Тема 2.2. Новые открытия в физико-математических и естественных науках и технические изобретения последней четверти XIX – начала ХХ в

Развитие математики и астрономии. В период с 1871 по 1914 г. новые открытия в математике, физике, естествознании подорвали основы старой механистической картины мира и расчистили путь для новых эволюционных идей. Точные и естественные науки в этот период развиваются на основе практического опыта, обогащая его новыми открытиями. На границе отдельных отраслей научных знаний возникают новые науки: физическая химия, биохимия и т.д.

Начало нового периода в развитии математики связано с исследованиями в области неэвклидовой геометрии, проведенные итальянским ученым Эуженио Бельтрами, а также немецким математиком Феликсом Клейном.

Значительным событием в области аксиоматического метода была опубликованная в 1899 г. работа немецкого математика Давида Гильберта, который впервые решил задачу построения геометрической системы, логически развертывающейся из точно сформулированных, независимых посылок. Этим Гильберт сделал весомый вклад в математическую логику. Практическое значение этого открытия проявилось со временем.

В конце XIX в. значительное развитие получило учение об общих свойствах конечных и особенно бесконечных множеств. Теория множеств как математическая дисциплина была разработана в 1874–1884 гг. немецким математиком Георгом Кантором. Идеи и понятия теории множеств нашли применение практически во всех областях математики. Теория множеств стала одной из основ развития теории функций действительного переменного, современной общей топологии и других дисциплин.

В рассматриваемый период большое развитие получила теория вероятностей. Этот раздел математики занимается изучением случайных явлений, течение которых заранее невозможно точно предсказать и ход которых, казалось бы, при одинаковых условиях, может произойти совершенно по-разному в зависимости от случая. Теория вероятностей особенно быстро начала развиваться с прогрессом статической физики, нашла применение в естествознании и технике. На ее основе была создана теория наблюдений, которая получила развитие в связи с потребностями геодезии и астрономии. Большое значение в этой области математики имели труды Пафнутия Чебышева, Александра Ляпунова, Андрея Маркова-старшего. Так, теория марковских цепей дала возможность решить физические проблемы броуновского движения и диффузии.

На рубеже ХIХ и ХХ вв. важным направлением в развитии математики было учение о симметрии в общем виде, т.е. теория групп. Сначала она развивалась как вспомогательный аппарат для решения уравнений высших степеней в радикалах. На рубеже веков важное значение закономерностей симметрии проявилось во многих других разделах науки: геометрии, кристаллографии, физике, химии. Благодаря этому методы и результаты теории групп получили достаточно широкое распространение. Так, в 90-х гг. ХІХ в. Евграф Федоров решил с помощью теоретико-групповых методов важную проблему кристаллографии – задачу классификации различных кристаллических пространственных решеток.

В начале ХХ в. ученые многих стран продолжали разрабатывать проблемы топологии, которая сформировалась в отдельную отрасль математических знаний в связи с разработкой проблем теории функций комплексного переменного и качественной теории дифференциальных уравнений Анри Пуанкаре. В то время топология уже определилась как учение о тех свойствах геометрических образов, которые не изменяются при непрерывной их деформации.

В рассматриваемый период формируется понятие функционального пространства, а также основных идей функционального анализа. В математике пространство определяется как множество объектов, между которыми существуют отношения, сходные по своей структуре с обычными пространственными отношениями. Исторически первым является понятие эвклидова трехмерного пространства, которое рассматривается как множество точек, связанных определенными отношениями. Вследствие постепенного его обогащения возникло понятие функционального пространства, в котором точками являются функции. Такие пространства рассматривались итальянскими математиками В. Вольтерра (1887) и С. Пинкерле (1895), а также Д. Гильбертом (1904) и венгерским ученым Ф. Рисом (1912).

Новые достижения математики – создание аксиоматического метода теории множеств, новых аспектов теории вероятностей, теории групп, топологии, функционального анализа – тесно связаны с изменениями и развитием научных представлений о явлениях материального мира. В силу специфики предмета и метода исследования математика часто теоретически предваряет открытие многих физических и иных законов природы. В дальнейшем естественные науки стали все чаще обращаться к методу математического анализа своего материала.

