М.В. Ломоносов та його вклад в розвиток хімічної науки, фізики та техніки

Михайло Васильович Ломоносов народився в селі Мишанинському Куроостровської волості Холмогорського повіту Архангельської губернії 8 листопада 1711 року. Його батько Василь Дорофійович походив з селян, що займалися в основному рибним промислом, мати - Олена Іванівна Сивкова - була дочкою дячка сусідньої волості.

З ранніх років Михайло допомагав отцеві в його важкій і небезпечній справі. Рано навчившись читати, допитливий і вдумливий хлопчик дуже швидко перечитав всі книги, які тільки він міг дістати в селі. У 14 років він дійшов до меж книжкової премудрості, до російської фізико-математичної енциклопедії того часу - "Арифметики" Магніцького і слов'янської граматики Смотрітського.

На батьківщині Ломиносов далі вчитися не міг. Як селянському синові йому відмовили в прийомі в Холмогорську славяно-латинскую школу.

У зимову холоднечу 1730 року Михайло Васильович майже без грошей, пішки відправився до Москви. Щоб поступити в Заїконоспаську слов'яно-греко-латинську академію, він видав себе за сина холмогорського дворянина.

Успіхи Ломоносова в навчанні були вражаючі. І в 1735 році, по запиту президента Петербурзької Академії наук барона Корфа, Михайло Васильович разом з іншими дванадцятьма учнями "в науках гідними" був направлений до Петербургу як студент університету, організованого при Академії наук

У університеті Ломоносов прагнув якомога більше накопичити вражень, "випробувати" закони науки в їх безпосередньому прояві, довідатися до першопричин явищ. Часто засиджувався допізна в академічних майстернях, лабораторіях, бібліотеці.

Ця рідкісна працездатність вихованця Спаських шкіл була відмічена і, коли з'явилася можливість послати за межу трьох найбільш підготовлених студентів для спеціалізації в області хімії, металургії і гірничорудної справи, президент академії без коливань прийняв кандидатуру Ломоносова.

Майже 5 років тривало закордонне життя Михайла Васильовича. Це час, головним чином, був проведений в університеті Марбургськом в Германії. Студенти слухали лекції з механіки, гідравліки, теоретичної фізики і логіки. З великим інтересом вивчали посланці північної столиці теоретичну хімію, відвідували лабораторні заняття по експериментальній хімії, вчилися ставити досліди, узагальнювати аналізи, робити науково обгрунтовані виводи і висновки. Хімія до середини XVIII століття ставала чи не найвпливовішою і перспективнішою наукою. Хімія здавалася наукою реального чарівництва, її квапили, щедро фінансували.

У 1741 році Ломоносов повернувся до Росії. Через півроку після повернення до Петербургу 30-річний учений був призначений ад'юнктом Академії по фізичному класу.

Прошення М. В. Ломоносова по всановленню хімічної лабораторії, його план цієї лаборатории та її макет. Музей М. В. Ломоносова. Санкт-Петербург

Основним напрямом в своїй науковій роботі Ломиносів вибрав хімію. Значення цієї дисципліни у зв'язку з розвитком промислового виробництва зростало з кожним роком. Але для впровадження хімічних дослідів потрібна була експериментальна база, лабораторія. Михайло Васильович розробив проект лабораторії і в січні 1742 року передав його на розгляд в академію. І лише через шість років, після його неодноразових прохань і протестів, керівництво Петербурзької академії погодилося на споруду хімічної лабораторії. Вона була побудована і відкрита завдяки зусиллям Ломоносова в 1748 році.

Хімічна лабораторія стала місцем, де Михайло Васильович в 50-х роках з величезним захопленням зайнявся зовсім новим і дуже своєрідним справою - мозаїкою. Завдання це цілком підходило характеру і смакам Ломоносова: у ній перепліталося образотворче мистецтво з хімією кольорового скла, оптикою і технікою. Так, після 4 тисяч дослідів, Ломоносов зумів розробити технологію виготовлення кольорових прозорих і непрозорих (званих смальтамі) стекол. Отриману ним смальту учений вирішив використовувати для виготовлення мозаїчних картин. У 1753 р. Ломоносов отримав дозвіл на будівництво фабрики кольорового скла і земельний наділ з 211 душею селян чоловічої статі. До 1754 р. будівництво фабрики в основному було закінчене, і на ній почали виготовляти скло, бісер, пронизування і інші вироби, але головне - на фабриці почали виготовляти бруски із смальт різного кольору, з яких набиралися мозаїчні картини. Паралельно з будівництвом фабрики в Усть-Рудицах Ломиносов разом з Ріхманом займався вивченням природи електрики, що отримується з атмосфери і від електростатичних машин. Займаючись вивченням атмосферної електрики, М. В. Ломоносов ставить завдання написання праці, присвяченої загальній теорії електрики. До роботи над латинським рукописом учений приступив тільки в квітні 1756 року, але вже в травні перемкнувшись на "Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих", - залишає першу, не завершивши.

