Глава 1
Детство, учеба, годы становления
Роберт Гук родился 18 июля 1635 г. в местечке Фре-шуотер на о-ве Уайт, где его отец был настоятелем церкви Всех Святых. Остров находится в проливе Ла-Манш и почти примыкает к южному побережью Англии. Жители Уайта, прирожденные моряки, занимались тогда (впрочем, как и сейчас) главным образом рыболовством и садоводством. Напротив острова, как бы под его прикрытием, расположен важный английский порт Портсмут. Здес* уайтовцы и сбывали свою нехитрую продукцию.
Роберт рос тщедушным и хилым ребенком, и, как он пишет в своем дневнике, родители даже не надеялись, что он выживет. Отец мечтал сделать из Роберта священнослужителя. Однако мечты эти пришлось оставить из-за плохого состояния здоровья сына. Роберт и учиться начал относительно поздно: отец боялся перегружать больного ребенка. Занимались с ним мало, и он вряд ли получил в семье большие познания: он умел читать и писать, знал элементы счета и обязательные сведения из англиканского молитвенника. Правда, Роберт сам нашел себе занятие по душе — строил различные механические иг- \ рушки, рисовал, изготавливал модели водяных и ветря- ) ных мельниц, которые, к удивлению всех, работали. Как / видим, мальчик уже в детстве развил в себе талант изобретателя и страсть к самообразованию.
В октябре 1648 г. отец Роберта умер, оставив ему в наследство достаточную для того времени сумму — сто фунтов. Незадолго до смерти он договорился с лондонским художником Питером Лели' о том, что тот возьмет к себе в ученики Роберта. Лели был известным модным портретистом, и обучение в
его мастерской обещало в дальнейшем обеспеченное существование. Нужно сказать, что обучение “путем ученичества” было в Англии традиционным вплоть до второй половины XIX в.; так обучали художников, юристов, инженеров.Однако Роберту ученичество не понравилось. Во-первых, он питал отвращение к запаху красок, а во-вторых, он считал, что не следует платить деньги за то, чему можешь научиться сам. Все же он пробыл у Лели около года и, во всяком случае, научился рисунку: это ему пригодилось впоследствии и как экспериментатору, и как архитектору.
Итак, четырнадцатилетний Роберт покидает Лондон и переезжает в Вестминстер, тогдашний пригород английской столицы, расположенный на левом берегу Темзы. Здесь он поступает в школу педагога Башби и по его совету начинает усиленно изучать математику. Говорят, что он изучил первые шесть книг Евклида в течение недели. Так это или иначе, но остается фактом, что в течение короткого времени он прошел Евклида, поз-накомился с философией и геометрией Декарта. Последняя в те годы считалась математической новинкой
2, и, следовательно, Роберт изучил ее также самостоятельно. Кроме этого, он выучил греческий и латинский языки, без которых в то время нельзя было сделать научной карьеры, познакомился с древнееврейским языком и научился играть на органе. На этом общее образование Гуна закончилось, его все больше и больше привлекала механика.Школьные годы Гука совпали с важными событиями в истории Англии. 20 января 1649 г. начался процесс над Карлом I, обвиненным в том, что он “изменнически объявил войну парламенту и как инициатор этой войны виновен во всех изменах, убийствах и грабежах, происшедших во время этой войны”. Суд был коротким, короля присудили к смертной казни, которая состоялась 30 января. Единственным носителем власти в Англии остался парламент, фактическая же
власть перешла в руки армии, вождем которой был Оливер Кромвель. В марте парламент распустил палату лордов, ликвидировал монархию и объявил республику (Commonwealth). Но последовало восстание в Ирландии, жестоко подавленное Кромвелем. В Шотландии наследник престола Карл II был объявлен королем, и вокруг него стали объединяться силы монархистов, с которыми было нелегко бороться в условиях двоевластия: Парламента и армии. В этих условиях Кромвель 20 апреля 1653 г. разогнал парламент, а 12 декабря того же года “Совет Армии” объявил Кромвеля лордом-протектором Республики Англии, Шотландии и Ирландии и поручил исполнительную власть Государственному совету, состоявшему из военных и гражданских чинов.
Роберт Бойль
В том же 1653 г. мы застаем Гука в Оксфорде, где он устроился хористом в церкви Христа. Как известно, Оксфорд сыграл важную роль в истории мировой науки. Здесь в конце XII в. возник один из первых европейских университетов, в котором имелись богословский, юридический и медицинский факультеты, а также факультет искусств, бывший чем-то вроде подготовительного для трех “старших” факультетов. В разное время здесь преподавали: Роджер Бэкон, Джон Дуне Скотт, Томас Мор; профессора Оксфордского университета внесли большой вклад в создание и деятельность Королевского общества.
В жизни Гука Оксфорд занял важное место: здесь он впервые соприкоснулся с большой наукой и, главное, с наукой энциклопедической направленности, больше отвечающей и его характеру, и его интересам. Уже работая в церкви Христа, он встретился с химиком д-ром Томасом Уиллисом и вскоре перешел к нему в качестве ассистента. По-видимому, в 1654 г. он поступил на ту же должность к д-ру Роберту Бойлю. Между ними возникла дружба, которой они остались верны до конца жизни.
