В жизни наук, в тесной связи с упадком и возникновением научных теорий, происходит постоянное чередование периодов критического сомнения и оптимистической веры в силу человеческого ума. Обветшание и отмирание воззрений, превратившихся в догмы, естественно порождает недоверие и отрицание, которые, однако, при каждой новой победе науки уступают место убеждению в реальном значении научного мышления. Однако ни одно из этих противоположных течений не удерживает за собой исключительного господства, — во всяком случае, на долгое время. Большею частью они существуют рядом в зависимости от способностей, направления и рода занятий научных работников; чаша весов склоняется иногда то в одну, то в другую сторону лишь под влиянием текущего хода развития науки; в переходные же эпохи нередко наблюдается полное равновесие между обоими этими течениями.
Таким же переходным характером отличается и новейшая физика, преимущественно в смысле различной оценки методических факторов и различия взглядов на объективное, реальное значение гипотетических выводов.
До начала предыдущего периода существовало, по-видимому, полное единодушие насчет того, что в основу каждой физической дисциплины должна быть положена особая элементарная материя и что каждая дисциплина может быть рассматриваема как учение о силах, свойственных соответствующей материи, и, следовательно, таким путем она может быть обособлена от других физических дисциплин. По этой удобопонятной и простой схеме механика, например, рассматривалась как учение о весомой материи, оптика — как учение о световом веществе; в основу учения о теплоте клали теплород; учение о магнетизме и электричестве сводили к свойствам магнитных и электрических жидкостей. Победа, одержанная в предшествующий период волновой теорией света, имела своим результатом не только крушение специальной оптической теории, но и представляла собой — в противовес указанной концепции — покушение на всю вообще действующую научную систему. С принятием волновой теории оптика как бы сразу выделилась из круга прочих физических дисциплин; с этих пор область ее стала определяться не особой материей с особыми ее свойствами, а лишь своеобразным движением эфира — вещества, которое не имело специального отношения к свету и которое могло быть положено в основу не одних только световых, но и других физических явлений. Правда, с подобной же точки зрения уже с давних пор рассматривали другую физическую дисциплину — акустику: никто не объясняя звуковых явлений каким-либо особым звуковым веществом, аналогичным световому или тепловому, но все рассматривали звук только как особый вид движения весомой материи. Сторонники волновой теории света при своих оптических исследованиях всегда ссылались на акустические аналогии, а Т. Юнг даже прямо брал их за исходную точку в своих работах. Но, с одной стороны, под влиянием долгой привычки не замечали противоречия этого факта господствующему воззрению, а с другой стороны, акустика была, как бы исключена из числа самостоятельных физических дисциплин и рассматривалась только как некоторый придаток к механике. Подобное отношение к акустике представлялось тем более естественным, что до того времени физика почти не останавливалась на звуковых ощущениях, а занималась исключительно вопросами о происхождении и распространении звука. Более правильно было оценено принципиальное значение выдвинутых Румфордом, Дэви и другими в начале прошлого столетия возражений против теплорода, которых не удалось опровергнуть и с фактической стороны. Однако и здесь противники не сдались. Противопоставив новым фактам необходимость единства воззрений на явления природы, они стали подыскивать в прочно сложившейся системе господствующих теорий убедительные аргументы, которые как будто говорили в пользу реального существования оспариваемого вида материи.