Если наука до второй половины XIX в. не знала путей для объяснения физической природы процессов и явлений, происходивших во вселенной, то теперь астрономия получила новые методы изучения космоса: спектральный анализ и фотографию, которые основывались на достижениях физики и химии. Астроспектроскопия и фотография обусловили быстрое совершенствование новой области астрономии – астрофизики.

В последней трети XIX в. была разработана классификация звездных спектров. Изучение спектров небесных светил позволило доказать существование объектов как звездной (звездные системы, скопления), так и газовой (газовые туманности) природы. Первые точные определения звездных величин были проведены в 70–80-х гг. ХІХ в.; были созданы достаточно точные фотометрические каталоги. К концу века астрономия уже располагала довольно значительным материалом, относящимся к собственным движениям и параллаксам.

Существенное развитие получила звездная астрономия, которая во время исследований закономерностей звездной системы, кроме геометрических характеристик, начала широко использовать полученные астрофизическими методами физические характеристики звезд: спектральные классы, лучевые скорости, показатели цвета. Это позволило гораздо глубже выяснить закономерности строения и развития звездного мира.

В 1906 г. Якобус Каптейн предложил международный план исследования звездного мира путем изучения звезд в 206 избранных площадях, равномерно распределенных по небу. Исследования, проводимые по этому плану, предоставили богатый материал для изучения строения и динамики звездной системы. При выполнении этого плана накапливаются сведения о звездных величинах, спектральных классах, собственных движениях, лучевых скоростях. Большое значение имели и другие международные труды, такие как составление сезонных астрономических каталогов, фотографические «карты неба» и другие.

Негативное влияние на мировоззрение астрономов на рубеже ХIХ и ХХ вв. оказал общий кризис естествознания, который проявился в астрономии в тенденции к отрицанию бесконечности вселенной во времени и к признанию нашей Галактики единственной звездной системой, включающей все небесные тела. Однако исследования, проведенные многими учеными, доказали существование других звездных систем. В результате сложился новый раздел звездной астрономии – внегалактическая астрономия. Новые открытия в астрономии в рассматриваемый период определили переход от изучения только частных вопросов, которые касались природы отдельных небесных тел, к выяснению общих закономерностей их строения и развития.

Фундаментальные открытия в физике. В естественных науках на рубеже ХIХ и ХХ вв. главное внимание уделялись вопросам строения материи, ее микроструктуре. Исследования предыдущего периода привели к четкому разграничению атома и молекулы. С помощью периодической системы Менделеева была установлена связь между атомами, но закономерности изменений самих атомов еще не были выяснены. Выдвигались лишь предположения, что атом является сложным образованием. Кроме того, существовало мнение о наличии эфира – однородной мировой среды невыясненного строения. Электричество рассматривалась как флюид, то есть вещество особого строения.

В последней четверти XIX в. учение об электричестве начало занимать центральные позиции не только в физике, но и во всем естествознании. В 1873 г. Джеймс Максвелл создал электромагнитную теорию света. Развивая идеи Фарадея, он создал классическую теорию электромагнитного поля. Из разработанной им системы уравнений электродинамики следовало, что должны существовать электромагнитные волны. Реальность этих волн была экспериментально доказана Генрихом Герцем в 1887 г. Он показал, что эти волны также, как и световые лучи, отражаются, преломляются и т.д. В течение следующего десятилетия были открыты почти все диапазоны электромагнитных волн.

В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген, исследуя прохождение тока через трубки без воздуха, открыл электромагнитное излучение, которое он назвал Х-лучами. Вскоре было доказано, что лучи Рентгена – это электромагнитные волны очень короткой длины. Это открытие получило широкое практическое применение, прежде всего, в медицине.