Роберт Бойль родился в 1627 г. в Лисморе (Ирландия) в семье графа Ричарда Бойля. Первоначальное образование он получил дома, затем учился в колледже в Итоне. В 1639 г. отец отправил его в Швейцарию, Францию и Италию, где Бойль слушал лекции различных ученых. По возвращении на родину он получил после смерти отца богатое наследство. Бойль поселился в своем имении в Сталлбридже, занимаясь главным образом философией и теологией.
В философии Бойль был последователем Фрэнсиса Бэкона, противником схоластической философии и сторонником экспериментального метода исследования. Отдавая предпочтение опыту, он не любил рассуждать и поэтому редко делал теоретические выводы из своих многочисленных наблюдений. Исключением является его учение о строении вещества: этому вопросу Бойль посвятил несколько мемуаров. По его мнению, в природе существует абсолютно пустое пространство, в котором находятся материальные частицы различного вида, величины и формы. При этом атомы жидкости находятся в постоянном движении, а твердых тел — в покое. Промежутки между частицами заполнены тонким веществом. Изменения вещества Бойль объяснял соединением и разъединением атомов, предполагая, что при последовательном разложении тел можно найти элементы вещества. Важнейшим его достижением является закон сжатия газов, названный законом Бойля-Мариотта.
Бойль был человеком убежденным и все свое состояние употребил на исследование природы и на распространение религиозных христианских понятий. Нужно сказать, что в Англии в XVII в. все социальные движения имели реэко выраженный религиозный и даже конфессиональный оттенок. В стране шла ожесточенная борьба между последователями официальной англиканской епископальной церкви, пуританами и очень немногими сторонниками свободы вероисповедания. Католицизм был запрещен, его последователи не имели права занимать государственные и общественные должности, распространение католицизма каралось смертной казнью.
XVII век — век научной революции, в которой важную роль сыграли английские ученые. И это несмотря на то, что Англия была страной религиозных столкновений и самого неприкрытого суеверия. “Ужасная мания „охоты на ведьм", обычная для католических и протестантских стран в период религиозных войн, в Англии была распространена меньше, чем в других странах, но достигла своего высшего развития в первой половине XVII в. Она была вызвана искренней верой всех классов общества, включая наиболее образованные, в существование колдовства. Это преследование ведьм прекратилось, когда в конце XVII и в начале XVIII в. правящий класс стал скептически относиться к вопросу, что побудило его прекратить “охоту на ведьм”, несмотря на то что народные массы еще продолжали верить в колдовство.
В истории Англии два наиболее мрачных периода приходятся на первую половину правления суеверного Якова I и на время правления „Долгого парламента" (1645— 1647), когда в восточных графствах были казнены 200 „ведьм"...” 3.
Непрерывная и многократная смена идеологий породила своеобразное противодействие: в Лондоне и в Оксфорде люди, настроенные отнюдь не скептически и по-своему глубоко религиозные, подобно Бойлю, уходят от сумятицы внешней борьбы к экспериментальной философии Бэкона.
Были для этого и более глубокие причины. Англия выходит далеко в море, оживленно торгует с Индией и с Вест-Индскими островами, открывает новые и укрепляет старые колонии в Америке, где идет непрерывная война с аборигенами — индейцами, и начинает продвижение в глубь материка. В течение второй половины столетия неоднократно вспыхивают войны с Голландией, Францией, Испанией, чаще всего за торговые пути, за преимущества в колонизации. Но Англия — островное государство, и воевать она может лишь с помощью мощного флота. Потребности навигации, войны и торговли ставят много неразрешенных задач, которые можно разрешить лишь путем экспериментирования. Отсюда и развитие экспериментальной философии. Здесь большое поле деятельности для Гука — прирожденного экспериментатора. В “оксфордский” период жизни Гук много работает над своим образованием. Но для учебы у него нет средств, поэтому ему приходится еще и трудиться. Учеба затянулась: первую научную степень магистра искусств Гук получил только в 1662 или 1663 г., будучи уже известным ученым. Он много работает над проблемами математики и механики, совершенствуется в естественных науках, изучает астрономию. Он даже консультирует Бойля в математических, главным образом в геометрических, вопросах. Однако, несмотря на свои несомненные математические способности, Гук не прича-стен к математическому творчеству. Возможно, у него нет к этому особенного интереса, а быть может, просто не хватает времени: главные его интересы сводятся к механике
.Механика того времени — это основы динамики и учения о прочности материалов, разработанные Галилеем, исследования по динамике Гюйгенса, а все машиноведение сводилось к теории простых машин. Прикладной механики как науки не существовало, и различные механизмы и приборы, необходимые для экспериментирования, приходилось придумывать самому. Благодаря своим талантам Гук уже в 1655-1656 гг. приобретает в Оксфорде большую известность как выдающийся механик.
Как уже говорилось, Бойль занимался в те годы исследованием механики воздуха. По-видимому, к этой проблеме он пришел, изучая Бэкона, заявившего в “Новом Органоне” о необходимости изучения природы воздуха как среды, в которой происходят различные явления. Приблизительно с 1647 г. Бойль принимал участие в деятельности лондонской группы, занимавшейся изучением экспериментальной философии. По переезде в Оксфорд Бойль вошел в кружок Джона Уилкинса, о котором будет говориться ниже. Членов кружка объединяла приверженность к методологии Бэкона.
