(1792 г. – 1856 г.)

В 1828 г. ректор Казанского университета Н. И. Лобачевский произнес ставшую потом знаменитой речь «О важнейших предметах воспитания». В ней он, в частности, сказал: «Примеры научают лучше, нежели толкования и книги». Жизнь Николая Ивановича сама является замечательным примером служения отечеству и науке. Его открытие, не получившее признания современников, совершило переворот в представлении о природе пространства, в основе которого более 2 тыс. лет лежало учение Евклида, и оказало огромное влияние на развитие науки. Вместе с тем, Лобачевский вошел в историю математики не только как гениальный геометр, но и как автор фундаментальных работ в области алгебры, теории бесконечных рядов и приближенного решения уравнений.

Николай Лобачевский родился 1 декабря 1792 г. в Нижнем Новгороде в бедной семье мелкого чиновника. Когда Коле исполнилось 9 лет, он был определен вместе с двумя братьями в Казанскую гимназию на казенное содержание. Здесь состоялось первое знакомство мальчика с математикой, которую преподавал талантливый учитель Г. И. Карташевский. Выдающиеся способности юноши к изучению физико-математических наук позволили ему в 14-летнем возрасте стать студентом Казанского университета и попасть на курс к профессору М. Ф. Бартельсу, близко знакомому с самим Гауссом.

Учился Николай блестяще. В отзыве декана, представленном в 1812 г., говорилось, что этот выпускник «в будущем не сможет остаться не прославленным». Научная карьера молодого математика развивалась стремительно. В 1814 г. по рекомендации Бартельса он был утвержден адъюнктом, через 2 года – выбран экстраординарным профессором (соответствует должности доцента), а еще через 6 лет – стал ординарным профессором.

Список курсов, которые Лобачевский прочитал в начале своей педагогической деятельности, содержит более десятка наименований. Уже в 25–30-летнем возрасте он преподавал математику, читал физику и заведовал физическим кабинетом, вел астрономию и геодезию, приняв в свое ведение обсерваторию. Несколько лет он был деканом физико-математического отделения и одновременно заведовал научной библиотекой. Понимая, какую важную роль в образовании играет библиотека, Лобачевский ездил в Петербург, чтобы лично отбирать и закупать книги. Как председатель строительного комитета университета, он руководил строительством новых учебных корпусов.

И все это время Лобачевский не прекращал напряженной творческой деятельности. Он написал два учебника для гимназий: «Геометрию» (1823) и «Алгебру» (1825). Обе эти книги не были опубликованы, а «Геометрия» к тому же получила отрицательный отзыв академика Н. И. Фусса. Столичный ученый не оценил тех изменений, который Лобачевский внес в традиционное изложение предмета, и осудил введение метрической системы мер, поскольку она была изобретена в революционной Франции.

Учебным руководством по геометрии до Лобачевского служили главным образом «Начала» Евклида (III век до н. э.). Математик из Казанского университета продемонстрировал стремление порвать со старыми классическими традициями и найти новые пути для построения основ геометрии. Основным камнем преткновения оказался так называемый V постулат Евклида о параллельных прямых, в необходимости которого принято было не сомневаться.

Многие крупные математики прошлого пытались доказать V постулат, пробовал это сделать и Лобачевский. Но к моменту написания своей «Геометрии» он уже осознал ошибочность доказательства и не включил его в свою рукопись. Совокупность теорем, которые доказываются без помощи постулата о параллельных линиях, в настоящее время принято называть «абсолютной геометрией». В первых пяти главах рукописи были изложены положения абсолютной геометрии, а затем автор перешел к теоремам, которые не удается доказать без помощи V постулата. Это принципиальное разделение и знаменовало начало новой эры в математике.

Открытие Лобачевского поставило перед наукой, по крайней мере, два принципиально важных вопроса, не поднимавшихся со времен Евклида: «Что такое геометрия вообще? И какая геометрия описывает геометрию реального мира?» Ответы на эти вопросы дало последующее развитие математики. В 1872 г. Феликс Клейн определил геометрию как науку об инвариантах той или иной группы преобразований, при которых сохраняются расстояния между любыми двумя точками. Геометрия Лобачевского изучает инварианты группы Лоренца, а высокоточные геодезические измерения показали, что на участках поверхности Земли, которые с достаточной точностью можно считать плоскими, выполняется геометрия Евклида. Вывод о том, что евклидова геометрия не является единственно возможной, сделанный Лобачевским, оказал влияние на мировоззрение человечества, сравнимое с влиянием таких великих открытий естественных наук, как гелиоцентрическая система Коперника или эволюционная теория Дарвина.

В 1827 г. Лобачевского избрали ректором Казанского университета. Впоследствии он переизбирался на эту должность шесть раз и оставался ректором в течение 20 лет. На этом посту ученому приходилось выполнять множество обязанностей – наряду с учебной и научной работой он занимался и финансами, и строительством. Во время эпидемии холеры в 1830 г. Лобачевский организовал изоляцию сотрудников и студентов университета, принял меры по дезинфекции территории. Во время грандиозного пожара Казани в 1842 г. стараниями ректора были спасены астрономические инструменты и книги из загоревшейся библиотеки, при этом ему удалось отстоять от огня почти все университетские здания.