Российский физик Петр Лебедев в 1891 г. получил короткие электромагнитные волны, которые заполняли диапазон между обычными радиоволнами и более короткими инфракрасными лучами. Он также экспериментально доказал, что электромагнитные волны могут оказывать также и давление. Исследования Лебедева показали, что электромагнитные излучения характеризуются не только энергией, но и массой.

Открытия Герца, Рентгена, Лебедева и других ученых дополнили теорию электромагнитного поля Максвелла и ликвидировали ее недостатки. Максвелл перенес центр внимания с электромагнитных зарядов на электромагнитное поле. Оно и вещество у него оказались разорванными. Поэтому вопрос об электромагнитных зарядах, порождающих поле и излучающих электромагнитные волны, вопрос о природе носителей заряда и тока изучался сначала без связи с электромагнитным полем.

В 1870 г. английский ученый Уильям Крукс открыл катодные лучи в разрядной трубке с разреженным воздухом. В 1874 г. английский физик Джордж Стони дал первое количественное определение заряда атома электричества и назвал этот заряд «электроном». Стони назвал электроном наименьший электрический заряд, связанный с ионом одновалентного вещества. Его соотечественник Дж. Томпсон в 1897 г. доказал, что катодные лучи являются потоком отрицательно заряженных электронов. Окончательно атомное строение электрических зарядов было доказано в 1911 г. опытами американского ученого Роберта Эндрюса Миликена. Открытие и исследование электронов оказало заметное влияние на учение о веществе.

Развитие учения об электромагнитном поле, открытие электрона, установление электромагнитной структуры атома привели к синтезу этих достижений в электромагнитной теории, которая получила развитие на рубеже XIX и ХХ вв. Окончательно ее сформулировал в 1909 г. голландский ученый Гендрик Лоренц в работе «Теория электронов». Все многообразие видов материи он рассматривал как результат взаимодействия положительных и негативных элементарных зарядов (электронов) и эфира. Однако дальнейшее развитие науки доказало, что не может быть универсальных теорий, которые объясняли бы все явления. Теория Лоренца не соответствовала фактам при объяснении непрерывного и прерывного.

Французский физик Антуан Беккерель в 1896 г., проводя опыты с солью урана, установил, что ее излучение способно проходить сквозь непрозрачную бумагу. Его работу продолжили Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, которые установили, что такие лучи выпускают все соединения, содержащие уран и торий. Такие вещества были названы радиоактивными. Уже в 1898 г. исследователи смогли получить из урановой руды радий. Впоследствии было установлено, что радиоактивность проявляется в виде альфа-, бета- и гамма-лучей.

Английский физик Дж. Томпсон в свое время предположил, что электроны в атоме располагаются слоями и что химические свойства элемента определяются внешним слоем электронов, что в дальнейшем и подтвердилось. Это был первый шаг в разработке теории атома. В 1903 г. он предложил модель атома в виде положительно заряженной сферы, в которой расположены небольшие по размеру отрицательно заряженные электроны.

Английский физик Эрнст Резерфорд в 1911 г. при исследовании рассеивания ядер гелия – альфа-частиц – атомами различных веществ установил, что эти частицы отклоняются на незначительные углы, хотя сталкиваются с сотней тысяч атомов. Лишь в некоторых случаях альфа-частица отклоняется на угол в 120–150°. Следовательно, встречные атомы пронизываются быстрой и массивной альфа-частицей. Резерфорд предложил планетарную модель атома, в центре которой находится положительно заряженное ядро, а его масса почти равна массе атома.

Но согласно классической электродинамике, электроны, движущиеся внутри атома, должны были бы непрерывно терять свою энергию на излучение электромагнитных волн. Их движение в середине атома прекратилось бы в миллионные доли секунды. Но это противоречило большой устойчивости атома. При этом свет, который излучал атом согласно электронной теории, должен был бы иметь непрерывный спектр. Но опыты, проведенные с раскаленными газами (т.е. совокупностью атомов, которые имеют большую энергию) показали, что они излучают вполне определенный линейный спектр, характерный для данного вещества.