Френсис Бэкон, барон Веруламский (1561—1626),— основоположник и теоретик экспериментального метода в естественных науках — оказал существенное влияние на развитие английской науки, в особенности на становление и первоначальное развитие Королевского общества, первые сорок лет работы которого с правом называют бэко-новским периодом.
Френсис Бэкон был сыном Николаса Бэкона — известного законоведа эпохи Елизаветы Тюдор. Получив первоначальное образование под руководством своей матери, он в 13 лет, несмотря на слабое здоровье, поступил в Кембриджский университет, который и закончил в 1576 г. Он работал на дипломатической службе, затем после смерти отца (1579 г.) имел адвокатскую практику, одновременно усиленно занимаясь научной и литературной работой. В 1590 г. он был избран в парламент, выступал в роли обвинителя в деле графа Эссекса, что значительно повредило его репутации — ранее Эссекс был покровителем Бэкона. Позже Яков I Стюарт назначил Бэкона членом Тайного совета, а в 1617 г. он стал лордом-канцлером. Однако вскоре ему пришлось отвечать за неудачи правительства. Бэкон был лишен всех должностей и званий, и, хотя в 1624 г. приговор был отменен, он уже де возвратился к политической деятельности.
Успехи и падения не мешали научному творчеству Бэкона, в первую очередь разработке экспериментального метода. В 1597 г. Бэкон издал “Опыты или наставления нравственные и политические”. Это сочинение, объем которого увеличился почти в четыре раза, было переиздано в 1612 г. Вскоре оно было переведено на французский и итальянский языки.
По-видимому, еще в молодости Бэкон задумал громадное энциклопедическое сочинение “Великое восстановление наук”, в котором решил изложить свою мысль о том, как следует преобразовать науки, чтобы природа оказалась полностью подчиненной человеку. Он предполагал изложить свой труд в шести частях. Однако полностью написал лишь первую часть — “О достоинстве и усовершенствовании наук”. В ней говорилось о состоянии наук в эпоху Бэкона, доказывалась их несостоятельность и намечались пути совершенствования. По Бэкону, в соответствии с тремя способностями человеческой души (памятью, воображением и разумом) все науки следовало подразделять на историю, поэзию и философию. При этом он давал классификацию известных тогда научных отраслей.
Вторая часть труда — “Новый Органон”, посвященная изложению индуктивного метода Бэкона, оставалась незавершенной. Она издана в двух книгах: в первой опровергаются предрассудки, или, по терминологии Бэкона, “идолы”, вторая содержит афоризмы, причем в 21-м из них Бэкон называет девять тем, намеченных им для разработки. Третья часть — “Естественная и опытная история” — состоит из ряда незавершенных очерков, четвертая — “Лестница разума” — должна была содержать описание причин и следствий фактов, изложенных в третьей части. В пятой части — “О предварительных посылках философии” — Бэкон предполагал изложить свою натурфилософию и методологию.
Воздушный насос Гука
Кроме этого сочинения, Бэкон написал еще много трактатов и статей, часть из которых остались неопубликованными. В 1627 г., уже после смерти Бэкона, был издан его утопический роман “Новая Атлантида”, изображающий идеальное государство, важнейшую роль в жизни которого играли науки. Свои надежды в деле преобразования общества Бэкон связывает с “Домом Соломона” — прообразом академии наук.
Гук познакомился с творчеством Бэкона, по-видимому, еще в студенческие годы и затем в период совместной работы с Бойлем стал убежденным сторонником и бэко-новского экспериментального метода, и его идей. В течение всей своей жизни он неоднократно вспоминал веру-ламского барона. В 1660 г. в Лондоне была издана книга “Новая Атлантида. Начата Лордом Веруламским, виконтом Ст. Элбанс, продолжена Р. Г. Эксвайром”. Со значительной степенью вероятности автором этой книги считают Гука \
В книге продолжается рассказ от имени “путешественника”, который был принят в Утопии ее правителем. Подробно описываются законы и обычаи страны, подчеркивается их гуманный характер и то уважение, которым в Утопии пользуются талантливые люди, в особенности те их них, которые изобретают нужные человечеству предметы. Как утверждает библиограф Гука Кейнз, в этой книге “нет ничего такого, что не мог бы написать Гук, но есть много точек подобия... между планами „Новой Атлантиды" и взглядами Гука, известными по другим источникам, в особенности с его энтузиазмом в те годы в отношении сотрудничества между наукой и литературой. Гук имел чрезвычайно живой ум и прекрасное образование; в 1660 г. ему было двадцать пять лет и, кроме того, он готовился к публикации в следующем году остроумного научного трактата „Попытка пояснения... сделанная Р. Г." Он глубоко восхищался Бэконом. В письме к лорду Броункеру он писал в 1672 году: „Я считаю, что нет иной вещи, которая так значительно ведет к прогрессу философии, как исследование гипотез с помощью экспериментов и планирование экспериментов гипотезами. В этом меня поддерживает авторитет несравненного Верулама". К концу книги гид Джо-эйбин приводит путешественника в “маленькое помещение в конце галереи”, в котором находилась “маленькая арка с редкостями”. Затем ему показали “селеноскоп для наблюдения Луны, звезд и новых планет и редкий микроскоп, в котором легко рассматривались глаза, ноги, рот, волосы и яйца сырного клеща, а также кровь, текущая в жилах вши”.
