Иронизируя над сторонниками теплотворной теории, Ломоносов пишет: «В наше время причина теплоты приписывается особой материи, называемой большинством теплотворной ..Это мнение в умах многих пустило такие могучие побеги и настолько укоренилось, что модно прочитать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы притягиваемой каким-то любовным напитком; и наоборот- о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом. Поэтому мы считаем нашей обязанностью подвергнуть эту гипотезу расследованию».
После того как Ломоносов «расследовал» эту гипотезу, от нее не осталось камня на камне. Отвечая сторонникам теплотворной теории, он утверждает, что теплота не слетает на тело неизвестно откуда, а является результатом движения мельчайших частичек, из которых состоит тело. По мнению Ломоносова, движения частиц просто и ясно объясняет расширение и сжатие, плавление и испарение тел. Теплота тел состоит во внутреннем их движении. Теория теплоты, разработанная Ломоносовым, опережает на столетие воззрения современных ему ученых. Достаточно сказать, что А.Л. Лавуазье, безусловно, знавший о работах Ломоносова, не мог подняться до уровня его взглядов и в своей систематике химических элементов на одно из первых мест поставил теплород. Тот самый Лавуазье, с именем которого связано разрушение теории флогистона, все-таки окончательно не избавился от предрассудков своих предшественников и верил в наличие теплорода, который по существу является одним из видоизменений флогистона.
Теория теплоты стала широко известна в Европе и вызвала чрезвычайно сильные возражения со стороны многих ученых того времени, сторонников теплотворной теории. Немецкий физик Арнольд написал диссертацию, задавшись целью опровергнуть, «нововыдуманную» теорию, и защищал ее 1754г. В Эрлангенском университете, о чем узнал Ломоносов из отчета, напечатанного в немецкой газете «Беспристрастный гамбургский корреспондент». «Господин Арнольд, - указывалось в этом отчете, - совсем опровергает, принимая в свои доказательства также и господина Ломоносова, некоторые предположения, но выводя из них противное нововыдуманной теории».
Ломоносов, ознакомившись с возражениями Арнольда, был глубоко возмущен его недобросовестностью, т.к. не понять существа его взглядов мог только невежда или заклятый враг. Он составляет опровержение и посылает его знаменитому академику Леонарду Эйлеру, жившему в то время в Берлине. Эйлер помещает ответ Ломоносова Арнольду в научном журнале, издавшемся в Амстердаме на французском языке. Сам Эйлер высоко оценил работу Ломоносова. В ответном письме он писал: «Всякий знает, что появлявшиеся до сих пор трактаты о причинах теплоты еще не разъяснило и вполне этого предмета, а занимающиеся его исследованием заслуживают величайшей похвалы. Вас нельзя не поблагодарить за то, что вы рассеяли мрак, покрывавший доселе этот вопрос».
В июле 1755г. Эйлер в официальном письме в Академию наук по поводу этой работы писал: «Совсем другое дело сочинение Ломоносова о причине теплоты: все, что другими было говорено о том, нелепо или неосновательно, и потому весьма далеко от достоверного объяснения; возражения же противников доказывают, с одной стороны, что они его мысли не поняли, а с другой- обличают их грубое невежество».
Таким образом, эта работа Ломоносова не только была известна, но и вызвала большую дискуссию. Имя русского ученого в Европе было известно еще ранее, т.к. одновременно с сочинениями о природе теплоты в журнале, издаваемом академией на латинском языке и рассылаемом всем иностранным академиям и университетам, были напечатаны еще три статьи Ломоносова, в том числе его замечательная работа «Попытка теории упругой силы воздуха», в которой он впервые дал строго обоснованную кинетическую теорию газов.
Следовательно, мы можем говорить не только о приоритете Ломоносова в создании теории теплоты, основанной на молекулярно-атомических представлениях, но и о том, что эта теория, как и другие его исследования, была в свое время хорошо известна учеными всего мира и широко обсуждалась.
Исходя из этой теории, Ломоносов решает такой важный вопрос физики и химии, как основы кинетической теории газов. До Ломоносова упругость воздуха объясняли особыми «блуждающими жидкостями». Он фундаментально разрешает этот вопрос в своей работе «Попытка теории упругой силы воздуха», где пишет: «Отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими в нечувствительные моменты времени, и, когда одни находятся в соприкосновении, вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили: таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны». И далее: «Воздушные атомы отталкиваются друг от друга в зависимости от увеличения или уменьшения степени теплоты более сильными или более слабым взаимным соприкосновением».
Объясняя упругость воздуха, он совершенно ясно и четко утверждает, что взаимодействие атомов воздуха обусловлено только теплотой. Отсюда более теплое тело обладает более быстрым вращением своих частиц более холодного тела, причем движение последних увеличивается настолько, насколько уменьшается движение первых.