Итак, выяснилось, что на основе классической механики и электродинамики невозможно объяснить процессы, происходящие внутри атома. Многочисленные теоретические обобщения и практические исследования, проведенные в разных странах мира в 1913 г. изменили взгляды ученых на проблему строения атома. В начале года А.С. Расселом был открыт закон, который объяснял альфа- и бета-распад как смещение электронов в периодической системе. Почти одновременно этот закон был выведен английским физиком Фредерико Содди и польским Казимиром Фаянсом. Затем Содди открыл явление изотопии. В конце года на заседании Физического общества в Копенгагене Нильс Бор сделал доклад «О спектре водорода», в котором дал описание новой динамической модели атома.

Значительным достижением физики в это время было создание квантовой механики – теории движения микрочастиц. Она позволяла учитывать волновые, атомистические и корпускулярные свойства материи. Впоследствии квантовая механика как отрасль теоретической физики стала основой ядерной физики.

Отправной точкой квантовой механики стала квантовая теория света. Еще в 1900 г. немецкий физик Макс Планк сделал предположение о том, что элементарные излучатели (атомы) могут отдавать свою энергию электромагнитному полю, т.е. излучая свет лишь дискретными порциями – квантами. Общенаучное значение работы Планка состояло в том, что он отбросил законы классической физики и ввел в научный оборот представление о прерывном, квантовом обмене энергией между излучающими системами и полем излучения.

Немецкий физик Альберт Эйнштейн в 1905 г. высказал мнение о том, что свет представляет собой совокупность элементарных световых частиц – фотонов, или квантов света. Он ввел понятие о квантовой (дискретной) структуре поля излучения. Это позволило объяснить многие физические явления: законы фотоэффекта, люминесценции, фотохимические закономерности.

Обобщением развития физики начала ХХ в. стала специальная (1905) и общая (1915) теория относительности Эйнштейна. Она открыла новые научные представления о пространстве, времени и тяготении. Ученый доказал, что представления об абсолютном пространстве и времени, которые строились на законах классической механики, противоречат законам, открытым физикой на рубеже ХIХ–ХХ вв. Пространство и время – есть формы существования движущейся материи и отдельно, независимо от материи не существуют.

Теория относительности Эйнштейна является одной из основ всей современной физики. С ее помощью происходят исследования атома и его ядра, а также элементарных частиц. Общая теория относительности изучает космологические проблемы.

Химия, геология, механика и биология на передовых позициях научно-технического прогресса. Развитие химической науки в конце XIX в. находилось под влиянием открытий, сделанных в предыдущий период, а также в области физики. На базе термодинамики, электродинамики, спектроскопии формируется физическая химия и возникают ее самостоятельные разделы.

В этот период химия достигла заметных успехов в области синтеза органических веществ, опираясь на открытия, сделанные Фридрихом Велером и Николаем Зининым. В 1865 г. немецкий химик Фридрих Август Кекуле предложил формулу строения бензола. Уже в следующем году французский ученый Марселен Бертло синтезировал тензол из ацетилена. На основе реакции диазотирования, открытой немецким химиком Петером Гриссом, ставшей основой большого класса азотокрасителей, возникает промышленность синтетических красителей. Метод синтезирования различных органических веществ Виктора Гриньяра, открытый в 1900 г., значительно ускорил ее развитие.

Химическая наука на основании достигнутых результатов в теоретических разработках начала осуществлять заметное влияние на развитие химических технологий: создается производство пластмасс, синтетических красителей, жидкого топлива, лекарств; совершенствуются технологические процессы в металлургии.

Одним из направлений развития органической химии было исследование синтеза природного сырья и совершенствование способов его переработки. В ходе исследования состава и строения каучука были сделаны первые попытки его синтеза.

На рубеже XIX–ХХ вв. формируется самостоятельное направление физико-химических исследований – термохимия. Исследования химических процессов с помощью термодинамики привело к появлению химической термодинамики. Теория электролитической диссоциации, предложенная Сванте Аррениусом в 1887 г. и дальнейшее изучение химических процессов, превратили электролиз в промышленный способ получения алюминия, хлора и других веществ. Развитие коллоидной химии было обусловлено изучением растворов. Эти исследования привели к совершенствованию процессов очистки нефти и воды, улучшению качества красителей, появлению фотографии.