У незавершений рукопис "Теории електрики, изложеной математически" дослідником включені окремі розроблені ним на той момент положення: "о тождественности атмосферного и искусственного электричества, о предопределяющем электрические явления движении частиц эфира" и т.п.. Рукопис починається з плану, що включає вісім розділів, з яких М. В. Ломоносовим закінчена була тільки перша і частково - друга. Розглядаючи іменування шести решти розділів, можна прийти до висновку про те, що учений мав в припущенні спробу розгляду всіх відомих на той час електричних явищ, забезпечуючи їх осмисленням, що спирається на розуміння будови речовини в світлі корпускулярної теорії: "1. Содержит предварительные данные; 2. Об эфире и огне; 3. О строении чувствительных тел; 4. О получении производного электричества; 5. О получении производного электричества; 6. Объяснение искусственных явлений; 7. Объяснение природных явлений; 8.. О будущих успехах учения об электричестве".

У роботах М. В. Ломоносова, присвячених дослідженню електрики особливо цінною є спрямованість їх від якісних спостережень до встановлення кількісних закономірностей - формування основ теорії електрики. Займаючись незалежно цими дослідженнями, він з Г. В. Ріхманом і Б. Франклін добилися найбільш переконливих результатів.

В ході цих сумісних с М. В. Ломоносовим досліджень в 1745 році Г. В. Ріхманом розроблений перший прилад електровимірювання експериментального спостереження - "електричний покажчик", який, на відміну від електроскопу, що вже використався, був забезпечений дерев'яним квадрантом з градусною шкалою для вимірювання "ступеня електрики" (Р. В. Ріхман). "Громова машина", тобто електроскоп з шовковою ниткою, що відхиляється від вертикалі тим більше, чим сильніше атмосферний заряд, створена ними, мала принципові відмінності з приладами інших учених, у тому числі і з "електричним змієм" Б.І. Франкліна, давала можливість стабільного спостереження при будь-якій зміні електрики, що містилась в атмосфері за будь-якої погоди.

Роботи М. В. Ломоносова охоплювали майже всі області знання, у тому числі і питання створення літального апарату. У 1754 р. він побудував модель, працюючу по принципу вертоліта із співвісними гвинтами, яка повинна була літати.

Думка про таку машину виникла у Ломоносова у зв'язку з його роботами по фізиці і метеорології. Він знаходив засіб, за допомогою якого можна було б підняти над землею метеорологічні реєструючі прилади. Літальні апарати легші за повітря тоді ще не мали практичного застосування, і учений звернувся до ідеї створення літальної машини важче за повітря.

Дані, що дійшли до нас про таку машину, створеною Ломоносовим, дуже мізерні і в основному містяться в п'яти документах, з яких два найбільш цінні. Так, в протоколі засідання Російської Академії Наук від 1 липня 1754 р. 2 є наступний запис (у новому перекладі з латинського):

"Пан Радник Ломиносов показав придуману ним машину, яку він називає аеродромічною і призначення якої повинне бути в тому, щоб роботою крил, що приводяться в сильний рух пружиною, які зазвичай бувають в годиннику, горизонтально в протилежних напрямах, притискувати повітря і піднімати машину у напрямі верхньої повітряної області з тим, щоб можна було досліджувати умови верхнього повітря метеорологічними приладами, до цієї аеродромічеськой машини приєднаними. Машина підвішувалася на шнурку, протягнутому через два блоки, і утримувалась в рівновазі важками, підвішеними з протилежного боку. При заведеній пружині негайно піднімалася вгору і тим обіцяла бажану дію. Це ж дія, по думці винахідника, ще більш зросте, якщо збільшиться сила пружини і якщо відстань між крилами в обох парах їх буде більше, і якщо коробка, в яку вкладена пружина, для зменшення ваги буде зроблена з дерева, про що він обіцяв поклопотатися".

Іншим документом, в якому є відомості про цю машину, є річний звіт за 1754 р., в якому Ломоносов пише:

"Робив дослід машини, яка б, підіймаючись догори сама, могла б підняти маленький термометр, щоб дізнатися градус теплоти на вершині, яка з лишком на два золотники полегшувалася, проте до бажаного кінця не приведена".

Справжній рисунок машини, виконаний свого часу Ломоносовим, не виявлений; рисунок же, що приводився неодноразово в різних книгах, зроблений вже у наш час. По цих причинах конструктивна схема машини в деталях невідома, але судячи по приведених описах, вона аналогічна схемі співісного вертольота. Машина мала невеликі розміри, оскільки при проведенні дослідів вона під дією несучих гвинтів розвантажувалася на два з гаком золотника (9-10 г), що складало, мабуть, чималу частку її загальної маси.