В тот сложный для Николая Ивановича год произошло единственное прижизненное признание его научных заслуг – он был избран членом-корреспондентом Гёттингенского ученого общества (академии наук). Решение об избрании и диплом были подписаны самим Гауссом.

Личная жизнь ученого устроилась лишь после сорока лет. Николай Иванович женился на Варваре Алексеевне Моисеевой, скромной гувернантке, моложе его на 20 лет. В этом браке родилось 15 детей. Лобачевский боготворил жену, которая самоотверженно разделяла с ним все невзгоды. В 1846 г. исполнилось 30 лет службы Лобачевского, и по уставу занимаемая им кафедра должна была с этого времени считаться свободной. Петербург воспользовался этим обстоятельством и лишил ученого не только кафедры, но и ректорского поста. Внешне он получил повышение – был назначен помощником попечителя Казанского учебного округа, однако жалованья ему за эту работу не назначили.

Насильственное отстранение от деятельности, которой Николай Иванович посвятил свою жизнь, ухудшение материального положения, а затем и семейное несчастье (в 1852 г. у него умер старший сын) негативно отразилось на его здоровье. Лобачевский сильно сдал и стал слепнуть. Но и в таком состоянии он по-прежнему приходил на экзамены, на торжественные собрания, присутствовал на ученых советах и не прекращал занятий наукой. Последняя работа Лобачевского «Пангеометрия» (т. е. «Всеобщая геометрия») была записана учениками под диктовку за год до его смерти. Умер великий математик в Казани 24 февраля 1856 г.

Практически все сочинения Лобачевского по неевклидовой геометрии не были поняты при его жизни и подверглись резкой критике. Полное признание и широкое распространение «геометрия Лобачевского» получила через 12 лет после его смерти. В 1868 г. итальянский математик Э. Бельтрами в своем мемуаре «Опыт толкования неевклидовой геометрии» показал, что в евклидовом пространстве на псевдосферических поверхностях имеет место геометрия куска плоскости Лобачевского, если на них за прямые принять геодезические линии. Эта работа послужила толчком к общему признанию идей казанского ученого. Весь академический мир понял, что вопрос о доказательстве V постулата Евклида был решен Лобачевским полностью, т. е. было наконец принято, что этот постулат нельзя вывести из предложений абсолютной геометрии.

Лобачевский был не только геометром исключительной творческой силы, но и математиком с широким кругозором. Ему принадлежит ряд фундаментальных работ в области алгебры и математического анализа: «Алгебра, или вычисление конечных», «Об исчезновении тригонометрических строк», «О сходимости бесконечных рядов», «О значении некоторых определенных интегралов» и др. В области анализа ученый получил новые результаты в теории тригонометрических рядов. Им же установлен один из наиболее удобных методов приближенного решения уравнений, впоследствии названный его именем.

Большую работу по пропаганде идей Лобачевского и изданию его сочинений провели Казанский университет и Казанское физико-математическое общество. После смерти его стали называть Коперником в геометрии, сравнивать с Колумбом и говорить, что он, как и Ломоносов, на век опередил свое время. В 1893 г. в научных кругах широко отмечалось 100-летие со дня рождения Н. И. Лобачевского, была учреждена международная премия его имени, а через три года в сквере напротив здания университета ему был установлен памятник работы скульптора М. Л. Диллона. Именем знаменитого математика в Казани названы улица и научная библиотека, а также кратер на обратной стороне Луны.

СТРУВЕ ВАСИЛИЙ ЯКОВЛЕВИЧ

(1793 г. – 1864 г.)

«A teneris adsuescere multum est.[61] Мы, Струве, не можем жить удовлетворенными без напряженной работы, потому что с ранней молодости убедились в том, что она есть самая полезная и лучшая услада человеческой жизни».

Якоб Струве

Знаменитый российский ученый родился 15 апреля 1793 года в небольшом немецком городе Альтоне (ныне западная часть Гамбурга). Василием Яковлевичем он стал не сразу; при рождении, как это было принято в Германии, он получил сразу несколько имен: Фридрих Георг Вильгельм. Его отец, Якоб, занимал, в общем-то, неплохо оплачиваемую должность директора школы Христианиум. Но семья была многодетной, и дать приличное образование всем отпрыскам было непросто. В детстве Фридрих обучался под руководством отца, и основной упор делался на филологию. В 1808 году юноша покинул родину и поступил в Дерптский университет. Выбор этот был продиктован двумя обстоятельствами. Во-первых, шла война, Германия была оккупирована французами. Однажды по пути в Гамбург Фридрих был схвачен французскими вербовщиками. Юношу заперли в комнате на втором этаже, но он выпрыгнул в окно. Дерпт же (ныне это эстонский город Тарту) находился в стороне от боевых действий. Во-вторых, в Дерптском университете к тому времени уже преподавал старший брат Фридриха Карл, и, следовательно, он мог помочь и в обучении, и материально.

