Курс истории физики

Уильям Роуан Гамильтон ирландский математик и физик. С 1827 г. он был профессором астрономии в Дублинском университете и директором астрономической обсерватории университета.

В 1834 г. Гамильтон выступил с программной статьей «Об общем методе в динамике, посредством которого изучение движений всех свободных систем притягивающихся или отталкивающихся точек сводится к отысканию и дифференцированию одного центрального соотношения или характеристической функции».

Характеризуя развитие механики со времен Ньютона, Гамильтон выделяет учение славянского ученого Руджера Иосипа Бошковича, современника и ровесника Ломоносова, пережившего его более чем на двадцать лет (Бошкович родился 18 мая 1711 г. в Дубровнике, в Далмации, умер 13 февраля 1787 г. в Милане, в Италии. Бошкович в 1760 г., еще при жизни Ломоносова, был избран почетным членом Петербургской Академии наук).

В основном сочинении «Теория натуральной философии, приведенная к единому закону сил, существующих в природе», вышедшем в 1758 г., Бошкович рассматривает мир как совокупность точек (атомов, которые он мыслит как центры сил), взаимодействующих друг с другом с силами, модуль и направление которых меняется с расстоянием так, что притягательные силы переходят в отталкивательные, и наоборот. Гамильтон рассматривает его труд как переворот в механике, сделавший ее «более динамичной и сводящей все связи и действия тел к притяжению или отталкиванию точек».

Именно эту идею Гамильтон кладет в основу своей системы. Но для того чтобы определить движение системы точек, надо интегрировать дифференциальные уравнения второго порядка, «число которых втрое больше числа притягивающихся или отталкивающихся точек».

Естественно, что с увеличением числа точек эта задача необычайно усложняется, и для десяти точек, например, надо интегрировать тридцать дифференциальных уравнений второго поря дка. Гамильтон предлагает метод, в котором «задача сводится к отысканию и дифференцированию одной-един-ственной функции, удовлетворяющей двум уравнениям в частных производных первого порядка и второй степени». Эту функцию Гамильтон называет характеристической, она определяется интегралом

где 2Т - «полная живая сила» сумма произведений масс частиц на квадраты их скоростей. Она связана с введенной Гамильтоном функцией Н, определяемой законом живой силы Т = U + Н, уравнением

Соотношение Т = U + Н, где U - силовая функция, сейчас записывают в виде: H=T+U,

где U - потенциальная энергия, отличающаяся от силовой функции U Гамильтона знаком.

Во второй статье — «Второй очерк об общем методе в динамике», опубликованной в 1835 г., Гамильтон вводит вместо характеристической функции V главную функцию S. Он применяет свою знаменитую систему канонических уравнений, которая в современной форме, в случае консервативных сил, имеет вид:

Число этих уравнений n (i = 1, 2, ., ., n) равно числу степеней свободы системы. Главная функция S вводится уравнением:

Она сейчас носит название «действия», и канонические уравнения получаются из принципа наименьшего действия.

Работам Гамильтона по динамике предшествовали его работы по оптике лучей, написанные им в период 1827— 1832 гг., под общим названием «Теория систем лучей». Гамильтону принадлежит заслуга в установлении оптико-механической аналогии, сыгравшей важную роль в истории создания волновой механики Шредингера.

Метод Гамильтона в динамике был разработан и развит в «Л екциях по динамике» Карла ГуставаЯкоби (1804—1851). Якоби был родным братом русского академика Бориса Семеновича Якоби и сам был почетным членом Петербургской Академии наук.

Теория Гамильтона—Якоби получила широкое применение в XX в. в решении задач атомной механики. Оператор Гамильтона, или «гамильтониан», является одним из основных операторов современной квантовой механики, и таким образом полузабытая физиками теория механики и оптики обрела новую жизнь в нашем столетии.

Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетия

Факты из истории оптики начала XIX столетия показывают, как трудно раскрыть закономерности развития науки, которое происходит не путем последовательной и плавной эволюции, а сплошь и рядом испытывает неожиданные скачки и потороты. Успехи ньютоновской механики XVIII в. оказали огромное влияние на все области физики, в том числе и на оптику. Несмотря на поддержку теории Гюйгенса Ломоносовым и защиту волновой теории света Эйлером, победа корпускулярной теории была бесспорной, а самый принцип Гюйгенса был забыт.