У подальші роки М. В. Ломоносов, зайнятий багатьма іншими дослідженнями, до цієї теми більше не повертався.

Як геніальний учений, Ломоносов пристрасно вірив через людський розум, в пізнаваність миру. При цьому він визначав і вірні шляхи досягнення істини. Ломоносов рекомендував у вивченні дійсності спиратися на досвід, виводити з досвіду уявне міркування. "Із спостережень встановлювати теорію, через теорію виправляти спостереження - є кращий всіх спосіб до дослідження правди", - писав він. Даний вислів свідчить про те, що Ломоносов виступав за союз, як ми б сказали тепер, теорії і практики. І в цьому джерело багатьох його успіхів у сфері наукових досліджень.

На перший план тут треба поставити, ймовірно, хімічні дослідження. Михайло Васильович Ломоносов був найвидатнішим хіміком свого часу. Він і офіційно значився в академії як професор хімії. Хімія була його улюбленою, пристрастю, але це, звичайно, не каприз, не чудасія. Річ у тому, що хімія, що показує, як "з декількох узятих тіл породжуються нові", вела до пізнання внутрішньої структури речовин, що було (і залишається тепер) заповітною метою багатьох наук про неживу матерію.

Але як підступитися до того, що приховане від людського ока за "семи печятями" владичицею-природою? Потрібні експерименти. Епоха Ломоносова вимагала видимих результатів, придатних для практичного використання у виробництві. Цим пояснюється наполегливість, з якою Ломоносов добивався відкриття при академії хімічної лабораторії, без якої неможливе проведення навіть елементарних хімічних аналізів.

Ще до споруди лабораторії Михайло Васильович запропонував ряд нових хімічних рішень. Так, він розробив досконаліші способи вагового аналізу. У дисертації "Про дію хімічних розчинників взагалі" (1744) Ломоносов прийшов до висновку про те, що розчинення металів в кислоті здійснюється за допомогою тиску повітря. Отримавши в своє розпорядження хімічну лабораторію, учений зміг підтвердити колишні свої наукові припущення і висловити нові.

Особливо велике значення має відкритий ним закон про збереження матерії, точніше - ваги і руху. Обґрунтування цього закону вперше дане Ломоносовим в листі до Л.Ейлеру. Там він писав: "...Але зміни, що все зустрічаються в природі, відбуваються так, що якщо до чого-небудь щось додалося, то це віднімається у чогось іншого. Так, скільки матерії додається до якого-небудь тіла, стільки ж втрачається у іншого, скільки годин я витрачаю на сон, стільки ж віднімаю у неспання і так далі Оскільки це загальний закон природи, то він розповсюджується і на правила руху: тіло, яке своїм поштовхом порушує інше до руху, стільки ж втрачає від свого руху, скільки повідомляє інше ним двинутому". У роботі " Об отношении количества материи и веса " (1758) і в " Рассуждении о твердости и жидкости тел " (1760) відкритий Ломоносовим "загальний природний закон" отримав повне обгрунтування. Обидві роботи були опубліковані на латинській мові, отже, були відомі і за межами Росії. Але усвідомити значення зробленого Ломоносовим багато учених тих років так і не змогли.

Не менш цінними були дослідження Ломоносова в області фізики. Власне фізика і хімія в дослідах, в теоретичних аналізах ученого доповнювали один одного. У цьому також позначалося його новаторство як ученого, який не залишав без уваги ніяких сторін експерименту. У результаті він став родоначальником нової науки - фізичній хімії.

До наших днів дійшов перелік того, що Михайло Васильович Ломоносов сам вважав найбільш важливим серед своїх результатів в області природних наук. На другому місці в цьому списку коштують дослідження по фізичній хімії і, особливо, по теорії розчинів.

У теорії розчинів важливе значення має розділення розчинів на таких, при утворенні яких теплота виділяється, і на таких, для складання яких потрібно витратити тепло. Ломоносов досліджував явища кристалізації з розчинів, залежність розчинності від температури і інші явища.

У основі всіх його теоретичних висновків були закони постійності матерії і руху.

Думку свою про незмінність речовини учений доводив хімічними дослідами. У 1756 році він робить такий запис: "Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что … без пропущения внешнего воздуха вес отожженного металла остается в одной мере". Збільшення ваги металу при обпаленні він приписував з'єднанню його з повітрям.

У 1761 р. учений світ Європи готувався спостерігати одне з рідкісних явищ природи - проходження Венери по диску Сонця. Академією були споряджені дві експедиції до Сибіру, а Ломоносов спостерігав це явище у себе в домашній обсерваторії. В результаті Ломоносову першому в світі вдалося встановити, що " планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою ". Успіх цього спостереження привернув Ломоносова до питань практичної астрономії.