По отношению к новой теории света подобные возражения были, конечно, уже немыслимы. Благодаря редкому сочетанию математического гения с экспериментальной изобретательностью науке удалось установить основы волновой теории с такой полнотой, что не осталось ни одной самой запутанной проблемы, каковы, например, дифракция и поляризация света, которая не была бы доступна математическому анализу; гипотезы, входившие в состав этой теории, находили при этом тысячекратное подтверждение и давали даже возможность наперед указать будущие оптические открытия, которые и подтверждались впоследствии с астрономическою точностью. Теория истечения отжила, таким образом, свое время, и световое вещество было без возражений вычеркнуто из числа реально существующих объектов. Вместе с тем, однако, перед каждым вдумчивым физиком настоятельно возникал вопрос, следует ли при истолковании явлений совершенно отбросить элементарные виды материи с их первичными силами и сводить все явления к особым видам движения или же пока сохранить оба метода объяснения оптических явлений как равноправные. Последнее становилось, впрочем, все труднее, так как вообще понятие о невесомых проявляло все больше и больше тенденцию к исчезновению. Уже в предшествующем периоде Ампер своей электромагнитной теорией опроверг реальное существование магнитных жидкостей, и хотя его гипотезы еще долгое время не достигали достоверности френелевского учения о свете, тем не менее, они придали большую вероятность предположению, что еще одна физическая дисциплина должна иметь своим основанием не особую материю, а особый род движения. Вдобавок к этому в конце прошлого и начале настоящего периода и учение о теплоте, по крайней мере, наполовину, освободилось от ига старой теории и вступило на новый путь. Обширные и тщательные исследования Меллони, Кноблауха и других с полной строгостью доказали, что тепловые лучи во всем, что не связано прямо с длиной волны, совершенно тождественны со световыми, а в отношении преломления, отражения, дифракции и поляризации соответствие между ними таково, что формулы, выведенные для одних лучей, могут быть прямо применены и к другим. Не оставалось, таким образом, ни малейшего сомнения, что тепловые лучи распространяются при помощи той же среды, как и световые, т. е. при посредстве эфира, и что лучистая теплота, во всяком случае, не имеет ничего общего с теплородом.
Конечно, несмотря на одержанные ею победы, новой теории света предстояло еще преодолеть значительные трудности, корни которых лежали, главным образом, в невыясненном отношении эфира к весомой материи. Правда, та же неясность имела место и при прежнем представлении о световом веществе, но теперь вследствие большей наглядности новой теории эти недочеты выступили резче прежнего. В предшествовавшем периоде мы уже указывали на не вполне успешные усилия выяснить сущность явления дисперсии; теперь предстояло преодолеть еще большие трудности по отношению к поляризации. Френель считал, что колебания поляризованного света происходят перпендикулярно к так называемой плоскости поляризации; позднее Нейман при объяснении этого явления исходил из прямо противоположного предположения. Этот вопрос много обсуждался, однако, не был окончательно разрешен, так что и теперь в случае голосования можно было бы ожидать, что голоса разделятся поровну. Точно так же для объяснения отражения света прозрачными телами Френель принимал, что отражение света происходит на плоскости, а Жамен и другие доказали, что вытекающие отсюда поляризационные состояния отраженных лучей не вполне соответствуют действительности. Вследствие этого френелевские формулы для интенсивности отраженных и преломленных лучей должны были утратить свое строгое значение, и Коши попытался вывести новые, более согласные с опытом формулы, допустив мгновенное возникновение продольных волн вблизи поверхности отражения. Но, с одной стороны, и эти формулы могли быть только приближенными, так как при их выводе не было принято в расчет поглощение света, а с другой стороны, предположение, сделанное Коши, сочли необходимым заменить другим, более вероятным, которое, однако, в свою очередь, не могло обеспечить выводам полной достоверности. В теории аберрации света встретились с новыми затруднениями вследствие того, что согласно волновой теории нельзя было непосредственно допустить полной независимости движения света в прозрачном теле от собственного движения последнего. Однако вскоре опыты Физо показали, что допустить такую независимость можно и при волновой теории; при этом произведенные для этой цели измерения скорости света в воздухе, жидкостях и твердых телах привели даже к прямым экспериментальным доказательствам в пользу волновой теории и против теории истечения. Наконец, все более частое применение в оптике акустических аналогий и их безусловная плодотворность ясно говорили в пользу кинетической разработки физических проблем. Фосфоресценция, которой вновь стали заниматься с большим интересом, представляла собою, правда, явление не неблагоприятное для теории истечения; но, с другой стороны, — путь к выяснению истинного значения флюоресценции, находящейся, несомненно, в тесной связи с фосфоресценцией, был указан лишь волновой теорией и законы ее были установлены впервые с помощью последней. Точно так же открытие Доплером изменения цвета вследствие движения источника света или тела, воспринимающего свет, могло быть сделано лишь на почве волновой теории, хотя для данного периода оно и явилось преждевременно созревшим плодом. Наконец, быстро расцветшая как раз в этот период физиологическая оптика показала, что даже для теории светового ощущения нет никакой необходимости в допущении особого светового вещества с особыми силами ощущения.
