Работы по звуку и свету

Новые политические перемены ни в малейшей мере не повлияли на научную работу Лапласа. С прежним энтузиазмом и усидчивостью он работал над теорией вероятностей, изучал теорию света и звуковых колебаний и за год до своей смерти готовил к печати пятый том «Небесной механики». Маркиз Лаплас не менее горячо относился к исследовательской работе, чем канцлер империи или учитель провинциальной бомонской школы.

Изучению звука Лаплас посвятил много труда. Интерес к этой области физики, которой Лаплас занимался преимущественно в начале реставрации Бурбонов, возник у него еще в 1809 г., когда немецкий ученый Хладни приехал в Париж и знакомил французский Национальный институт со своими работами. Лаплас и Бертолле представили Хладни Наполеону, перед которым ученый повторил свои знаменитые опыты и продемонстрировал изобретенный им оригинальный музыкальный инструмент — клавицилиндр. Но главное, Хладни нашел способ делать видимыми колебания вибрирующих и издающих звук пластинок. Он насыпал на закрепленную пластинку песок, после чего проводил по ее ребру смычком: песок собирался при этом на пластинке в правильные геометрические фигуры, носящие теперь имя Хладни. Наполеон подарил немецкому ученому некоторую сумму, и его фраза: «Хладни позволил нам видеть звуки» — повторялась всей Европой. По отзыву Хладни, его опыты произвели большое впечатление на французских ученых, в особенности на Лапласа.

Действительно, кому как не ему, великому геометру и механику, было особенно любопытно видеть, как явление звука, выражаясь в правильных механических колебаниях твердых тел и воздуха, образует симметричные фигуры, доступные математическому анализу. Это привлекло Лапласа к изучению звука, ас его легкой руки акустикой занялись и его ученики, в особенности Био, сильно продвинувший ее вперед.

Скорость распространения звука в воздухе была выведена еще Ньютоном, но его формула не соответствовала опытам. Попытки объяснить причину этих расхождений были неудачны, пока за это дело не взялся Лаплас, правильное объяснение которого сохранило силу до наших дней.

По словам Ле Конта, Лаплас, уже в 1800 г. заметил, что изменения температуры воздуха, связанные с изменениями его плотности в звуковых волнах, изменяют упругость воздуха больше, чем его плотность; это должно повышать скорость звука. Свою мысль он тогда же сообщил Био, но тому не удалось (как показал Пуассон) правильно исследовать это явление с математической стороны. Лапласу самому пришлось много поработать, прежде чем он смог дать точный результат и решение задачи: «Скорость звука равна скорости ее, даваемой формулой Ньютона, но умноженной на корень квадратный из отношения удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме».

Интересно, что отношение этих теплоемкостей долго не могли определить с точностью, и выводы Лапласа, опередившие экспериментальную физику, некоторые ученые пытались оспаривать в течение половины столетия, пока не убедились в своей неправоте.

Работу о звуке Лаплас закончил в 1816 г., и его формула имеет сейчас обширное применение в метеорологии, физике и химии.

В свете современной науки иначе приходится расценивать исследование Лапласа и его друзей по теории света. Описываемый период был периодом жестокой борьбы двух теорий света — старой, корпускулярной теории истечения света, выдвинутой Ньютоном, и новой, волновой теории света, защищаемой молодым физиком Френелем.

Ньютон считал, что свет представляет собой истечение материальных частиц (корпускул) с поверхности светящегося тела. Лаплас, убежденный ньютонианец, и в своем воззрении на свет усвоил точку зрения Ньютона: он придерживался теории истечения.

В начале XIX столетия был открыт ряд световых явлений, не совместимых со старой теорией истечения света и вызвавших ожесточенную борьбу за признание новой теории. Она утверждала, что свет представляет собой волновые колебания мирового эфира. Эта волновая теория, выдвинутая еще Декартом и разработанная затем Гюйгенсом и Эйлером, была оставлена с распространением ньютонианства. Поэтому во времена Лапласа ее можно было считать как бы новой теорией. Толчок к развитию новых мыслей дали новые исследования ряда световых явлений¹. Изучение световых явлений протекало особенно успешно в Аркейльском обществе, где Малюс, Био и Араго провели ряд исследований.

Лаплас, приняв участие в разгорающейся борьбе, выступил на защиту теории истечения, но упрекать его за это, как часто делают, не совсем справедливо. Лаплас восстал против волновой теории света, выдвинутой Френелем, потому, что она ему казалась менее обоснованной. Его взгляд подтверждался конкретными исследованиями того времени.

В 1809 г. Лаплас объяснял преломление света притяжением световых молекул частицами преломляющего тела и с этой точки зрения очень удачно объяснил явление двойного лучепреломления, наблюдаемое в некоторых кристаллах.

Био развил эту теорию и применил ее также к явлению поляризации, открытой им независимо от Малюса. Защитники волновой теории не могли добиться такого успеха. Более того, Лапласу и Био удалось предсказать на основе своей теории ряд явлений оптики, которые были открыты позднее, чем они значительно укрепили эту теорию. В их руках теория истечения дошла до того предела, до которого ее можно было довести, и все же объединить все объясненные ею явления единым принципом она не могла.

Френель же, на сторону которого перешел Араго, добился в конце концов успехов, исходя из волновой теории. Но при этом ему пришлось допустить, что направление колебаний в световом луче перпендикулярно направлению распространения света, что многим, в особенности Лапласу и Пуассону, показалось нелепым. Впрочем, и сам Френель положил эту мысль в основу своей теории лишь в 1821 г., убедившись вполне в ее плодотворности и допустимости с механической точки зрения. Есть свидетельства, что Лаплас своим авторитетом задержал опубликование окончательной работы Френеля и блестящий отзыв о ней комиссии Института, состоявшей из Араго, Ампера и Фурье. Действительно, заключение комиссии было вынесено в 1822 г., а вышло оно в свет только в год смерти Лапласа (1827 г.). Однако о поперечности световых колебаний и комиссия, и ее глава высказывались еще очень осторожно.

Лаплас не был единственным, о ком можно сказать, что он умер, «не обратившись в новую веру». Если наряду с большинством современников он не признавал волновую теорию света, то вряд ли поэтому его можно называть реакционером в науке.

Волновая теория стала общепринятой лишь спустя много лет после смерти Френеля и Лапласа.

Интересно отметить, что в современной физике идеи корпускулярной и волновой теорий света объединились (хотя и на иной научной основе) в единую квантовую теорию света.

Эти работы по оптике, занятия теорией вероятностей и подготовка к печати заключительного тома «Небесной механики» были последними научными работами Лапласа. Уже в 1825 г. его крепкое здоровье значительно пошатнулось.

Примечания

1. Цветов тонких пластинок, явлений дифракции, интерференции и поляризации.