В университете Струве продолжил заниматься филологией и даже написал в 1810 году серьезную работу «О занятии критикой и грамматикой у александрийцев»[62]. Решающую роль в смене научных интересов юноши сыграл его соотечественник Георг Фридрих фон Паррот, который занимал кафедру физики и пост ректора с того момента, как Дерптский университет возобновил свою работу[63]. В истории становления этого учебного заведения Паррот сыграл громадную роль. Но он был не только выдающимся администратором, но и блестящим преподавателем. Лекции Паррота очень повлияли на Струве, и он настолько увлекся точными науками, что даже отказался от весьма лестного для 18-летнего юноши предложения занять место старшего учителя в Дерптской гимназии. Паррот же посоветовал талантливому студенту обратить свое внимание на астрономию. Эту науку преподавал профессор Гут. Под его руководством Струве начал делать первые наблюдения и на их основе написал первую посвященную астрономии работу «О географическом положении Дерптской обсерватории», которую 30 октября 1813 года защитил как магистерскую диссертацию. После этого молодой ученый получил должность экстраординарного профессора астрономии и стал университетским астрономом-наблюдателем (сам Гут был болен, и его эти обязанности тяготили).

Университетская обсерватория к тому моменту была оборудована крайне скудно. Она располагала только небольшим набором инструментов, основное же орудие, большой пассажный инструмент[64], установлено не было и лежало упакованным. Финансирования, 200 рублей в год, едва хватало на приобретение необходимой литературы. Задача по оборудованию обсерватории легла на плечи Струве. Многие, отнюдь не научные работы, он выполнял своими руками. Установив пассажный инструмент, молодой астроном сосредоточился на наблюдении околополярных звезд. Особо его внимание привлекали наблюдения двойных звезд. Впоследствии исследования именно в этой области прославили его как астронома, Струве часто, наряду с Гершелем, называют создателем этой отрасли астрономии. За работы по изучению двойных звезд в 1822 году ученый был избран членом-корреспондентом Петербургской академии.

Позднее Дерптская обсерватория все-таки получила весьма солидное финансирование. Струве несколько раз ездил за границу и заказывал новое оборудование. В 1822 году был установлен новый меридианный круг – инструмент для определения экваториальных координат небесных светил, а еще через два года – крупнейший на тот момент в мире рефлектор, изготовленный Фраунгофером[65]. Используя рефлектор, Струве продолжил изучение двойных звезд. В 1827 году он опубликовал «Новый каталог двойных звезд», в котором описал 3110 двойных систем. Эта работа сделала имя Струве всемирно известным. В 1837 году вышел ставший классическим труд «Микрометрические измерения двойных звезд». Это издание содержало результаты 10448 измерений двойных звезд. Удивление вызывает не только обилие наблюдений и измерений, которые самостоятельно проводил Струве, но и то, что он сам сделал все сопутствующие вычисления.

Геодезическими работами Струве занялся еще с 1812 года. Несколько позднее (в 1815 году) Лифляндское[66] экономическое общество обратилось к нему с предложением провести геодезические измерения, которые должны были лечь в основу географических карт. Эти работы Струве проводил во время летних каникул 1816–1819 годов. При этом он самостоятельно конструировал некоторые инструменты и разрабатывал методики измерений. Затем ученый приступил к измерению дуги меридиана. В результате почти сорокалетней работы была создана дуга Струве – сеть из 265 пунктов, представляющих собой заложенные в землю каменные кубы со стороной 2 метра, длиной 2820 км от мыса Нордкап в Норвегии до Измаила.

В 1818 году профессор Гут умер, и освободившуюся вакансию профессора кафедры астрономии предложили Струве. Ученый принял это предложение, также он стал директором Дерптской обсерватории. В целом Василий Яковлевич (поскольку Фридрих Георг Вильгельм стал профессором российского учебного заведения, мы отныне будем называть его так) неукоснительно следовал семейному девизу, сформулированному его отцом. Работоспособность ученого была поистине фантастической. Создается впечатление, что он вообще не спал, а в Дерпте тех времен, благодаря какому-то природному феномену, сутки длились гораздо больше положенных 24 часов. Помимо уже перечисленных нами геодезических и астрономических работ, Струве преподавал и выполнял административные обязанности. Правда, он добился постановления, согласно которому профессор астрономии, вынужденный работать ночью, освобождался от прочих университетских хлопот, кроме преподавания. Но позднее Струве согласился стать заместителем Иоганна Густава Эверса, ставшего в 1818 году ректором университета. Фактически Василий Яковлевич играл роль ночного дежурного по студенческому городку, унимал разгулявшихся студиозусов, улаживал различные конфликты. В этом Струве очень помогало уважение, которое питали к нему студенты. Кроме того, неутомимый ученый много лет руководил пожарной частью. 30 января 1829 года его уверенные действия спасли главное здание университета от сильного пожара. Учитывая, что сильный мороз затруднял подвоз воды, это было настоящим подвигом, что и было отмечено в благодарственной грамоте от царя.