К сожалению, все эти доводы, столь благоприятные для кинетических воззрений на явления природы, уравновешивались неудачами в области электричества. Попытка непосредственного применения волновой теории к электрическим явлениям совершенно не удалась: на электричестве не удалось констатировать ни одного из характерных явлений колебательного движения, как отражение, преломление, дифракция, интерференция и т. п. Какими-либо другими, не колебательными движениями эфира объяснить электрические явления тоже не удалось; единственное приближение к эфирной теории электричества заключалось в том, что, вернувшись с Фарадеем к унитарной теории, стали высказывать мысль о возможности отождествить принятую единую электрическую жидкость с эфиром. Однако и после этого многие французские и немецкие физики, в особенности физики-математики, продолжали придерживаться дуалистической теории электричества ввиду большого удобства ее применения, не предаваясь при этом сомнениям теоретико-познавательного характера.
Из всех физических дисциплин механика в описываемый нами период, по-видимому, меньше других нуждалась в обновлении, так как переворот в физике коснулся сперва только невесомых.
Трудности, встречавшиеся при изучении вращения тел, в особенности при исследовании особых движений на вращающихся телах, носили по существу математический характер, и как раз здесь, в той области, откуда экспериментальная физика была, как будто вовсе исключена, последняя отпраздновала ряд побед. Опыты с падением и бросанием тел, вращательные приборы и в особенности маятник Фуко, примененный для доказательства вращения земли, возбудили столь живой интерес к механическим проблемам, какого уже давно не наблюдалось. И все-таки механика должна была постепенно, хотя сначала почти незаметно, быть втянутой в общий переворот воззрений. На это указывала уже все более и более возраставшая неуверенность в правильности обоснования так называемых начал механики, выразившаяся в этот период в многочисленных и тщетных попытках обосновать параллелограмм сил. Непосредственные, трудно преодолимые препятствия представляла в особенности механика молекулярных сил. При выводе явлений движения весомых конечных масс формула сил Ньютона была для аналитической механики вполне достаточна, а необходимый для образования системы элемент отталкивания уже сам Ньютон вполне кинетически объяснил центробежной силой, т. е. сохранением движения. Но поскольку в телах не признавали движения молекул, молекулярная механика должна была допустить наряду с притяжением также и отталкивание молекул, причем относительно последнего было только установлено, что оно должно убывать с расстоянием гораздо быстрее, чем притяжение. Но так как эту силу отталкивания пришлось совершенно отождествить с отталкивательной силой тепла, то тем самым механика была, очевидно, поставлена в зависимость от судьбы невесомых, что, впрочем, привело к неизбежным выводам лишь в последующий период, с возникновением новой теории газов. Однако независимо от этого молекулярная механика заключала в себе много других невыясненных элементов. В то время как математик, работая в области механики, пытался свести все явления к действию двух упомянутых противоположных сил, физик был вынужден для объяснения молекулярных явлений принимать другие, не первичные, а производные силы, вывод которых из элементарных сил был неясен или же оставался совершенно необоснованным. Возбудившие всеобщий интерес опыты Плато, касавшиеся свойств жидких пленок, удивительные явления быстрого расплывания жидкостей по жидкостям, усердно проводившиеся работы по волосности, диосмосу, диффузия жидкостей и газов (где с особенным успехом работал Грэхем), интересные возбудившие столь большие надежды опыты Мозера с осаждением паров, абсорбция газов жидкостями и твердыми телами, растворение последних в жидкостях — все эти явления требовали и подтверждали разделение молекулярного притяжения на две различные силы: сцепление и прилипание. Но о том, как вывести их из общего источника, из силы притяжения, и чем принципиально объяснить их различие в отдельных телах, об этом едва решались судить. Ко всему этому прибавились еще новые силы, которых нельзя было свести ни к сцеплению, ни к прилипанию. Таковы были: введенное Пуассоном и теперь вновь подтвержденное поверхностное натяжение, осмотическая сила Грэхема и вязкость, проявляющаяся не только в жидкостях, но и газах, и вызывающая явления, которые, правда, обозначили определенным термином внутреннего трения, но которые были достаточно внимательно исследованы лишь в течение последующего периода. Наконец, даже впервые теперь удавшийся опыт сжижения газов с помощью давления не укладывался в рамки старой физики, поскольку им стирались прочные грани между различными агрегатными состояниями вещества.