Последнее имеет особое значение в вопросе признания авторства Гука. Дело в том, что микроскопическое исследование сырного клеща и вши было выполнено именно Гуком и им впервые опубликовано лет через пять после выхода в свет “Новой Атлантиды”. Точно так же одним из изобретений Гука является селеноскоп.
За литературным трудом последовал научный. Вскоре после того, как Гук начал работать ассистентом Бойля, последний поставил перед ним задачу создания приспособления для отсасывания или сжимания воз-Духа. Именно такой воздух был необходим Бойлю для пневматических экспериментов. Воздушный насос был сконструирован и построен к 1658 г.
Эксперименты Бойля, проведенные с помощью насоса, не изменили общепринятого тогда представления о составе воздуха как смеси паров, взвешенных в эфире. Бойль уже утверждал, что воздух является “беспорядочной совокупностью испарений от различных тел, которые, хотя все и смешаны, образуя по своей малости и различным
движениям одну большую массу текучего вещества, но едва ли в мире существует более разнородное тело”
5. Гук полностью разделял взгляды Бойля на состав воздуха: “Точное и тщательное познание этого имеет,— по его мнению,— большее значение для человечества, чем любые другие физические явления в мире”. Все, что находится на поверхности земли или над нею, в той или иной степени зависит от воздуха: это условие существования жизни вообще. “Бесконечна и невыразима,— заключает Гук,— польза, оказываемая воздухом домохозяину, купцу, торговцу, механику и т. д. И заслуженно знаменит будет тот век, который усовершенствует его теорию” 6.Вопросами механики жидких и газообразных тел Гук интересовался не только в годы своего сотрудничества с Бойлем, эти исследования он продолжил позже, когда уже работал в Королевском обществе. Но прежде чем перейти к его дальнейшим работам в этом направлении, отметим, что термины, которыми нам придется оперировать, по своему значению не соответствуют тем, которыми наука пользовалась в конце XX в. Дело в том, что физика
XVII в. сильно отличалась от физики XX в.: к первой относились механика, оптика и почти все те области знаний, которые сейчас входят в естествознание. Химия также относилась к физике, поэтому трудно сказать, кем был, например, Бойль — фиэиком или химиком. Кроме того, физика прошлого была неразрывно связана с астрономией и вместе с последней входила в совокупность математических наук.Необходимо заметить, что наука XVII в. по сути своей отличалась от науки XVI в., когда основными методами ее развития были рассуждение и наблюдение. Новое столетие добавило к этим двум методам эксперимент, значение которого для развивающейся науки все возрастало. В Англии в начале века эксперимент был представлен его теоретиком Френсисом Бэконом, а во второй половине — его практиком Робертом Гуком.
Около 1660 г. Бойль обнаружил интересное явление: в системе сообщающихся сосудов жидкость в очень тонких трубках поднимается выше, чем в обычных. В 1661 г. Гук опубликовал мемуар, озаглавленный “Попытка пояснения феноменов, наблюдавшихся в одном эксперименте, опубликованном достопочтенным Робертом Бойлем”. Этот мемуар он включил и в свою “Микрографию”.
Гук рассматривает вопрос с двух точек зрения. Во-первых, его интересует, почему жидкость поднимается в тонких трубках. Во-вторых, он хочет знать, какие отношения существуют между жидкостью и контактируемым с ним веществом.
Гук объясняет это явление “природной гармоничностью”— свойством тел, благодаря которому они стремятся притянуться к другим жидким или твердым телам. Гармоничность включает не только “стремление подсоединиться”, но и “стремление продолжать оставаться в таком же состоянии”. Противоположным свойством является “антипатия”. Примером антипатии в природе могут служить вода и масло, которые стремятся “оттолкнуться” друг от друга. Другим примером являются вода и воздух. Так, капли воды в воздухе стремятся принять сферическую форму; то же самое явление наблюдается и с каплями воздуха в воде.
На основании изложенного Гук считает, что стекло и вода более гармоничны, чем стекло и воздух. Он формулирует два утверждения: неравные давления воздуха в двух трубках обусловливают поднятие в них воды на неравные высоты; именно таковым является положение в изучаемом случае.
Для доказательства первого утверждения Гук, заполнив водой U-образную трубку, изменял ее уровни в каждом из сообщающихся сосудов, нагнетая или отсасывая воздух в одном из них. В основу доказательства второго утверждения он положил факт уменьшения воздушного давления внутри трубок с одновременным уменьшением их диаметров. С этой целью он согнул стеклянную трубку (длиной около 3 футов) и вставил ее меньший конец в дно стеклянной колбы. Затем он ввел в верхнее отверстие колбы стеклянные трубки различных малых диаметров и заполнил их водой. Колба при этом оставалась пустой. Далее Гук стал вливать в нее через изогнутую трубку воду; по мере увеличения давления в колбе воздух через тонкую трубку начал выходить наружу.