Казалось бы, такая напряженная работа не оставляла времени для личной жизни. Но Струве успевал все. В мае 1814 года он отправился на родину. Его целью было не только навестить родных, но и познакомиться с ведущими астрономами Германии и посетить обсерватории. В Альтоне он познакомился с Эмилией Валль – дочерью знакомых Якоба Струве. 13 августа состоялось обручение, а через год – свадьба. Счастливый брак длился, в общем-то, не очень долго – в 1834 году Эмилия умерла. Но за это время супруги успели обзавестись двенадцатью детьми. Впоследствии Струве женился вторично на дочери одного из своих коллег Иоганне Бартельс. От второго брака у него было еще шестеро детей.

Но вернемся к научной карьере ученого. В 1826 году он был избран почетным, а в 1832 – действительным членом Петербургской академии. Вопреки существовавшим тогда правилам, ему было разрешено совместить членство с работой в Дерпте до тех пор, пока Академия не обзаведется собственной обсерваторией. К заботам Василия Яковлевича прибавились многочисленные поездки в Петербург, а вскоре и новые, очень приятные хлопоты, связанные со строительством Пулковской обсерватории.

Пулковская обсерватория стала, наряду с открытиями, еще одним памятником Василию Струве – замечательному ученому и организатору. В конце февраля 1834 года его вызвали в Петербург, чтобы рассмотреть составленные архитекторами Тоном и Брюлловым планы Главной астрономической обсерватории. А на 15 апреля того же года ему была назначена аудиенция у Николая I. После того, как ученый доложил о планах, составленных строительной комиссией, царь постановил утвердить рекомендованный Струве проект Брюллова, местом строительства выбрать Пулковский холм, назначить Василия Яковлевича директором будущей обсерватории и выделить средства для заказа самых совершенных на тот момент инструментов. Можно сказать, что это стало прекрасным подарком – ведь аудиенция состоялась в день рождения ученого.

Вскоре после этих событий Василий Струве вновь отправился на родину. Он хотел получить советы своих немецких коллег и начать переговоры об изготовлении оборудования. Конечно же, не отказал себе и в удовольствии посетить родной Альтон, навестить родных и старых друзей. Первый камень Пулковской обсерватории был заложен в июне 1835 года. В 1838 году Струве снова побывал за границей, где вместе с мастерами проверил работу изготовленных инструментов. Весной 1839 года состоялось торжественное прощание Струве с Дерптским университетом. В июле он с многочисленным семейством переехал в Пулково, а официальное открытие обсерватории состоялось 19 августа.

На новом месте Василий Яковлевич уже не мог так много времени уделять наблюдениям. Первые несколько лет он массу сил и времени тратил на обустройство обсерватории: следил за установкой инструментов, исследовал их, изготавливал вспомогательные приборы, составлял планы и инструкции будущих наблюдений, регулярно проводил наблюдения только с помощью особого пассажного инструмента, построенного по его заказу. Эти наблюдения позволили найти новое точное значение постоянной аберрации[67]. Значение постоянной, найденное Струве, использовалось астрономами почти 50 лет. Параллельно под руководством Василия Яковлевича было проведено обозрение северного неба с целью отыскания двойных звезд.

Завершив работу по определению постоянной аберрации, Струве стал реже участвовать в наблюдениях и вплотную взялся за обработку результатов, накопленных за 30 лет работы. Постепенно он все больше внимания уделял кабинетной работе. В результате, помимо многочисленных статей, ученый написал несколько капитальных трудов. «Описание Главной астрономической обсерватории в Пулково» (1845) не только содержало подробное описание инструментов обсерватории, но и стало настольной книгой по практической астрономии и фактически образцом для строительства других обсерваторий. В книге «Этюды звездной астрономии» (1847) не только излагалась история исследований строения Вселенной, но и содержалось доказательство существования космического поглощения света. В 1852 году увидел свет каталог «Среднее положение двойных и кратных звезд», в котором приведены результаты наблюдений 2874 звезд, в основном, двойных и кратных. Результатом геодезических исследований ученого стал двухтомный труд «Дуга меридиана в 25°20′ между Дунаем и Ледовитым морем» (1857–1861).

Летом 1857 года Василий Струве получил длительный отпуск. Вместе с женой и тремя дочерьми он отправился в путешествие по Европе. Во время поездки у него появились фурункулы за ушами. Хоть это было и неприятно, но особого опасения не вызывало. В Россию семья вернулась в конце осени. Василий Яковлевич продолжал работать над геодезическими расчетами. Но в конце января болезнь снова напомнила о себе. На затылке образовалась крупная опухоль, которую врачи диагностировали как злокачественный карбункул. Несмотря на многочисленные операции, болезнь развивалась, воспаление передалось на другие части тела. 15 февраля 1858 года вокруг постели Струве собрались все домочадцы, ждали смерти главы семьи. К счастью, кризис миновал, хотя до полной поправки было еще далеко. Общая слабость привела к частичной потере памяти. В течение весны и лета состояние больного постепенно улучшалось. По настоянию врачей Струве отправился в сопровождении жены сначала на Женевское озеро, а затем в Алжир. Вскоре состояние ученого перестало вызывать опасения. В Пулково он вернулся в сентябре 1859 года.

