Проблема инструментализации измерений
Точное измерение количественных характеристик исследуемых предметов является одним из важнейших моментов научного исследования. Уже в античной натурфилософии были предприняты попытки решения проблемы изменчивости человеческих ощущений: предлагались стандартные, не зависящие от субъективной оценки эталоны и инструменты, обеспечивавшие сравнение различных величин. Смена дня и ночи, движение звезд и само человеческое тело служили первыми, пусть и не всегда надежными, точками отсчета. Простейшие измерения производились рычажными весами, линейкой, циркулем, песочными и водяными часами еще в глубокой древности. XVII век стал свидетелем нескольких инструментальных прорывов: часы с маятником открыли путь к точному изменению времени. Барометр открыл неведомый ранее мир атмосферного давления. Появились и первые приборы для измерения температуры — термометры, однако поначалу они были довольно громоздки, и точность их была явно недостаточной. Например, известный своим опытом с Магдебургскими полушариями Отто фон Герике изготовил довольно сложный воздушно-спиртовой термометр несколько метров высотой (1672 г.), имевший шкалу с восемью значениями от «очень жарко» до «очень холодно».
В XVII–XVIII вв. ученые попытались найти способы более точного определения температуры. Принцип решения этой был вполне очевиден: сначала надо было взять несколько объектов, температура которых могла бы быть принята за эталон для установления «контрольных точек», с которыми можно было бы сравнить температуру изучаемого образца.
Исаак Ньютон установил два десятка контрольных точек: от холодного зимнего воздуха до тлеющих углей. Этот способ вскоре был им отвергнут, в виду очевидных затруднений в его практической реализации и недостаточной точности. Его следующая попытка оказалась более удачной. К этому времени было уже хорошо известно, что большинство тел заметно расширяется при нагревании. Ньютон измерил температурное расширение льняного масла между двумя из выбранных им контрольных точек — тающим снегом и температурой человеческого тела, после чего разделил отрезок, на который сместился уровень льняного масла в тонкой трубке, на двенадцать равных частей.
Одновременно с Ньютоном один из первых действующих термометров создал датский астроном Оле Рёмер, знаменитый своим измерением скорости света (1676). В качестве расширяющегося вещества он использовал крепкое красное вино. Контрольными точками ему служили температура смеси льда и соли в равных пропорциях (самая холодная субстанция, которую могли получить в лабораториях того времени) и кипящая вода. Шкала Рёмера была разделена на 60 равных ступеней, с нулем на температуре льда с солью.
Работы Рёмера продолжил Даниэль Габриэль Фаренгейт, посвятивший много времени изготовлению точных метеорологических инструментов, среди которых был ртутный термометр, созданный им в 1714 году. После ряда экспериментов Фаренгейт значительно увеличил дробность шкалы Рёмера. Контрольными точками были все тот же лед с солью (приблизительно 17,8 градусов Цельсия) и температуру собственного тела —— 37,8 градусов Цельсия.[59] Этот промежуток Фаренгейт разделил на 100 ступеней. Однако возможно самым замечательным достижением было то, что Фаренгейту удалось наладить производство серии термометров, показания которых сходились между собой.
Если Фаренгейт отталкивался от шкалы Рёмера, то линию Ньютона почти одновременно продолжили академик парижской Академии наук Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683—1757) и профессор Академии наук и художеств в Санкт-Петербурге, также выходец из Франции, Николя Делиль (1688—1768).
В 1731 г. Фершо де Реомюр заинтересовался проблемами метеорологии и на основе тех же контрольных точек (замерзания и кипения воды) построил восьмидесятиградусную шкалу. Причины, по которым он выбрал именно восемьдесят ступеней, темны. Одно из предположений связано с алгоритмом градуировки и коэффициентом температурного расширения 80% водного раствора спирта (1 градус Реомюра соответствовал увеличению объема на одну тысячную, по сравнению с изначальным объемом спирта при температуре замерзания воды).
Андерс Цельсий долгое время занимался проблемой инструментализации измерений. Для определения звездных величин, например, он предложил использовать набор стандартных затемненных стекол. В термометре Цельсия (1742) контрольными точками являются температуры замерзания и кипения воды (при нормальном давлении), стоградусная шкала первоначально использовалась им в инвертированном виде.