Літом 1761 р. Ломоносов закінчив підготовку до друку керівництва у гірській справі "Перші підстави металургії або рудних справ", в якому він помістив два додатки, другий з них - "О слоях земных", на думку В.І. Вернадського, з'явився "блискучим нарисом геологічної науки XVIII століття".

У 1761-1763 рр. він займався удосконаленням ньютоніанського і грегоріанського телескопів, фотометрією зірок, конструював навігаційні прилади.

Академік С. І. Вавілов, що вивчав праці Ломоносова багато років, зробив висновок, що "...по об'єму і оригінальності своєї оптико-будівельної діяльності Ломоносов був одним з самих передових оптиків свого часу і, безумовно, першим російським творчим опто-механіком".

Ученим було сконструйовано і побудоване декілька принципово нових оптичних приладів, їм створена російська школа наукової і прикладної оптики. М. В. Ломоносов створив катоптрико-діоптричну запалювальну систему - своєрідну сонячну піч, за допомогою якої можна було отримати недосяжні тоді іншим способом високі температури; прилад "для згущування світла", названий їм "ночезрительной трубой", що призначалася для розгляду на морі видалених предметів в нічний час або, як мовиться в його статті тому присвяченою: "Физическая задача о ночезрительной трубе" (1758) - що служила можливості "розрізняти в нічний час скелі і кораблі" - 13 травня 1756 року він демонстрував її на засіданні Академічних зборів (цей проект викликав ряд заперечень з боку академіків С.Я. Румовського, А.Н. Гиршова і Н.І. Попова, а академік Ф. У. Т. Епінус намагався довести "нездійсненність на практиці" цього винаходу). М. В. Ломоносов до кінця своїх днів продовжував займатися створенням приладів для нічних спостережень, але йому не призначено було побачити реалізацію цій своєї ідеї - для спорядженої за його ж проектом полярної експедиції

Рисунки М.В. Ломоносова із рукописів: катоптрико-діоптричний запалювальний інструмент і однозеркальний телескоп. 1762

капітана 1 рангу В. Я. Чичагова разом з іншими приладами було зібрано 3 ночнозорові труби; оптичноу системи, "через яку дізнаватися можна рефракцію світлих променів, що проходять крізь рідкі матерії".

М. В. Ломоносовим розроблений і побудований оптичний батоскоп або новий "інструмент, яким би багато глибше бачити можна дно в річках і в морі, ніж як видимий просто". Великий інтерес представляє створена ученим конструкція "горизонтоскопа" - великого перископа з механізмом для горизонтального огляду місцевості.

Отже М. В. Ломоносов - талановитий винахідник і приборобудівник, в той же час стоїть у витоків російської теоретичної оптики.

М. В. Ломоносов, що добре знав телескопи І. Ньютона і д. Грегорі, запропонував свою конструкцію. Він пише в кінці весни - початку літа 1762 року: "Я всегда лелеял желание, чтобы эти превосходные небесные орудия, коих изобретение составляет славу Ньютона и Грегори, не по размерам только, как это обычно происходило, возрастали, но получили и иные, почерпнутые из сокровищ оптики усовершенствования".

Суть і відмінність від двох попередніх запропонованого ним удосконалення полягали в тому, що нова конструкція мала лише одне увігнуте дзеркало, розташоване під кутом біля 4° до осі телескопа, і відбиті цим дзеркалом промені потрапляли в розташований збоку окуляр, що дозволяло збільшити світловий потік. Дослідний зразок такого телескопа був виготовлений під керівництвом М. В. Ломоносова в квітні 1762 року, а 13 травня учений демонстрував його на засіданні Академічних зборів. Винахід цей залишався неопублікованим до 1827 року, тому, коли аналогічне удосконалення телескопа запропонував У. Гершель, таку систему почали називати його ім'ям.

Записка Ломоносова з переліком його головних результатів в науці їм не закінчена, а її можна було б продовжувати дуже довго, перераховуючи величезну безліч фактів, думок, припущень, знайдених або висловлених великим ученим в хімії, фізиці, астрономії, метеорології, геології, мінералогії, географії, історії, мовознавстві і інших науках.

Історія, звичайно, не повторюється. І, ймовірно, вже не буде людей з таким універсальним діапазоном наукової діяльності, як у Ломоносова. Науки зараз пішли далеко уперед, і одній людині просто неможливо досягти вершин одночасно в декількох областях пізнання. І завжди Михайло Васильович Ломоносов - учений, філософ, поет - викликатиме глибокий інтерес як особа, що продемонструвала силу людського розуму, як борець з тьмою і неуцтвом.