К сожалению, болезнь подорвала фантастическую работоспособность ученого. Руководство обсерваторией он передал старшему сыну. Сам Василий Яковлевич пытался написать обобщающую работу о двойных звездах. Но попытки были тщетны – память слишком часто подводила ученого. В начале 1862 года Струве с женой покинул Пулково и перебрался в Петербург. 19 августа 1864 года он принял участие в праздновании 25-летия своего детища – Пулковской обсерватории. А 23 ноября того же года Василий Струве умер от воспаления легких.

Следует отметить, что знаменитый ученый внес вклад в развитие науки не только своей научной, педагогической и организаторской деятельностью, он стал родоначальником великолепной научной династии. Четыре представителя этой династии были удостоены высшей астрономической награды – Золотой медали Королевского астрономического общества: Василий Яковлевич в 1826-м, его сын Отто в 1850-м, внук Герман Оттович Струве в 1903-м и, наконец, правнук Отто Людвигович в 1944 году. Последний работал в США, куда эмигрировал в 1920 году. Отто Людвигович был женат, но детей у него не было. К тому времени он остался последним Струве – его родственники, оставшиеся в России, после революции один за другим умерли. Династия прервалась…

КАРНО САДИ НИКОЛА ЛЕОНАР

(1796 г. – 1832 г.)

С работами Сади Карно научный мир познакомился после смерти автора, а часть из них вообще была потеряна безвозвратно. Но, тем не менее, французского ученого часто называют создателем термодинамики – важнейшего раздела физики. Именно поэтому мы и включили Сади Карно в число ста знаменитых ученых в истории человечества.

Писать о Сади Карно, не уделив должного внимания его отцу, известному ученому и просто человеку выдающемуся, было бы неразумно. Лазар Никола Карно родился 13 мая 1753 года в городе Ноле в семье адвоката. Сначала Лазар учился в колледже города Атунь, а затем поступил в одно из парижских учебных заведений, которое готовило будущих студентов высших военных школ. С самого начала многие преподаватели обращали внимание на выдающиеся способности Карно. В 1771 году юноша поступил в Мезьерскую школу военных инженеров, где ему было присвоено звание подпоручика. В рамках студенческих работ он участвовал в составлении проектов укреплений. Через два года Лазар Карно окончил учебу и был отправлен сначала в Кале, а затем командующим гарнизоном в Аррас. В 1778 году он написал работу по механике и технике «Эссе о машинах вообще», которую несколько раз перерабатывал и анонимно опубликовал в 1783 году. В ней была сформулирована и доказана теорема о «живой силе» (так тогда называли кинетическую энергию). Также в «Эссе» Карно рассуждал о вечном двигателе и весьма убедительно доказывал принципиальную невозможность его построения.

В революционных событиях конца XVIII столетия Лазар Карно принял активнейшее участие. Он был избран членом полкового комитета, президентом Аррасского общества друзей конституции, а затем (в 1791 году) – депутатом Законодательного собрания, в связи с чем переехал в Париж. Его многочисленные выступления в Законодательном собрании принесли известность, благодаря которой он смог сделать прекрасную политическую карьеру. В 1792 году Карно вошел в Конвент, на следующий год стал членом Комитета общественного спасения, а в 1795–1797 годах входил в состав Директории. Несмотря на насыщенную политическую жизнь, Лазар все же умудрялся какое-то время посвящать и науке. В 1796 году вышло еще раз переработанное издание «Эссе о машинах вообще», и Карно был избран в члены Французской академии наук. И в этом же году произошло еще одно важнейшее событие: 1 июня у Карно родился сын, которого назвали Сади Никола Леонар (первое имя мальчик получил в честь знаменитого персидского поэта и философа Саади).

К 1797 году позиции Директории несколько ослабли, и поэтому 18 фрюктидора (4 сентября) 1797 года в Париж были введены войска, верные Директории. Начались аресты наиболее активных ее противников. Лазар Карно отказался участвовать в этом силовом варианте развития событий, чем нажил себе врагов и был вынужден на некоторое время покинуть Францию. 9 ноября 1799 года произошел переворот, в результате которого первым консулом и фактическим правителем Франции стал Наполеон. Лазар Карно, его сторонник, а ранее и покровитель, получил звание генерал-лейтенанта и занял пост военного министра, правда, вскоре оставил эту должность. В 1802–1807 годах Карно входил в Трибунат, после чего вышел в отставку и посвятил себя воспитанию сыновей[68]. К политической деятельности Лазар ненадолго вернулся в конце 1813 года. Он предложил Наполеону свои услуги, был назначен губернатором Антверпена и руководил обороной города. Во время «Ста дней» он занимал пост министра внутренних дел, получил звание пэра. После реставрации Карно был изгнан из Франции и поселился в Магдебурге, где и умер 2 августа 1823 года.

Математические работы Лазара Карно в основном имеют отношение к геометрии и анализу. В 1797 году ученый в работе «Размышления о метафизике исчисления бесконечно малых» попытался обосновать правильность результатов исчисления. Карно критически рассмотрел многие методы анализа и таким образом принял участие в подготовке его реформы, осуществленной целым рядом математиков в начале XIX века. В 1801–1806 годах Карно опубликовал три работы, которые можно считать одними из первых в области проективной геометрии, он ввел термин «комплексное число» (1803). Также следует отметить, что обширный труд Карно «Об обороне крепостей» (1810) стал одним из основополагающих в области фортификации.