В 1884 г. Якоб Гендрик Вант-Гофф обнародовал свои кинетические уравнения, которые были итогом работы многих исследователей относительно определения скорости химических реакций. Он опирался на закон действующих масс, открытый в 1879 г. Като Максимилианом Гульдбергом и Петером Ваате, и на общий закон смещения химического равновесия в зависимости от внешних факторов Анри Луи Ле Шателье (1884).

В начале ХХ в. трудами многих ученых (Г. Тамман, Н. Курнаков) был создан физико-химический анализ. Он помог установить количественную зависимость между составом и свойствами различных систем вещества – растворами, сплавами и т.п. Теперь ученые получили возможность исследовать условия осаждения солей и создавать сплавы с нужными свойствами.

Благодаря открытию строения атома, углубляется понимание строения молекулы и природы химической связи. В основе первых гипотез об участии электрона в образовании химической связи было положение о перемещении электронов от одного из атомов к другому. Так, в 1915 г. Вальтер Коссель, а в следующем – Гильберт Льюис предложили электронные теории валентности и химической связи. Описательная сторона этих теорий хорошо согласовалась с моделью атома Н. Бора.

В рассматриваемый период дальнейшее развитие получили такие разделы механики, как динамика твердого тела, теория устойчивости, механика жидкостей и газов. Переход к нарезному оружию в середине XIX в. сделал разработку проблем устойчивости, равновесия и движения материальных систем очень актуальной. Они получили развитие в теории гироскопа, которой занимались российский ученый Ляпунов и французский Пуанкаре. Так, в 1892 г. вышел труд А. Ляпунова «Общая задача об устойчивости движения». Решение теоретической проблемы вращения тяжелого тела вокруг неподвижной точки для случая, когда центр его тяжести не находится на оси симметрии, в 1888 г. сделала Софья Ковалевская.

В последней трети XIX в. дальнейшее развитие получает механика жидкостей (теория вихрей Гельмгольца) и теория гидродинамической смазки Н. Петрова. Разработка Петровым этой теории была вызвана потребностями сохранности подвижного состава на железнодорожном транспорте в связи со значительным ростом тоннажа и скорости поездов.

Быстрое развитие авиации в начале ХХ в. привело к появлению нового раздела гидродинамики – аэродинамики. Важное значение для ее создания имели труды Николая Жуковского. В 1904 г. он разработал формулу для определения подъемной силы крыла, о чем сделал доклад под названием «О присоединенных вихрях» в ноябре следующего года на заседании Московского математического общества. В 1910–1912 гг. Жуковский провел расчеты силы, действующей на крыло, а также разработал ряд теоретических профилей крыла. В последующие шесть лет он проводил исследования, с помощью которых была создана теория воздушного винта. Труды Жуковского являются основой всех аэродинамических расчетов самолетов. Развитием теории крыла занимался также немецкий ученый Людвиг Прандтль.

Работа Сергея Чаплыгина «О газовых струях» (1902) положила начало новой области механики – газовой динамике. Полностью значение этого исследования определилось лишь через несколько десятилетий, когда началось изучение сил, с которыми воздух воздействует на самолет, летящий на скорости, приближающейся к звуковой.

Разнообразные ракеты (осветительные, сигнальные, фейерверки) на пороховой основе человечество использовало веками. Но только с появлением работ Ивана Мещерского «Динамика точки переменной массы» (1897) и «Уравнивание движения точки переменной массы» (1904) появился новый раздел механики – динамика переменной массы, исследующий полет ракет. В 1903 г. вышел труд Константина Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором были изложены теория движения ракеты с учетом изменения ее массы, принципиальная схема реактивного двигателя на жидком топливе и математически обоснована возможность применения многоступенчатых реактивных аппаратов в межпланетном сообщении.

