Андре-Мари Ампер: навстречу 250-летию со дня рождения основоположника электродинамики
20 января этого года исполнилось 247 лет со дня рождения всемирно известного французского ученого [1,2]. Его жизнь и научная деятельность имеют много важных сторон, на которые имеет смысл обратить внимание. Важно об этом вспомнить не только ради юбилейной даты. Глубина научного мышления Ампера настолько велика, что, несмотря на свою хрестоматийность, он скорее мыслитель настоящего времени, нежели наши многие современники. Современная наука сегодня сталкивается с опасностью превращения языка науки в механизм, освобождающий ученого от обязанности мыслить. Более прельстительным для новых жрецов науки представляется возможность материальных приобретений в процессе научных занятий. Поэтому для тех, кто сегодня только начинает свой путь в науке, особенно интересна будет мыслительная сторона произведений Ампера.
Дух прошлого в его трудах предоставляет обильную жатву нетривиальных мыслей. Для современной науки, утрачивающей свои ценности, это обстоятельство имеет принципиальное и крайне необходимое значение. Ампер и его наука раскрывает новые возможности для самобытного мышления и освещает предстоящие научные поиски ярким светом истинного познания. Вот от такого вступления переходим непосредственно к Амперу.
Его жизнь была трудной, наполненной большим числом страданий и огорчений. Полемье, местечко, где он родился, находилось вблизи французского города Лион. Семья Ампера относилась к категории среднего сословия.
Портрет Андре-Мари Ампера кисти неизвестного художника, начало XIX века
Отец занимался вначале коммерцией, а затем судебной деятельностью. Кроме Андре в семье было еще две дочери. Жизнь так распорядилась, что в годы юношества Амперу пришлось пережить два трагических события. Первое — смерть в возрасте 20 лет старшей сестры. Второе — гильотинирование отца за сочувствие жирондистам. Юноше в то время исполнилось 18 лет. Казнь отца потрясла его. Он писал позднее, что из душевного криса удалось выйти благодаря общению с природой. Во время душевного кризиса его часто видели гуляющим в окрестностях Полемье. По воспоминанием современникам это был неуклюжий, близорукий юноша. Внешне он производил впечатление человека отрешенного от жизни и полного каких-то неведомых другим знаний. Он носил громадный картуз, а на ногах у него были тяжелые крестьянские сапоги. Увлеченный собой, он, не замечая окружающих, читал стихи, задавал себе вопросы и сам на них отвечал. В это время юноша много времени уделял книгам. Он не посещал никаких учебных заведений. У него не было домашних учителей. К знаниям Ампер приобщался самостоятельно, без посторонней помощи. Единственными учителями будущего ученого были книги из богатой домашней библиотеки. Необычный внешний вид и странные манеры поведения особенно сильно затрудняли его контакты с особами противоположного пола. Поэтому вначале неудачно складывались отношения Ампера с понравившейся ему дочерью лионского коммерсанта Жюли Каррон. Он был к тому же на полтора года моложе Жюли. Она относилась с равнодушием к его ухаживаниям. Но постепенно настойчивость и глубина чувств Ампера увлекла девушку. Она приняла предложение вступить с ним в законный брак. Родители невесты не хотели этого брака. Они считали Андре не только внешне не подходящим для их дочери. Финансовая несостоятельность жениха также внушала им опасение за будущее материальное благополучие. Тем не менее, Андре и Жюли преодолели все препоны на пути их объединения в семью и в 1899 году обвенчались. После бракосочетания молодые супруги перезжают в Лион. Ампер становится домашним учителем. Но материальное положение при таком роде занятий оказывается очень неустойчивым. Из Бурга, куда он подал заявку на конкурс в центральную школу, приходит приглашение. Ампер переезжает в этот городок, оставляя Жюли и родившегося сына на попечение родителей жены. Жалование Андре и в Бурге было мизерным, и ему приходилось подрабатывать уроками и занятиями в частных пансионах. Серьезно отягощала подавленное моральное состояние Ампера внезапная и прогрессирующая болезнь жены. Однако несмотря на трудности, Ампер много и плодотворно работал в Бургский период своей жизни. О широте формировавшихся в это время научных интересов Ампера можно судить по его лекции, которую он прочел при вступлении в должность учителя центральной школы. Цель такой лекции сводилась к программным заявлениям педагога, его философским взглядам и жизненным интересам. Приходится сожалеть, что в наше время не практикуются подобные мероприятия для начинающих учителей и педагогов.