Таким образом, положение физики в этот период становилось все более и более хаотичным. Наряду с весомой материей, невесомыми электрическими жидкостями и, пожалуй, еще одной невесомой жидкостью — теплородом, существовал еще и эфир, о котором не знали, считать ли его весомым или невесомым. При этом невесомые жидкости перемещались друг по другу, сталкивались и проникали друг в друга таким образом, что допустить эту путаницу можно было, лишь исходя из мысли о совершенно нематериальной природе этих веществ. Такому дуализму материи в полной мере соответствовал и дуализм действия сил. Весомой материи, как и старым невесомым, были присвоены элементарные силы, которые действуют на расстоянии непосредственно, независимо от состояния движения вещества; эфир же проявлял свои силы лишь с помощью движений, способных переходить от одного места к другому не мгновенно, а постепенно, с конечною скоростью.
Все это, конечно, требовало каких-то изменений, но осуществить последние было труднее, чем держаться старого. После решительного фиаско Гегеля натурфилософии как философской науки не существовало, а самому физику обратиться к натурфилософии тотчас же после своей борьбы против философии не представлялось возможным; таким образом, науки, построенной на единстве воззрений на материю и силу, по всем признакам не существовало. К этому присоединилось еще и то обстоятельство, что значение атомистики, служившей до сих пор наиболее твердой опорой теории материи, в это время было поколеблено в самой ее основе — в области химии. Атомная теория, столь содействовавшая до сих пор прогрессу химии, становилась все более беспомощной в объяснении постепенно усложнявшихся химических явлений. Многочисленные изомерии, метамерии и полимерии, равно как постоянно возраставшее число аллотропических модификаций, были, по-видимому, несовместимы с принятой неизменностью атомов; одна значительная школа химиков вовсе отбросила атомы как ненужную фикцию и даже заменила термин «атомный вес» выражением «эквивалент». Поэтому неудивительно, что значительная часть физиков, еще не вполне освоившихся с крушением старой системы, считала невозможным систематическое построение науки на более глубоких, хотя непосредственно и необозримых началах; новые открытия, казалось, указывали им, что не следует выходить за пределы прямого наблюдения и что всякий закон природы может быть строго установлен лишь посредством эмпирических приближенных формул. Таким физикам представлялось научно допустимым только описание непосредственно наблюдаемых явлений и надежными лишь правила, индуктивно выведенные из многих наблюдений; гипотезы же о причинах явлений представлялись для них при всех условиях лишь вспомогательными построениями, облегчающими общее обозрение результатов и вывод законов, но лишенными всякого объективного значения. Благодаря этому физические гипотезы, с одной стороны, представлялись совершенно произвольными и могли быть совершенно несвязанными между собою и даже противоречащими друг другу, а с другой стороны, — оперирование с такими не реальностями считалось вообще опасным, и тем опаснее, чем стройнее была теория и чем шире был круг ее применения. Физики этой школы становились особенно нетерпимыми в тех случаях, когда гипотеза в своем развитии приобретала заманчивый облик реальности. Тогда выражение Ньютона «я не строю гипотез» они превращали в инквизиторское правило: «не смейте строить гипотез».
Однако, несмотря на этот запрет и даже на несколько аутодафе, совершенных в честь последнего, те из физиков, которые продолжали сознавать потребность в более глубоком причинном изучении явлений и не утратили веры в возможность познания мира, продолжали заниматься вопросами о внутренней сущности явлений и их причинной зависимости и требовать реальности всех признанных материй и сил, по меньшей мере, как идеала человеческого познания. При таком взгляде на дело представлялось необходимым разрешить основные противоречия в науке — произвести выбор между различными элементарными невесомыми и единым эфиром или, еще глубже, — между различными первичными силами, приписываемыми ввиду разнородности их действия различным материям, и непрерывными движениями (которые все можно переносить на части материи) как всеобщей причиной явлений. Однако прямой доступ к невесомым был невозможен, так как они представляли собою по существу не что иное, как абстрактные основы для определенных действий силы; следовательно, если желательно было добиться ясности, приходилось начинать с проблемы сил.