Гук заметил, что чем шире оказывалась стеклянная трубка, встроенная в отверстие колбы, тем больше требовалось воды, чтобы вытолкнуть пузырьки воздуха через трубку наружу. Следовательно, вода сильнее, чем пузырьки воздуха, сцеплялась со стенками широких трубок. Отсюда давление воздуха, соответствующее капиллярности,
по мысли Гука, было меньше внешнего воздушного давления. В заключение Гук приходит к выводу о том, что “это неодинаковое давление воздуха, вызванное его прохождением через неравные отверстия, является причиной достаточной для того, чтобы произвести подобное действие без помощи какого-либо иного составляющего и поэтому, очевидно, является основной (если не единственной) причиной этого явления”
7Гук ошибался в объяснении явления капиллярности: он слишком упростил его сущность и не принял во внимание тех сил, которые образуются в результате сцепления жидкости с твердым телом, жидкости,с пленкой газа и газа с жидкостью. Однако и его наблюдения, и методика эксперимента были в определенной степени удовлетворительными. Он указал, что явление капиллярности можно наблюдать при подъеме соков в растениях, жидкости — вверх по фитилю или по порам губки. Таким образом, неравным воздушным давлением, очевидно, можно объяснить наличие источников в местностях, расположенных над уровнем моря, а также форму фруктов, камней и небесных тел. “Мы встречаемся здесь с человеком, который не желает чрезмерно усложнять природу. Он уверен, что то, что он открыл с помощью своих экспериментов, достаточно для того, чтобы объяснить исследуемое явление, а возможно, и много других. Действительно, он не видел необходимости в дальнейших поисках, и он не занимался ими”
8.Несколько позже Гук провел еще два эксперимента, связанных с изменением давления в сплошной среде при прохождении через последнюю твердого тела. При этом он поставил перед собой задачу не только исследовать этот случай, но и определить, изменится ли вес сплошной среды при прохождении через нее твердого тела, и если да, то в какую сторону и на какую величину.
По мнению Гука, эксперименты, по-видимому, подтвердили аксиому, что каждое тело, “которое опускается или поднимается в сплошной среде, добавляет к ней столько веса или давления, сколько весит оно само, но не столько, сколько весит жидкость в объеме, занимаемом движущимся телом”. В описываемое время был уже хорошо известен закон Архимеда о теле, погруженном в воду и испытывающем с ее стороны давление, равное весу жидкости в объеме, занимаемом телом. Однако Гук нашел, что в его экспериментах дополнительный вес приходится на долю веса погруженного тела.
Результаты своих опытов Гук рассматривает в различных аспектах. Так, он предполагает, что сопротивление среды движущемуся телу пропорционально первой степени скорости, поэтому если тело падает через среду, заключенную в трубке, то чем ниже оно окажется и, следовательно, чем быстрее будет падать, тем больше будет сила сопротивления среды. Гук ставит вопрос: где должно быть приложено дополнительное давление от веса тела, падающего в некоторой среде,— с нижней стороны тела или по всей его поверхности? Если тело поддерживается всей массой сплошной среды, то почему, падая
в воздухе, оно так жестко ударяется о землю? Гуку казалось, что факт падения тела в сплошной среде противоречит закону о том, что давление среды на дно сосуда пропорционально ее высоте. И в этом случае, как и в других своих экспериментах со сплошными средами, Гук доверяет себе, своим опытам и своим результатам. Во всяком случае, он не ссылается ни на эксперименты Стевина, ни на опыты Паскаля, хотя несомненно знал и о тех и о других. Возможно, он полагал, что Паскаль пришел к своему закону (о распространении давления в сосуде во все стороны с ' одинаковой силой) в иной экспериментальной ситуации.Из своих экспериментальных исследований Гук сделал несколько выводов. Во-первых, он утверждал, что испарения Земли давят на нее с одинаковой силой вне зависимости от того, поднимаются ли они или опускаются. Во-вторых, по его мнению, давление на стенки сосуда, содержащего жидкость, снижается, если в его нижней части открыть отверстие и дать жидкости возможность свободного истечения. Наконец, в качестве вывода из второго утверждения он считал, что давление на быки моста^ снижается в тех случаях, когда вода течет более спокойно. Ему представлялось, что законы горизонтального потока и законы падения воды с некоторой высоты идентичны.
Вопросы давления жидкостей и газов на соседствующие с ними тела интересовали Гука длительное время. Гидростатика и аэростатика стояли, если можно так выразиться, у истоков его научного творчества, когда у него Ще не было длительного опыта научного исследования и, роме того, он больше верил результатам своего не всегда
корректно проведенного эксперимента, чем рассуждениям других ученых. Справедливости ради надо указать, что в гидростатике Гук вплотную подошел к формулировке закона Даниила Бернулли, но не довел дела до конца.Уже в самом начале творческого пути Гука увлекла проблема упругости тел. В сущности, к ней примыкают и его работы по гидростатике, хотя ученого больше интересовала проблема упругости воздуха, над которой он работал не менее 20 лет (с 1655 по 1678 г.). Почти одновременно Гук начал заниматься и механикой упругого твердого тела: к этим исследованиям примыкают его знаменитые работы по часовому делу.