В 1848 г. стоградусная шкала Цельсия была положена в основу термодинамической температурной шкалы, предложенной Уильямом Томсоном, лордом Кельвином. В качестве контрольной точки Томсон избрал гипотетическое состояние покоя молекул вещества (абсолютный термодинамический ноль). Точка замерзания воды оказалась в 273,15 градусах от абсолютного нуля. Аналогичная абсолютная термодинамическая шкала была разработана в 1859 г. Уильямом Джоном Маккворном Ранкиным на основе стоградусной шкалы Фаренгейта. Она использовалась в течение какого-то времени для технических расчетов в США, пока ее окончательно не вытеснила международно-признанная шкала лорда Кельвина.
Теория «животного электричества»
Механистическая картина мира XVIII века оказалась не вполне полной, поскольку некоторые эмпирические факты не удавалось интерпретировать в терминах механики Ньютона. В оптике, например, сохранялась ситуация корпускулярно-волнового дуализма: дифракцию и интерференцию света не возможно объяснить динамикой «световых корпускул». Не меньшее проблематичной оказалась создание механистической теории электричества и магнетизма. В этой связи вполне объяснимо использование столь странных, с точки зрения современной науки, понятий как «мировой эфир» или «животное электричество».
В 1801 году в Париже в присутствии Наполеона Бонапарта состоялось представление работы Алессандро Вольта «Искусственный электрический орган, имитирующий натуральный электрический орган угря или ската». Вольтов столб предположительно давал напряжение 40-50 вольт и ток менее одного ампера.
Вольта поразил многочисленных зрителей «оживлением» отрезанных членов с помощью малых количеств электричества. Идея этих опытов принадлежала не ему, а итальянскому врачу и физиологу Луиджи Гальвани. Явление, получившее название «опыт Гальвани», он обнаружил случайно и не смог правильно объяснить, поскольку исходил из ложной гипотезы о существовании некоего «животного электричества».
Ко времени написания Л. Гальвани «Трактата о силах электричества при мышечном движении» существование животного электричества было уже не гипотезой, а научно установленным фактом (в 1773 г. Джон Уолш доказал электрическую природу разрядов электрических рыб). По мнению Гальвани, разряды электрических органов рыб отличаются от электрических сокращений мышц лягушек только количественно, но не качественно. Весь мир пронизан электричеством, в каждой лягушачьей лапке, в каждом живом органе текут слабые гальванические токи, вызывающие поразительные физиологические эффекты. Ему представлялась более чем очевидной гипотеза о том, что мозг экстрагирует электрический флюид из крови, а легкие всасывают электричество из атмосферы. Тонкая электрическая жидкость, неразличимая ни в какие микроскопы, распространяется по нервам, питает все члены и обеспечивает функционирование всех чувств. Казалось бы, опыты Гальвани убедительно подтверждали эту теорию. Проблематичным осталось лишь производство «искусственного электричества»
А. Вольта ввел термин «электрическая жизнеспособность» для обозначения способности организмов или их частей «оживать» при замыкании нервов дугой, И установил, что два разнородных металла могут быть источником электричества, что предполагало для него возможность «бесконечной циркуляции электрических истечений, вечного движения».[60] Для Гальвани, который был уверен, что источник энергии находится внутри организма, существование металлического электричества было лишь поводом для модификации физиологических опытов. Отрицая существование «животного электричества», Вольта, тем не менее, продолжил эксперименты с различными живыми организмами (главным образом с угрями и скатами), но более всего его интересовал вопрос, почему два разнородных металла, например серебро и цинк, дают большой физиологический эффект, а дуга из одного металла действует слабо?
Решающим шагом к изобретению «вольтова столба» явилось предположение «эффекта суммации», которое было невозможно сделать на основе явления контактной разности потенциалов металлов. Формулировка этой гипотезы, которая впоследствии будет названа «правилом Вольты», гласит: «В цепи, состоящей из любого количества металлов, электродвижущая сила равна нулю». Тем не менее, очевидно, что конструкция «вольтова столба», ныне широко используемая в аккумуляторных батареях, разрабатывалась не на основе физической теории, а по аналогии с «живым электричеством».