Образование Сади Карно и его младший брат Ипполит получали под руководством отца. Лазар Карно обучал сыновей математике, естественным наукам, языкам, музыке. Параллельно Сади посещал лицей Карла Великого, где готовился к поступлению в Политехническую школу. В 1812 году юноша успешно сдал экзамены и стал студентом этого знаменитого учебного заведения. В Политехнической школе учителями Карно были Пуассон, Ампер, Араго. Во время кампании 1814 года Сади вместе со многими своими товарищами по школе успел повоевать, приняв участие в обороне Венсенна – юго-восточного пригорода Парижа.

Окончив в 1814 году Политехническую школу, Карно отправился в Мец, где два года изучал военное строительство. Затем он получил звание лейтенанта и приступил к службе в инженерном полку. Но живой, деятельный ум Сади не выносил воинской рутины и бюрократии. Карно очень страдал, видя бесцельность своей деятельности. Возможностей для научных изысканий у него не было, перспектив для карьерного роста тоже (ведь он был сыном изгнанного из Франции известного бонапартиста). Поэтому в 1819 году Сади ухватился за возможность изменить свою жизнь. Сдав конкурсные экзамены, он добился перевода в Главный штаб корпуса. Перебравшись таким образом в Париж, Карно почти сразу взял длительный отпуск с сохранением половины содержания. Он начал посещать лекции в Сорбонне и Коллеж де Франс, библиотеки, различные фабрики и цеха. Его интересовали разнообразные физические, технические и технологические вопросы, но особенно теория газов и паровые машины.

В 1821 году Сади посетил в Магдебурге отца. Не исключено, что они, помимо прочего, немало говорили о паровых двигателях. Вернувшись в Париж, Сади с энтузиазмом приступил к теоретическим исследованиям в области паровых машин. После смерти Лазара Карно его младший сын Ипполит переехал во Францию к брату. Он уговорил Сади опубликовать часть результатов исследований и даже помог подготовить к печати статью «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эта статья была опубликована 12 июня 1824 года.

В 1827 году в Генеральном штабе была проведена реформа, и Карно остался без работы. Около года он проработал военным инженером в Лионе и Оксоне, а затем вышел в отставку и поселился в Париже. Здесь он продолжил исследования в области теории теплоты.

После прихода к власти Луи Филиппа Сади даже получил предложение войти в состав правительства, но, будучи убежденным республиканцем и противником монархии, отказался. А в июне 1832 года он серьезно заболел. В августе, когда Сади еще не окончательно оправился, в Париже вспыхнула эпидемия холеры. Среди ее жертв оказался и Карно. Ученый умер 24 августа. По правилам того времени, все имущество умершего от холеры, включая бумаги, было сожжено. Только случайно уцелевшая записная книжка позволила впоследствии установить, какую огромную утрату понесла наука.

«Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» так и остались единственным трудом Сади Карно, увидевшим свет при жизни автора. В период, предшествующий его написанию, началось активное использование паровых машин. Тем не менее, теоретических исследований работы этих новых механизмов еще не существовало. «Размышления» стали первым серьезным исследованием в этой области, и Карно удалось сформулировать некоторые основополагающие закономерности. Он показал, что в каждой тепловой машине должен быть нагреватель и холодильник. Процессы, происходящие во время работы машины, должны повторяться: рабочее вещество механизма попеременно расширяется, производя работу, и сжимается. Карно пытался найти универсальный способ определения КПД тепловых двигателей. Для этого ученый рассмотрел идеальный круговой процесс. Он получил название «цикл Карно», хотя сейчас он больше известен в формулировке Клапейрона.

Цикл Карно состоит из двух изотермических[69] и двух адиабатических[70] процессов. Рабочее тело (например, пар) находится в цилиндре, закрытом поршнем. В ходе первого изотермического процесса стенки цилиндра приводятся в контакт с нагревателем, имеющим постоянную температуру. Пар при этом расширяется и производит работу. Далее следует первый адиабатный процесс, в ходе которого пар охлаждается за счет продолжающегося расширения. В начале второго изотермического процесса цилиндр приводится в контакт с холодильником, имеющим постоянную температуру. При этом происходит сжатие пара. Наконец, в ходе последнего адиабатического процесса система возвращается в первоначальное состояние. Изучая этот цикл, Карно вывел и доказал теорему, названную позже его именем. Согласно теореме Карно, максимально теоретически возможный КПД тепловой машины не зависит от ее конструкции и природы рабочего вещества и определяется только температурой нагревателя и холодильника. Также Карно пришел к закону сохранения энергии и фактически ко второму началу термодинамики.

14 июня 1824 года, через два дня после опубликования, «Размышления» были официально представлены Академии наук и вскоре получили благоприятную рецензию. Тем не менее, при жизни Карно этот труд не привлек особого внимания, а важность его не была понята современниками. Это, по всей видимости, связано с тем, что идеи, изложенные в «Размышлениях», были слишком новы и оригинальны, а никому не известный автор не вызывал у более именитых физиков доверия и желания подробно разобраться в его работе. Сыграло свою роль и то обстоятельство, что в своих рассуждениях Карно опирался на гипотезу теплорода, в те времена уже устаревшую и неверную по мнению большинства ученых. Только благодаря уцелевшей записной книжке ученого стало известно, что позже он отказался от этой гипотезы или даже вовсе не придерживался ее, используя теплород в качестве модели, облегчающей рассуждения и расчеты.