Несомненно, что к “закону Гука” он пришел путем изучения названной проблемы и упругость воздуха стала первым этапом экспериментальных исследований Гука и его рассуждений. Если ограничиться только вопросами аэростатики, то его эксперименты продолжались 18 лет. Первый опыт он провел 2 августа 1660 г., спустя год повторил его, используя то же оборудование, а затем воспроизвел эксперимент. Результаты экспериментов он опубликовал в “Микрографии”. В 1678 г. он проделал эти опыты по требованию некоторых членов Королевского общества, которые отказывались верить тому, что сжатие воздуха в два раза требовало двойного давления, в три раза — тройного и т. д.
Трудно сказать, как Гук пришел к своим идеям относительно воздушного давления. Сама проблема воздуха казалась неразрешимой, и результат эксперимента, проведенного Торричелли, показал лишь, что воздушное давление изменяется с изменением высоты. Однако основываться на этом единственном твердо установленном факте было нелегко — ведь не были известны взаимоотношения между объемом, весом, высотой и давлением. В результате экспериментов удалось лишь установить, что по мере подъема воздух становился легче; следовательно, на высоте его было меньше.
Но существуют ли границы распространения воздуха и степени его разреженности по мере удаления от поверхности Земли? Гук не довольствуется рассуждениями и на эту тему, он хочет получить экспериментальные доказательства. Таким образом, его опыты по определению давления воздуха явились частью большой и глубоко задуманной научной программы. Забегая вперед, отметим, что, по-видимому, тогда у Гука зародились первые мысли относительно всемирного тяготения.
Опыт с давлением воздуха заключался в следующем. Гук брал стеклянную трубку, запаянную с одного конца, и изгибал ее так, что запаянный конец получался значительно короче открытого. Затем он заполнял трубку через открытый конец ртутью до тех пор, пока воздух в запаянном конце не оказывался в сжатом состоянии. После чего он отмечал количество ртути и объем, занимаемый воздухом, и повторял эту процедуру несколько раз, каждый раз уменьшая объем, занимаемый воздухом, вдвое. “Из этих экспериментов...—резюмировал Гук,— мы
можем точно установить, что упругость воздуха обратно пропорциональна его объему или, по крайней мере, весьма близка к этому. Итак, чтобы применить это к нашей настоящей пели (которая в действительности являлась основной причиной постановки подобных опытов), мы будем предполагать, что цилиндр продолжается вверх до бесконечности”.Гук указывал, что если обозначение давления заменить весовым и вместо объема в формуле PV= с подставить высоту, то можно прийти к утверждению: атмосфера действительно наполняет всю Солнечную систему. Так как Р = вес/площадь,
V (цилиндра) = высота X площадь. Таким образом, с = вес X высота.Гук предполагает, что давление воздуха на поверхность Земли равно 30 дюймам высоты столбика ртути. В этой связи его интересует вопрос: как высоко над Землей должен распространяться воздух для создания такого давления? Гук ссылается на Бойля, который установил, что отношение веса ртути к весу воздуха равно 14 000:1. Условно заменяя цилиндр с ртутью цилиндром с воздухом одинаковой с ртутью плотностью, Гук предлагает вычислить высоту последнего. Она будет равна примерно 7 милям (если считать, что в каждой из них по 5000 футов). Далее Гук предлагает разделить этот цилиндр на тысячу равных частей, по 35 футов каждая. Тогда, по его мнению, самая нижняя секция будет давить на Землю с полной силой, в то время как находящаяся над ней секция этой силой уже “обладать не будет, ибо вес воздуха в ней уменьшится на вес воздуха в нижней секции”. Таким образом, с увеличением высоты давление верхних секций на нижние будет уменьшаться.
Однако, продолжает рассуждать Гук, совершенно необязательно, чтобы секции имели одинаковую высоту, вдли исходить из выведенного выше отношения между есом и высотой в определенном объеме, то в действительности по мере уменьшения давления очередного стол, бика его высота увеличится. При этом суммарное давление, приблизительно равное давлению 30 дюймов ртути, остается неизменным. “Поскольку,— утверждал Гук,--давление, поддерживаемое 999-м [столбиком], так относится к давлению, поддерживаемому первым, как высота первого к высоте 999-го, из этого гипотетического расчета мы найдем, что воздух распространяется в бесконечность”,
Гук признает, что не доказал окончательно бесконечную протяженность воздуха над уровнем поверхности Земли, но он считает, что близко подошел к такому доказательству. При этом он весьма свободно обращается с формулой: давление X объем = константа, используя ее в виде вес X высота = константа. Однако эта формула сама по себе не ведет к желаемому результату: он не может уменьшить вес, чтобы увеличить высоту, ибо вес — это экспериментально определяемая величина, близкая 30 дюймам ртутного столба, а высота, как бы велика она ни была,— величина постоянная. Поэтому Гук и делит высоту на определенное число секций, уменьшая или увеличивая некоторые из них. Таким образом, суммарный вес в его расчетах — это сумма весов воздуха от 1—1000 секций, а суммарная высота — сумма соответственных им высот. В итоге следовал неожиданный вывод: “воздух на уровне моря — сжатый”.
Далее Гук переходит к механистическому пояснению некоторых атмосферных явлений.