В первые десятилетия ХХ в. различными проблемами развития космонавтики занимались и другие исследователи: Р. Годдард (США), Ф. Цандер (Россия), Р. Эсно-Пельтри (Франция), Г. Оберт (Германия), Ю. Кондратюк (Украина). Так, в 1909 г. Роберт Годдард впервые сделал энергетический расчет жидкостной водородно-кислородной ракеты с учетом возможности применения также других видов топлива. Тогда же он рассмотрел схему многоступенчатой ракеты. В 1916 г. Годдард провел экспериментальные исследования со стальными камерами порохового ракетного двигателя с целью определения их КПД. В 1917 г. Юрий Кондратюк (настоящее имя – Александр Шаргей) вывел основное уравнение движения ракеты к Луне и сделал его анализ.

Строительство железнодорожных мостов, скоростных пароходов, все развитие техники в конце XIX в. привело к появлению теории вынужденных колебаний и учения о резонансе, начатых исследованиями Лагранжа. Особенно плодотворно в этом направлении работал немецкий математик Карл Вейерштрасс. В начале ХХ в. разрабатывается новая отрасль теории колебаний – теория нелинейных колебаний, что было связано с развитием технической акустики, электротехники и радиотехники.

Развитие геологии было тесно связано с ускоренным ростом промышленного производства, которое требовало большого количества каменного угля, металла, нефти. Это вызвало углубление геологических знаний, значительного расширения поисковых работ и совершенствования их проведения.

В геологии формируются общие теории, объясняющие геологические явления как взаимосвязанные звенья единого процесса развития Земли. Так, в 70-х гг. XIX в. вышла книга австрийского ученого Эдуарда Зюсса «Лицо Земли», в которой была выдвинута контракционная гипотеза – гипотеза сжатия Земли. Она рассматривала жизнь нашей планеты как сложный длительный период, где все геологические процессы были связаны между собой и происходили под действием естественных факторов. Но контракционная теория упрощала схему развития Земли. Поэтому в начале ХХ в. появились новые гипотезы и теории.

Одним из достижений геологии конца XIX в. было учение об особенностях геологических отложений в зависимости от условий осадочных накоплений (теория фаций), авторами которого были российский ученый Николай Головкинский и немецкий Иоганнес Вальтер. Тогда же были заложены основы палеогеографии и сравнительной стратиграфии – определение возраста осадочных горных пород (М. Неймайер, А. Павлов), а также биостратиграфии (Н. Андрусов). Так, учеными-палеогеографами было установлено ледниковое происхождение четвертичных отложений (П. Кропоткин) накоплены новые данные о климатах прошлого. Это способствовало развитию общих материалистических представлений об истории нашей планеты.

Использование микроскопического метода анализа горных пород с помощью поляризационного микроскопа в петрографии позволило глубже изучить минералы во время образования изверженных пород. Применение в петрографической микроскопии универсального метода Евграфа Федорова значительно расширило возможности изучения породообразующих минералов.

В указанный период большое количество работ было проведено по изучению геологии отдельных регионов земного шара. Региональная геология в то время имела большое практическое значение, поскольку позволяла перейти к составлению геологической карты мира.

Таким образом, развитие научных исследований в 1871–1914 гг. пошло в основном в трех направлениях: изучение структуры материи (в частности, структуры атома); исследование проблем энергии; создание новой физической картины мира.

Новые исследования в области строения вещества, атома, проведенные на рубеже ХIХ–ХХ вв. доказали, что механистическая картина мира крайне несовершенна и ошибочна. Известные науке законы классической механики при объяснении микроструктуры вещества оказались ложными. Одновременно ложными оказались и механистические, метафизические, философские концепции, естественнонаучными источниками которых были старая классическая механика и механистическая картина мира.