Критикуя теорию «блуждающей жидкости», Ломоносов пишет в указанной работе: «Действительно, мы считаем излишним призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие- по обычаю века, изобилующего тонким материями, - применяют обычно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину в самой материи его».
Вряд ли эти высказывания Ломоносова нуждаются в разъяснениях. Чтобы оценить их, достаточно указать, что упругая сила воздуха в современной науке объясняется точно так же, как в свое время объяснял Ломоносов. Великий ученый не только открыл причины теплоты и холода, не только создал кинетическую теорию газов, но и страстно боролся с противниками этих теорий.
Термодинамика
Одними из первых исследований были посвящены теории теплоты и газов (1744--1750). Теория теплоты изложена Ломоносовым в работе «Размышление о причинах теплоты и холода», где он выступает с критикой теории теплорода, получившей уже широкое распространение. Согласно Ломоносову, теплота есть вращательное движение «нечувствительных частиц», составляющих тела. На вращательном движении Ломоносов остановился потому, что не признавал сил притяжения, действующих между частицами; он полагал, что в твердом теле частицы должны касаться друг друга, а так как при нагревании твердые тела сохраняют свой внешний вид, то тепловые движения частиц могут быть только вращательными. Отсюда, по его мнению, также следует, что частицы тел должны иметь форму шероховатых шариков. Конечно, Ломоносов неправ в этом конкретном вопросе. Следует, однако, отметить, что идея о том, что тепловое движение является вращательным движением частиц тела, встречается в первых работах по кинетической теории теплоты середины XIX в. Так, например, Джоуль в одной из своих работ, относящейся к 1844 г., высказывает точку зрения на теплоту как на вращательное движение молекул тела. Гипотезу о том, что теплота есть вращательное движение частиц тела, широко использовал Ранкин, английский ученый середины XIX в., в частности, для молекулярного обоснования второго закона термодинамики.
Теория теплоты Ломоносова содержит ряд важных вопросов. Так, Ломоносов обосновывал необходимость существования абсолютного нуля температур с точки зрения понятий кинетической теории теплоты. Ломоносов правильно разграничивал понятия температуры и количества теплоты и давал им молекулярно-кинетическое толкование. Он полагал, что температура тела -- «степень теплоты» -- определяется скоростью движения частиц, тогда как количество теплоты зависит от общего «количества движения» этих частиц.
Кинетическая теория газов изложена Ломоносовым в основной работе «Опыт теории упругости воздуха» (1748). В этом сочинении Ломоносов разработал кинетическую модель идеального газа. Она в ряде основных черт совпадает с моделью, которая была затем принята в физике. Главное отличие модели Ломоносова от принятой впоследствии заключалось в механизме взаимодействия. Ломоносов не считал молекулы воздуха упругими шариками, как это было принято в кинетической теории газов в XIX в. Это объяснялось его взглядами на теплоту как на вращательное движение, а с другой стороны, тем, что Ломоносов считал молекулами газа «нечувствительные частички», которые, как он полагал, были «кирпичами» мироздания, лишенными физического строения, абсолютно твердыми и неделимыми. Ломоносов предположил, что частицы отталкиваются друг от друга так же, как отталкиваются два вращающихся волчка, когда они соприкасаются. Вращение же частичек газа обусловливается тем, что газ всегда нагрет до определенной температуры. Построив модель газа, Ломоносов объясняет с ее помощью ряд явлений. Он объяснил зависимость, существующую между объемом и упругостью воздуха, т. е. закон Бойля -- Мариотта. При этом Ломоносов отметил, что для сильно сжатого воздуха этот закон не соблюдается, и правильно указал одну из причин этого -- конечный размер молекул воздуха. Как известно, эта идея Ломоносова была применена во второй половине XIX в. Ван-дер-Ваальсом при выводе уравнения состояния реальных газов.
Исследования Ломоносова по теории теплоты и газов были напечатаны в академических записках «Novi Commentarii» в 1750 г., физическом словаре Геллера «Geller's physikalische worterbuch», изданном в первой половине XIX в.