Первое пояснение касается прохождения луча через атмосферу. Так как в действительности атмосфера не имеет слоев с явно выраженной границей, подобной той, которая, например, существует между водой и воздухом, можно предположить, что луч постоянно отклоняется от прямолинейного пути. С помощью этого факта, по мнению Гука, можно объяснить ряд атмосферных феноменов, таких, как красный цвет Солнца, цвета удаленных объектов на Земле, а также изменения формы объектов, видимых сквозь атмосферу. При этом Гук подчеркивает, что его объяснения — “это лишь предположения и они должны быть подтверждены наблюдениями такого рода, о которых я говорил в последнее время”. Следуя методике экспериментального исследования, предложенной Бэконом, Гук стремился унифицировать свои пояснения.
В итоге своих экспериментов Гук счел, что решил большую часть задач, касающихся природы атмосферного воздуха. Больше того, Гук предположил, что, рассматривая атмосферу как некое единое целое, он мог бы разрешить и другие проблемы, связанные с аэростатикой. Таким образом, он старался показать, что многие явления, которые раньше считались совершенно разнородными, представляют собой не что иное, как результат действий все той же атмосферы
.В совокупность явлений аэростатики, изученных Гуком, следует отнести и закон Бойля или, как он чаще называется, закон Бойля—Мариотта. Его доказательство поначалу не входило в намерения Гука, скорее всего, этот закон послужил ему ступенькой для изучения атмосферных феноменов. Но в таком случае по праву ли носит закон имя Бойля? На этот вопрос можно ответить однозначно: существует доказательство того факта, что Гук имел значительно большее отношение к созданию этого закона, чем это обычно предполагается. Оп первым доказал его, а возможно, и первым сформулировал.
В 1660 г. Бойль опубликовал свой трактат “Новые физико-механические эксперименты, относящиеся к упруго- сти воздуха и его эффектов. Произведены по большей у части на новой пневматической машине”. В этом труде V соотношение между давлением и объемом воздуха еще не )было выяснено в количественном отношении. Труд Бойля N вскоре после его выхода из печати подвергся резкой кри-. Так, профессор физики Льежского университета . Линус возражал против существования вакуума и утверждал, что все пространство заполнено некой тонкой материей, которую он назвал “фуникулюс”. По его мнению, эта тонкая материя и заставляет тела, погруженные в нее, действовать против своей природы: например, ртуть не опускаться, как это
следовало бы, а подниматься вверх по трубке. Против Бойля выступил и философ Томас Гоббс (1588—1679), который не считал эксперимент методом научного исследования. По его мнению, единственным орудием науки является мышление.Бойль ответил в 1662 г. своим оппонентам в Прибавлении к работе 1660 г., озаглавленном “Защита доктрины, относящейся к упругости и весу воздуха”, изложив точно этот закон. Однако Бойль не претендовал на его авторство. Наоборот, он подчеркивал, что его ассистент Гук уже в 1660 г., а возможно и| ранее, знал это соотношение. Чтобы полностью быть справедливым, Бойль сообщал о Ричарде Тоунли, работавшем, по его словам, над проблемой соотношения между давлением воздуха и его объемом. Но, насколько это было известно, Тоунли не нашел закона
PV = с. По словам Бойля, Гук, услышав от него о гипотезе Тоунли, признался, что уже год назад произвел эксперименты в этом направлении и пришел к положительным результатам. Бойль указывал также, что в этом направлении также работал лорд Броункер, но не получил никаких результатов.Почему же все-таки закон получил имя Бойля, а не Гука, хотя сам Бойль признал авторство последнего? Как видно, потому, что опубликован он был в книге, на которой стояло имя Бойля. Бойль в этой книге ссылается на Гука как на автора закона, отнюдь не претендуя даже на соавторство. Закон Бойля—Мариотта в сущности является законом Гука, тем более что он лежит в основе всех дальнейших работ последнего в этой области.
Следует подчеркнуть, что это первое или одно из первых направлений научной деятельности Гука не было прямым и светлым. Иногда, придя к гениальным решениям, он затем впадал в ошибки, упорно доверяя своим экспериментам. Поэтому вопрос о научном росте Гука достаточно сложен и противоречив.
Впервые мы встречаемся с ним как с ученым в тот год, когда он начал свою работу в качестве лаборанта или, скорее, ассистента Бойля. Но тогда он уже был вполне сложившимся исследователем с чрезвычайно широким, энциклопедическим кругом интересов, ставших характерными для всего его научного творчества. К этому раннему периоду творчества Гука относятся его идеи о создании хронометра, навлекшего в дальнейшем на ученого большие неприятности. Одновременно с исследованиями по гидростатике он исследует явление капиллярности, проектирует пневматический насос, который оказался лучше того, который был у Отто ван Герике. Тогда же Гук начинает заниматься оптикой, микроскопическими исследованиями, пробует свои силы в литературном творчестве. Направленность его творчества — практическая, и как последователь Френсиса Бэкона он интересуется всем тем, что может быть полезным людям, притом незамедлительно: недаром перу Гука принадлежит практический устав Королевского общества!