Этим по существу одинаковым путем и пошли два передовых бойца новейшей физики — Роберт Майер и Джоуль, с тою лишь разницею, что первый исходил прямо из общей проблемы, а специальную проблему привел лишь в качестве примера; второй же, исходя из этой частной проблемы, отсюда уже поднялся до общей. Оба они исходили из полной взаимной превратимости сил как из вполне установленного факта, и оба они установили постоянство отношения этих превращений во всех случаях, но Майер установил такое постоянство в самом общем виде для всех сил вообще, а частный случай постоянства отношения для взаимного превращения теплоты и механической работы привел только в качестве примера; Джоуль, наоборот, сначала путем многочисленных и тонких опытов определил механический эквивалент теплоты и уже потом высказал мысль, что аналогичное постоянство отношений является, по меньшей мере, вероятным и при превращении всех других сил.
Благодаря работам Джоуля закон сохранения силы был очень скоро признан. Вместе с тем устранение невесомой материи как реального вещества стало совершенно неизбежным, так как превращение, при котором одна сила непрестанно порождается, между тем как другая все время исчезает в совершенно определенном отношении, мыслимо лишь при условии, если силы рассматриваются не как особые свойства неразрушимых и непревратимых материй, а как действия различных движений.
Прежде всего, этот вывод был применен к теплороду, который и покончил свое существование тотчас же после появления закона сохранения силы. Уже в первых своих работах Джоуль показал, что как тепло весомых тел, так и свободная лучистая теплота, должны быть сведены к движению и именно к движению материальных молекул. Майер тоже самым решительным образом отрицал материальность теплоты, и физики, за немногими исключениями, присоединились к этому воззрению. Затем Клаузиус, Томсон и Ранкин взяли на себя трудную задачу: механическое действие теплоты, которое Карно столь удачно объяснил падением теплорода, вывести из тепловых движений и тем самым построить теорию термодинамических машин на новых теоретических основаниях. Благодаря их исследованиям, наряду с законом сохранения силы как первым началом было разработано второе начало новой теории теплоты, гласящее, что не вся теплота, заключенная в теле, может быть просто превращена в механическую работу. В связи с этим вторым началом возник длинный спор по вопросу о границах его применимости, оставшийся неразрешенным и до настоящего времени. Однако именно этот спор очень много способствовал дальнейшему развитию воззрений в новом направлении. Благодаря тому, что во время этих дискуссий ученые рассматривали проблемы теплоты исключительно с точки зрения особого рода движения, они мало-помалу вышли из специальной области теории теплоты и вступили в область более общих механических представлений. Благодаря этому второе начало, постепенно расширяясь, превратилось в общее механическое начало; вместе с тем все вообще физические дисциплины, освободившись от ига невесомых, начали развиваться как отдельные части единой механической или, лучше сказать, кинетической физики. Подобный же процесс превращений претерпело между прочим и трудное понятие температуры, которая сначала определялась как тепловое ощущение, потом как эффект теплового обмена, а затем в конце концов была сведена к движению и, следовательно, опять-таки получила механическое истолкование.
Нам остается еще упомянуть о характерном для нового времени развитии в области электричества. Выше было уже указано, что попытки отказаться от невесомых здесь меньше всего удались, а попытки создать механическую теорию электричества оказались совершенно неудачными. Несмотря на это, В. Вебер, тоже неотступно придерживавшийся электрических жидкостей, выступил с работой, в которой он доказал, что формула сил Ньютона совершенно недостаточна для характеристики электрических действий, что притягательные и отталкивательные силы электрических жидкостей не являются независимым от движений, как того требуют ньютоновские представления, и что они зависят не только от скорости, но и от ускорения движения. Таким образом, прежде всего Веберу удалось освободить и электрические силы от старого представления, что они являются элементарными свойствами материи; с другой стороны, он, по крайней мере, частично, свел действие их к движению, положив, таким образом, начало неизбежно последовавшей затем, как мы увидим, разработке вопроса в этом направлении. Той же цели Вебер способствовал введением в теорию электричества абсолютной системы мер: в самом деле, если все действия электричества можно полностью выразить в абсолютных единицах массы, пространства и времени, то эти действия должны быть совершенно независимы от каких-либо специфических электрических жидкостей.
Следует, однако, заметить, что в течение ближайшего периода, подлежащего нашему рассмотрению, были заложены собственно только первые основы новых воззрений, новой механической физики; вполне же сознательное дальнейшее развитие нашей науки в этом новом направлении приходится в большинстве случаев на следующий период. Доказательством этому служит, между прочим, тот факт, что на закон сохранения силы зачастую смотрели только как на обобщение правила, давно уже известного в отдельных специальных случаях, и лишь в течение последующего периода вполне оценили его плодотворное значение.