних термінах. Область явищ, зв'язаних з електричними зарядами, що покояться, він назвав електростатикою, а з рухомими зарядами - електродинамікою.
Пройшов ще один тиждень. Ампер виробив нові досліди, розвиваючі і підтверджуючі його ідеї. Якщо магніт є системою кругів паралельних струмів, направлених в один бік то спіраль з металевого дроту, по якому проходить струм, повинна поводитися як магніт – мати два полюси і приймати певне положення під впливом магнітного поля Землі. Експеримент підтвердив ці припущення. Про отримані результати Ампер відразу ж  повідомив в Академію. У доповіді, зробленій 18 вересня 1820 років, він продемонстрував свої перші досліди і уклав їх наступними словами: «У зв'язку з цим я звів всі магнітні явища до чисто електричним ефектам». На засіданні 25 вересня він розвинув ці ідеї далі, демонструючи досліди, в яких спіралі, обтічні струмом (соленоїди) взаємодіяли один з одним як магніти.
Нові ідеї Ампера зрозуміли далеко не всі учені. Не погодилися з ними і деякі з його іменитих колег, у тому числі і Біо. Виступивши проти існування магнетизму як самостійного явища, Ампер перекреслив тим самим і теорію Біо згідно якої магніт складається з сукупності елементарних мікроскопічних магнітиків кожен з яких по своїх властивостях подібний великому магніту. Теорія ця, по суті, нічого не пояснювала, вона лише відносила питання про природу магнетизму не до великого шматка намагніченого металу а до його крихітних частин. Біо і його прибічники прагнули довести, що в дослідах Ампера немає нічого принципово нового, що всі вони по суті поділа - лише варіанти досвіду Ерстеда.
Сучасники розповідали, що після першого доповіді Ампера про взаємодію провідників із струмом стався наступний цікавий епізод. «Що же, власне, нового в тому, що ви нас повідомили? запитав Ампера один з його противників. Само собою ясно, що якщо два струми надають дію на магнітну стрілку, то вони діють і один на одного». Ампер не відразу знайшов, що відповісти на це заперечення. Але тут на допомогу йому прийшов Араго. Він вийняв з кишені два ключі і сказав: «Ось кожен з них теж надає дію на стрілку, проте ж вони ніяк не діють один на одного, і тому ваш висновок помилковий. Ампер відкрив, по суті, нове явище, куди більшого значення, чим відкриття шанованого мною професора Ерстеда». Не дивлячись на нападки своїх наукових противників Ампер продовжував свої експерименти. Він вирішив знайти закон взаємодії струмів у вигляді строгої математичної формули і знайшов цей закон, який носить тепер його ім'я.
Так крок за кроком в роботах Ампера зростала нова наука - електродинаміка, заснована на експериментах і математичній теорії. Всі основні ідеї цієї науки, по вираженню Максвелла, по суті поділа, «вийшли з голови цього Ньютона електрики » за два тижні.
З 1820 по 1826 рік Ампер публікує ряд теоретичних і експериментальних робіт по електродинаміці і майже на кожному засіданні фізичного відділення Академії виступає з доповіддю на цю тему. У 1826 році виходить з друку його підсумкова класична праця «Теорія електродинамічних явищ виведена виключно з досвіду
Він як і раніше мріяв читати курс фізики а не математики, і читати нетрадиційно, включивши в курс новий розділ - електродинаміку, творцем якої він сам був. Найбільш відповідним місцем для цього було один із старих учбових закладів
Франції - Коллеж де Франс. Заснований ще у 1530 році, ця установа як би поєднувала в собі функції учбового і науково-дослідницьких інститутів. Тут були всі умови для плідної  творчої діяльності. Після багатьох неприємностей і інтриг в 1824 році Ампер був вибраний на посада професора Коллеж де Франс. Йому надали кафедру загальної і експериментальної фізики.
Як видно з листів, які Ампер писав в цей період, він був надзвичайно рад своєму обранню. Правда, його радість затьмарювала необхідність час від часу виступати проти порядків, що панували в інституті. Особливо обурювали Ампера інтриги що виникали при виборі кандидатів на тих, що звільняються вакансії. Він завжди був нетерпимий по відношенню до фальші і несправедливості. Тим більше він не міг залишатися байдужим, коли особисті інтереси, гонитва за високими титулами і званнями затуляли справжню наукову цінність кандидатів. Закінчився найбільш плідний період діяльності Ампера. У 1831 році Фарадей відкрив явище електромагнітній індукції. У розробку електродинаміки включилися багато видатних фізики середини XIX століття - Вебер, Ф. Нейман і До Нейман, Відеман, Ленц та інші. Повне завершення вона отримала в класичній праці Максвелла «Трактат про електрику і магнетизм», що вийшов у світло в 1869 році.

Немає коментарів:

Дописати коментар

р4