По-видимому, с первых же шагов в науке он начинает писать дневник: найдены его ежедневные записи с 1672 по 1680 г., за 1681—1683 гг. (с перерывами) и за 1695 г. Возможно, будут обнаружены и более ранние дневники ученого, но во всяком случае то, что уже известно, заставляет пересмотреть общераспространенное мнение о Гуке, как о человеке и ученом. Несомненно, что нелегкая жизнь наложила свою печать на характер Гука, но в спорах о приоритете, в которых обычно его упрекают, он был неправ не всегда. Его друг Джон Обри9, который едва ли стал бы скрывать отрицательные черты характера Гука, всегда чувствовал к нему самое глубокое уважение и отзывался о нем, как о человеке “большой обходительности и доброты”. Подобного же мнения были и другие люди, с которыми Гуку приходилось сталкиваться в жизни ив работе. У пего было много друзей не только среди ученых, но и среди ремесленников и рабочих. Он не был замкнутым человеком и на хорошее отношение всегда отвечал дружбой.
Выше уже отмечалось то большое впечатление, которое произвело на Гука творчество Френсиса Бэкона, в определенной степени определившее его жизненный путь. Другим ученым, оказавшим заметное влияние на научное развитие Гука, был Декарт (в особенности его “Рассуждение о методе”). Декарт требовал, чтобы философия не уступала наукам о природе по достоверности. Одновременно с Бэконом, но независимо от него он ввел в философию понятие назначения научного знания. Различные задачи естественных наук Декарт подчинил единой основной задаче — увеличению могущества человека в его состязании с природой. Оп занимался физикой, астрономией, оптикой, механикой, метеорологией и внес в них математический метод исследования. Он был одним из основоположников математики непрерывных процессов и создателем аналитической геометрии. В области физиологии Декарт рассматривал движения мускулов и явления кровообращения как механические процессы и выразил мнение о том, что между животным и машиной в сущности нет никакой разницы. Правда, во времена Декарта само понятие машины было совсем неясным, но все же он явился одним из основоположников нового научного направления — ятромеханики, получившего важное развитие в XVII и XVIII вв., к которому в определенной степени примкнул и Гук. И кроме всего этого, Декарт связывал развитие математики и механики с развитием техники, чем несомненно импонировал молодому Гуку. Декарт оказал также существенное влияние на становление воззрений Гука в области механики и космологии.
Как уже говорилось, на становление Гука как ученого оказал влияние также Бойль. Но это влияние было взаимным: Гук консультировал Бойля по математическим вопросам, в которых был сильнее Бойля, и познакомил последнего с творчеством Декарта.
Как ученый-исследователь Гук — несомненный материалист: он убежден в существовании внешнего мира и ищет его закономерности. Несмотря на свою религиозность, присущую, впрочем, и Декарту, и Ньютону, и подавляющему большинству их современников, Гук никогда не прибегает к идеалистическому истолкованию сил и явлений природы. В XVII в. положение системы Коперника признавалось еще не всеми и ее нужно было доказывать: Гук посвящает доказательству гелиоцентрической системы целую серию экспериментов. И нужно отдать ему справедливость, в пауке Гук никогда не отходил от реальной действительности, чего нельзя сказать ни о Ньютоне, ни о Бойле: оба ученых усиленно занимались алхимией.
У Гука было несомненное художественное чутье. Оно проявлялось не только в его архитектурных проектах; он был прекрасный чертежник, рисовальщик и гравер. Пристрастие к рисованию было у него с детства. По словам Джона Обри, с помощью карандаша и мелков Гук недурно копировал различные картины и изображения. Затем уже в оксфордские годы он изучил черчение настолько, что выполненные им чертежи являлись для своего времени образцовыми. Гук сам иллюстрировал свою “Микрографию”, и его иллюстрации к ней настолько точны и художественны, что их перепечатывали в различных книгах по естествознанию вплоть до XIX в.
Гук много учился, но школу и затем университет посещал редко; по складу своего ума он предпочитал самостоятельную работу над книгой, хотя это и не помешало ему впоследствии стать хорошим педагогом. Однако самым любимым его занятием была несомненно механика, к которой относится, вероятно, большая часть его изобретений и над проблемами которой он работал с большим увлечением. Но механика принесла ему и самое большое горе.
1
Лели (Lely), собственно Питер ван-дер-Фас (van der Vaes, 1618-1680),-живописец. Учился в Харлеме. Прибыл в Англию в 1641 или 1643 г.; с конца 40-х годов - ведущий портретист Англии, с 1661 г.- главный королевский художник.2
Первое издание "Геометрии" Декарта вышло в 1637 г.Тревилъян Дж. М.
Социальная история Англии. М.: Изд-во иностр. лит., 1959, с. 252.4
Keynes G. A bibliography of Dr. Robert Hooke. Oxford, 1960, p. 2-4.5
Boyle R. Works. L.. 1772, vol. 3, p. 463.6
Gnnther R. T. Early Science in Oxford. Oxford, 1931, vol. 7, p. 468.7
Ganther R. Т. Early Science in Oxford. Oxford, 1938, vol. 13, p. 21.8
Centore F. F. Robert Hooke's contributions to mechanics. The Hague, 1970, p. 47-48.Джон Обри (John Aubrey, 1626-1697) - английский антиквар, сын мелкого помещика. Учился в Тринити-колледже Оксфордского университета, путешествовал по Англии. Член Королевского общества (1663).
|
|
 |