В 1834 году Клапейрон частично восстановил историческую справедливость, обратив внимание научного мира на «Размышления» Карно. Еще через 15 лет Уильям Томсон приложил усилия для того, чтобы вернуть из небытия имя безвременно ушедшего из жизни французского ученого, опубликовав обширный «Доклад о теории Карно – о движущей силе теплоты счисленными результатами, полученными из опытов Реньо[71] над парами». И все равно долгое время научный мир не мог по достоинству оценить результаты Карно. Ученые не находили особой доблести в том, чтобы сформулировать второе начало термодинамики умозрительно, не выведя первого. То, что на самом деле Сади Карно пришел к первому началу, стало широко известно в 1927 году, когда была опубликована его записная книжка. Наконец, в 1966 году была обнаружена рукопись, написанная Карно в 1822–1823 годах. Она представляла собой большую статью, в которой содержались основные положения термодинамики. По всей видимости, Карно из осторожности не спешил публиковать эту статью. Эта осторожность и скоропостижная смерть ученого лишили его заслуженной славы и сильно замедлили темпы развития новой области физики…

КЛАПЕЙРОН БЕНУА ПОЛЬ ЭМИЛЬ

(1799 г. – 1864 г.)

Эмиль Клапейрон родился 26 января 1799 года в Париже. Сведений о его родителях история практически не сохранила. Известно только, что, согласно записи в архиве, они «недвижимой собственностью не владели». Также мало известно и о детстве известного физика. В 1816 году Эмиль окончил один из парижских лицеев и поступил в Политехническую школу. Через два года Клапейрон получил диплом военного инженера. Он занял должность инженера-ученика во Французском горном корпусе. Параллельно юноша продолжал учиться в Сент-Этьенской минной школе.

В 1819 году Эмиль и его друг Габриель Ламе[72] отправились в исследовательскую поездку по Гарцу. В те времена этот район был одним из центров добычи металлов (меди, серебра, цинка, свинца). Молодые инженеры особенно интересовались различными техническими приспособлениями. Результатом поездки стали две первые научные работы Клапейрона, которые были посвящены зубчатым колесам и описанию парохода.

После возвращения друзей в Париж произошло событие, сыгравшее важную роль в жизни обоих. Клапейрон и Ламе были представлены Пьеру Доминику Базену. В свое время Базен вошел в группу ученых, откомандированных по просьбе Александра I Наполеоном в Россию. Их задачей было создание новой для Российской империи специальности – инженеров путей сообщения. В результате появился Петербургский институт инженеров путей сообщения. Базен проработал в России достаточно долго, он даже стал именоваться Петром Петровичем и дослужился до генерала. Во Франции он, в частности, подбирал преподавателей для Института инженеров путей сообщения, который все еще нуждался в заграничных кадрах. Молодые исследователи произвели на Базена хорошее впечатление, и он предложил им отправиться в Россию.

20 июня 1821 года появился указ о назначении Клапейрона и Ламе преподавателями института. Эмиль был назначен заведующим кафедрами механики и химии. Он взялся за работу основательно: прежде чем приступить к чтению порученных ему курсов, внимательно изучил и пересмотрел их программы. Клапейрон разделил курсы химии и механики на прикладную и теоретическую часть, добавил новые разделы (о паровых машинах, о ветряных мельницах и др.). Преподавательскую деятельность он успешно совмещал с научной и инженерной: молодой ученый много времени уделял вопросам строительства мостов, гидротехническим работам, выполнял чисто прикладные задачи. Так, ему было поручено исследование месторождений известняка и анализ свойств известей, получаемых из них. В результате тщательных и обширных работ Клапейрон установил, что русские извести не уступают импортируемым из-за границы. Он руководил первыми в России испытаниями бетона и первым применением этого материала при строительстве мостов, входил в различные комиссии по изучению проектов, рецензировал изобретения, сам активно занимался проектированием. В 1825 году Клапейрону было поручено провести испытания прочности российского железа, которое шло на строительство цепных мостов. За время пребывания в России Эмиль опубликовал более десятка инженерных и научных работ. В 1830 году он был избран членом-корреспондентом Петербургской академии наук.

Но не следует думать, что пребывание Клапейрона и Ламе в Российской империи было безоблачным, скорее, дело обстояло совсем наоборот. Уже в 1824 году они подавали прошение об отставке и возвращении во Францию. Предпринимались такие попытки и в дальнейшем, но всякий раз ученые получали отказ. Причины, по которым Клапейрон и Ламе все-таки смогли покинуть Россию, до конца не известны. Возможно, большое значение сыграло то, что они с воодушевлением восприняли известие об Июльской революции во Франции. Это событие сыграло важную роль и в политической жизни России, в частности, послужило толчком к Польскому восстанию 1830–1831 годов. Власти предупреждали ученых о недопустимости тех слишком либеральных политических высказываний, но французы должной сдержанности не проявляли. В конце 1830 года Клапейрон, практически наверняка в качестве наказания, был отправлен в полугодичную командировку в Вытегру. В начале 1831/32 учебного года он приступил к выполнению своих преподавательских обязанностей, но вскоре подал вместе с Ламе прошение об отставке, мотивируя его состоянием здоровья. На этот раз прошение было без всяких проволочек удовлетворено, и неугодные российским властям молодые французские ученые смогли вернуться на родину.