Многие работы Ломоносова посвящены исследованию оптических и электрических явлений. Из работ Ломоносова по оптике и электричеству известны: «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» (1753), «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее» (1756) и «Теория электричества, изложенная математически» (1756). Для объяснения сущности оптических и электрических явлений, как и для объяснения сущности тепловых явлений, Ломоносов не привлекал невесомые материи. Кроме обычной материи, из которой состоят все весомые тела, он принимал еще только эфир, движением частиц которого он пытался объяснить свойства света и электричества. Ломоносов был противником корпускулярной теории света и защищал волновую теорию. Он приводил ряд соображений, свидетельствующих в пользу волновой теории. Ломоносов, например, указывает, что с точки зрения корпускулярной теории света непонятно, как могут световые лучи одновременно пронизывать какое-либо прозрачное тело в разных направлениях, не мешая друг другу. Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так что тысячи пучков света будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будет мешать другому. По мнению Ломоносова, этот факт противоречит корпускулярной теории света, в волновой же теории он объясняется сам собой, так как волны проходят в, разных направлениях через одну и ту же точку пространства, не мешая друг другу. Ломоносов высказывает интересные соображения: «Тоже наглядно показывают волны вод: а именно, если при спокойном воздухе бросить в разные места водной поверхности камни, то каждый в отдельности вызывает собственные волны, которые направляются прямо от точки падения во все стороны и, встречаясь друг с другой, не останавливаются и не возмущаются, но продолжаются до тех пор, пока приложенная сила не притупится по другим причинам».
Электродинамика. Если бы Ломоносов остановился на данном вопросе подробнее и рассмотрел случай встречи волн, приходящих в одну точку в различных фазах, то весьма возможно, что он пришел бы к принципу интерференции волн, который был открыт английским физиком Юнгом позднее, на рубеже XVIII -- XIX вв.
В области исследования электрических явлений главная заслуга Ломоносова заключается в разработке теории атмосферного электричества на основании экспериментальных исследований с атмосферным электричеством. Эти исследования он сначала проводил совместно с Рихманом. Летом 1753 г. произошла трагическая смерть Рихмана от шаровой молнии во время опытов с атмосферным электричеством. Ломоносов продолжал начатые исследования, экспериментируя с «громовой машиной», которая представляла собой установленный на крыше дома или дереве железный шест, от которого в комнату проводилась проволока. В результате этих опытов, а также предшествующих исследований атмосферных явлений Ломоносов разработал теорию образования атмосферного электричества, согласно которой в атмосфере имеют место восходящие и нисходящие потоки воздуха. В результате происходит трение между «горючими шариками» (т. е. испарениями) в восходящих потоках и парами воды в нисходящих. Эти «горючие шарики» и пары воды, электризуясь трением, создают в атмосфере (вследствие громадного их числа) огромные электрические заряды.
В планах опытных исследований Ломоносова встречается множество экспериментов. Например: «будет ли наэлектризованное олово плавиться при меньшей степени огня?»; «изучать преломление солнечных лучей в растворах сравнительно с таковым в воде»; «приносит ли что-нибудь электрическая сила к растворению солей?»; «каков будет цвет электрических искр и пламень, вызванный в растворах солей и в соляных жидкостях?»; «наблюдать, способствует ли электрическая сила кристаллизации или мешает» и т. д. Подобные опыты не были характерны и общеприняты для времени, когда жил Ломоносов. Они приобретают значение в физике XIX в., когда перед ней встали новые задачи исследования связей между различными физическими явлениями.
Приборостроение. В рамках метеоисследований, в том числе измерений на разных М. В. Ломоносов, независимо от идеи Леонардо да Винчи, чьи труды найдены много позже, разработал летательный аппарат вертикального взлёта -- первый прототип вертолёта, при двух равных винтах на параллельных осях, равноудалённых от центра тяжести и оси прибора. Однако он не подразумевал пилотируемых полётов -- только подъём метеоприборов.
Документы показывают, что учёный сделал его действующую модель. По протоколу конференции Академии Наук (1754, июля 1; перевод с латинского) и в отчёте М. В. Ломоносова о научных работах в 1754 году (1755)
№ 4...Высокопочтенный советник Ломоносов показал изобретённую им машину, называемую им аэродинамической [воздухобежной], которая должна употребляться для того, чтобы с помощью крыльев, движимых горизонтально в различных направлениях силой пружины, какой обычно снабжаются часы, нажимать воздух [отбрасывать его вниз], отчего машина будет подниматься в верхние слои воздуха, с той целью, чтобы можно было обследовать условия [состояние] верхнего воздуха посредством метеорологических машин [приборов], присоединённых к этой аэродинамической машине. Машина подвешивалась на шнуре, протянутом по двум блокам, и удерживалась в равновесии грузиками, подвешенными с противоположного конца. Как только пружина заводилась, [машина] поднималась в высоту и потом обещала достижение желаемого действия. Но это действие, по суждению изобретателя, ещё более увеличится, если будет увеличена сила пружины и если увеличить расстояние между той и другой парой крыльев, а коробка, в которой заложена пружина, будет сделана для уменьшения веса из дерева. Об этом он [изобретатель] обещал позаботиться... / № 5 ...Делал опыт машины, которая бы, поднимаясь кверху сама, могла поднять с собою маленький термометр, дабы узнать градус теплоты на вышине, которая хотя с лишком на два золотника облегчилась, однако к желаемому концу не приведена.