Весь процесс перехода к новым основам физической науки происходил в условиях формирования новой картины вселенной и сопровождался значительными изменениями не только в области естествознания, но и философии. На рубеже ХIХ–ХХ вв. особенно обострились споры между материализмом и идеализмом вокруг философских проблем естествознания. Так, субъективные идеалисты из открытия радиоактивности сделали вывод о том, что оно якобы подрывает основы принципа сохранения энергии, поскольку излучение энергии во время радиационного распада свидетельствует о возникновении энергии из ничего. Кроме того, утверждалось, что с открытием изменения массы электрона подрывается принцип сохранения массы. Поскольку ее отождествляли с материей, то делался вывод о том, что «материя исчезает». Борьба вокруг философских проблем естествознания имела большое социальное значение, поскольку в нее втянулись видные представители философии того времени

Появление и развитие новых видов транспорта и связи. В начале ХХ в. двигатели внутреннего сгорания стали основой возникновения ряда новых отраслей промышленности – автомобильной, авиационной, тракторостроительной, развития военной техники, а также основой механизации сельского хозяйства и строительства. Двигатели внутреннего сгорания делились на две большие группы: низкого сжатия, работающие на легком топливе (бензиновые), и высокого сжатия, для которых требуется тяжелое топливо (дизельные).

Использование бензинового двигателя в автомобилестроении началось с 1885 г., когда немецкий изобретатель Готлиб Даймлер получил соответствующий патент и использовал двигатель в конструкции автомобиля. За несколько лет полукустарное производство было поставлено на промышленную основу и появились первые автомобильные заводы: в 1896 г. в Айзенахе (Германия) и Спрингфилде (США), в 1899 г. в Турине (Италия).

Настоящий перелом в автомобилестроении произошел в 1902 г., когда американский предприниматель Генри Форд, имея 7-летний опыт конструирования и производства автомобилей, наладил процесс их массовой сборки. Он был первым, кто сумел получить техническую, технологическую и коммерческую выгоду от применения конвейера.

Автомобильная промышленность уже перед Первой мировой войной оказывала влияние на прогресс во всех отраслях техники из-за увеличения объемов производства и связанные с этим заказы на необходимое оборудование, материалы, комплектующие. Таким образом, не только огромное количество рабочих и инженеров, но и многие предприятия прямо или косвенно зависели от масштабов автомобильного производства.

Автомобильная промышленность дала примеры невиданных темпов технического прогресса – за каких-то два десятилетия после своего изобретения автомобиль с малоподвижной «тележки» превратился в надежное, технически совершенное транспортное средство.

Развитие двигателей внутреннего сгорания в начале ХХ в. привело к созданию тракторной промышленности на основании опыта использования гусеничного движителя и паровых колесных тракторов, накопленного в XIX в. Определились два типа тракторов по назначению: промышленные и сельскохозяйственные.

На рубеж XIX–XX вв. приходится создание самолетостроения. Для развития авиации большое значение имели исследования природы полета неподвижного крыла немецкого изобретателя Отто Лилиенталя (1889), которые в начале ХХ в. стали широко известны во всем техническим мире. На их основе братья Уилбур и Орвил Райт (США) построили самолет Flyer, который 17 декабря 1903 г. совершил первый полет. Их заслуга заключалась в том, что они использовали бензиновый двигатель и надежную бипланную схему строения самолета. С началом второго десятилетия ХХ в. авиация выходит на новый качественный уровень, когда создание первых самолетостроительных заводов привело к развитию авиационной промышленности как новой отрасли производства.

В конце XIX в. возникла проблема уплотнения телеграфных линий, что ускорило экспериментальные работы в области телефонии. Начало осуществлению идеи телефонирования положили труды немецкого физика Филиппа Рейса. Известный физик Герман Гельмгольц доказал, что для успешного воспроизведения звука имеет значение не только его частота, но и тембр. Работы по разработке аппаратуры, способной передавать звуки с сохранением соответствующего тембра, параллельно вели физик Илайша Грей и изобретатель Александр Грейам Белл. В совершенствовании телефонных аппаратов приняли участие сотни ученых и изобретателей, наиболее известными из которых были Д. Юз (открыл микрофонный эффект, 1878), Т. Эдисон, Э. Берлинер, Ф. Блейк, К. Адер. Павел Голубицкий разработал телефонную станцию с центральной батареей. Система питания абонентских аппаратов открыла возможность обустройства телефонных станций с тысячами абонентских точек. Система центральной батареи стала необходимой предпосылкой для автоматизации работы телефонных станций (АТС).