Вернувшись во Францию, Клапейрон в основном посвятил себя развитию железнодорожного транспорта. Вскоре после приезда он и Ламе вместе составили проект строительства одних из первых железнодорожных линий Париж – Сен-Жермен. Деньги на строительство удалось получить не сразу, и Клапейрон некоторое время преподавал в Минной школе.

Увлечение железной дорогой определяло и научные интересы Эмиля Клапейрона. Он не только изучал проекты паровых машин, но и следил за теоретическими исследованиями в этой области. В 1834 году произошло знаменательное событие: Клапейрон познакомился с трудом Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эмиль стал фактически первым ученым, который внимательно изучил эту работу, написанную десятью годами ранее, и, пожалуй, первым же, кто понял основные идеи покойного Карно. Так же, как и Карно в своих неопубликованных записях, Клапейрон вплотную подошел к пониманию закона сохранения энергии, впрочем, так и не сформулировав его. Он писал: «Количество работы, совершаемое газом, и количество теплоты, перешедшее от теплого тела к холодному, – величины одинакового типа, которые могут переходить друг в друга, взаимопревращаться. Здесь дело обстоит так же, как и в механике, где тело, которое может падать с определенной высоты, и тело, обладающее определенной скоростью, характеризуются величинами одного вида, которые могут благодаря определенным устройствам превращаться друг в друга». Надо заметить, что вслед за Карно Клапейрон в своих рассуждениях и расчетах использовал гипотетический теплород, в общем-то, понимая теоретическую слабость этой концепции.

Важнейшим достижением Клапейрона считают то, что он разработал графический метод изображения термодинамических процессов. Это дало сразу два положительных эффекта: во-первых, процессы приобрели наглядность, а во-вторых, Клапейрон, прекрасный математик, смог разработать математические методы, позволяющие производить различные расчеты. Далее он вывел два важных уравнения. Первое выражает зависимость между давлением, объемом и абсолютной температурой идеального газа.

Сейчас это соотношение известно под названием уравнение Клапейрона или Менделеева – Клапейрона (в 1874 году, используя закон Авогадро, Менделеев модернизировал его до уравнения состояния одного моля идеального газа). Второе уравнение сейчас носит имя Клапейрона – Клаузиуса. Оно описывает зависимость между давлением и температурой при переходе веществ из одной фазы в другую.

В том же 1834 году Клапейрон опубликовал результаты своих исследований в не очень большой по объему (38 страниц), но весьма содержательной статье. Назвал он ее почти так же, как и Карно «Размышления о движущей силе тепла». Эта работа так и осталась единственным теоретическим трудом Клапейрона. Возможно, именно поэтому роль ученого в становлении термодинамики часто недооценивают. Вторая причина заключается в том, что сам Клапейрон позиционировал свою работу, как изложение идей Карно, не акцентируя внимания на оригинальных результатах. Тем не менее, с уверенностью можно сказать, что собственные результаты Эмиля Клапейрона также очень важны. Установленное им уравнение фазового перехода (уравнение Клапейрона – Клаузиуса) не только имеет фундаментальное значение, но и широко применяется. Оно позволяет рассчитать трудно определяемые экспериментальным путем величины, характеризующие состояние вещества при фазовом переходе. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса, в частности, используется для вычисления тепловых констант.

В 1835 году произошло, в общем-то, радостное, хотя и отвлекшее ученого от научных изысканий событие. Были наконец выделены средства на проект железнодорожной линии Париж – Сен-Жермен. К тому времени Ламе уже получил кафедру физики в Политехнической школе, и реализация задуманного друзьями строительства практически целиком легла на плечи Клапейрона – ему поручили лично возглавить работы. Когда же в 1837 году ветка была построена, он приступил к реализации следующего проекта: железной дороги Бордо – Байонна. Также Клапейрон участвовал в строительстве мостов, в частности, через Сену и Гаронну. В исследовательской деятельности он перешел к более прикладным задачам, в частности, в 1842 году написал важную работу о регулировании давления пара в паровых машинах.

К педагогической работе ученый вернулся лишь в 1844 году, когда ему предложили профессуру в Школе мостов и дорог. Здесь он, в частности, читал собственный курс «Паровые машины». В 1848 году Эмиль Клапейрон был избран во Французскую академию наук. К своему членству ученый относился не просто как к приятной формальности. Он принимал активное участие в работе различных комитетов Академии: по присуждению премий в области механики, по строительству Суэцкого канала, по применению паровых двигателей в военно-морском деле. Умер Эмиль Клапейрон 28 января 1864 года. Сейчас одна из улиц Парижа носит его имя.