В конце XIX в. проводная электрическая связь существовала между многими городами и странами, однако она ограничивалась только неподвижными объектами. Создать беспроводную сигнализацию позволило применение электромагнитных волн, что стало возможным после работ немецкого физика Генриха Герца. Александр Попов открытые Герцем явления применил для создания высокочастотного искрового генератора, в схеме которого содержались все элементы радиопередатчика. Весной 1897 г. он установил свои приборы на кораблях Балтийского флота и добился связи на расстоянии 5,5 км. Первая радиограмма была передана на остров Гогланд в 1899 г., где ледокол «Ермак» спас 50 рыбаков и броненосец «Генерал-адмирал Апраксин», севший на камни. Гульельмо Маркони, используя открытия Герца и Попова, осуществил радиосвязь через Атлантический океан с помощью искровых генераторов (1901).

С началом Первой мировой войны произошел переход от искровых (затухающих передатчиков) к передающим радиостанцям с дуговым генератором незатухающих колебаний. Это было практическое воплощение идей датского изобретателя Вольдемара Поульсена (1904), засекреченное германским командованием до начала войны.

В 1904 г. английский инженер Джон Флеминг изобрел двухэлектродную лампу – диод, а уже через два года после ее усовершенствования, сделанного американцем Ли де Форестом (присоединил к лампе третий электрод-сетку), привело к созданию трехэлектродной лампы (триода) – основы будущей электронной радиоламповой техники. Это стало началом электронного периода радиотехники.

Начало кинематографа положили опыты Томаса Эдисон и братьев Огюста и Луи Люмьер. В 1888 г. Эдисон предложил методику моментальной фотосъемки с последовательной серией проектирования изображений на непрерывную полоску, которая находилась на цилиндре или на плоском диске, а в следующем году применил целлулоидную пленку для своего аппарата. В 1889 г. сотрудники лаборатории Эдисона под руководством Диксона построили кинопроектор, который был синхронизирован с фонографом, что позволяло демонстрировать звуковые фильмы. Параллельно во Франции и Англии появилась более качественная аппаратура. В начале 1895 г. братья Люмьер впервые осуществили проекцию на экран снятых ими кинокартин. Это и было рождением кинематографа.

В начале ХХ в. осуществляются работы по созданию математических машин. Первую из них – аппарат для интегрирования дифференциальных уравнений – создали в 1912 г. академик А. Крылов и механик Р. Ветцер в Петербурге. Позднее работы в этом направлении получили название дифференциальных анализаторов (механические интегрирующие машины).

Новые работы в физико-математических науках, революционные открытия в естествознании, изобретение и внедрение новых средств транспорта и связи значительно повлияли как на все развитие техники и промышленного производства, так и на общественную жизнь. За каких-то двадцать лет быт населения многих стран претерпел коренные изменения. Но, к сожалению, новые открытия в науке и, особенно, в технической сфере начали использоваться для нужд войны.

Вопросы для самоконтроля

1. С решением какой задачи было связано развитие математической логики в начале ХХ в.?

2. Какие процессы в физике ученые смогли объяснить с помощью квантовой механики?

3. В каких отраслях естественных наук получила применение теория вероятности?

4. Какие процессы в развитии техники привели к созданию аэродинамики как отдельной отрасли научных знаний?

5. Какие новые средства связи начало использовать человечество в конце XIX в.?

Основные понятия

Теория групп – учение о симметрии в общем виде.

Квантовая теория Макса Планка показала, что атомы могут отдавать свою энергию электромагнитному полю только дискретными порциями – квантами.

Теория Нильса Бора открыла новые законы движения электронов в атоме определенными орбитами, доказала, что излучение порции света – фотона – возможно только при переходе электрона с одной орбиты на другую.