«Физика на современном этапе наших знаний, — говорилось во введении к вступительной лекции Ампера, — дает нам, вероятно, наиболее разнообразные сведения и факты интересных и полезных применений. Широкий круг ее интересов и недостаточная согласованность между различными частями создают для изучающих многочисленные трудности, которые нужно преодолеть и оставляют неточности в изложении системы, которые нужно либо принять, либо опровергнуть. Необходимо привести в порядок эту огромную бесформенную массу изящных изобретений, еще не объединенных временем. Предстоит прилежная и непрерывная работа в этой области...» Можно лишь восхищаться тем, насколько современно и точно сказано о физическом знании и о подходах к его изучению. Педагогическая деятельность бургского периода стимулировала Ампера к активным занятиям наукой. Первые его научные исследования были связаны с математикой. Среди математических работ — «Соображения о математической теории игр», «Об интегрировании дифференциальных уравнений, к которым приводят задачи, решаемые вариационным методом», «О применении общих формул вариационного исчисления к задачам механики». Работы Ампера, направленные им в Парижскую академию наук, получили там высокую оценку. В частности, на вариационные исследования Ампера обратил внимание Лаплас. Благоприятное впечатление расчеты Ампера произвели на Даламбера. От него Амперу было направлено приглашение посетить Париж. Личные контакты с Даламбером завершились его рекомендацией занять место преподавателя математики в Лионском лицее. Работать в этом престижном учебном заведении Ампер давно мечтал. Теперь его мечты принимали реальный оборот. К сожалению, удачи по службе в этот период осложнились печальными событиями в семейной жизни. После непродолжительной болезни умирает его жена. Он остается с маленьким сыном, воспитанием которого приходится заниматься матери Ампера. Несмотря на несчастье, Ампер приступает к выполнению новых обязанностей. Увлеченность работой несколько снижает остроту свалившегося на его плечи горя. Работая преподавателем, Ампер начинает принимать участие в деятельности лионского отделения Академии наук. Лионский период творческой работы Ампера был непродолжительным. Неожиданно для себя он получает приглашение в Париж на работу в Политехническую школу. Политехническая школа занимала особое положение среди других учебных и научных институтов. В ней работали многие выдающиеся ученые. Она обеспечивала хорошо продуманную систему преподавания. И со стороны правительства этому учебному и научному центру оказывалась всяческая поддержка. Все это вселяло надежду на большие возможности для творческой научной работы, к которой у Ампера сформировался устойчивый интерес. Взявшись с большим энтузиазмом за работу, Ампер быстро показывает свои незаурядные педагогические дарования. После выхода на пенсию профессора Боссю ему предлагают занять должность профессора. В это время Ампер сближается с работавшими в школе известными учеными — Монжем, Коши, Гей-Люссаком, Лакруа.
Начальные годы жизни в Париже в творческой деятельности были отмечены довольно сильным разнообразием интересов. Наряду с математикой он сочиняет трагедии, изучает психологию, составляет зоологические карты обитателей животного мира. В многих своих занятиях он не достигал завершенности, хотя нередко и получал интересные выводы. Научная разбросанность и неопределенность творческих устремлений отражала общее угнетенное состояние духа ученого, который никак не мог смириться с безвременной кончиной жены. Друзья Ампера пытаются восстановить душевное равновесие Андре. Они содействуют новым знакомствам с различными светскими людьми. Встреча Андре с зажиточным семейством графа Пото послужила причиной романтической связи с его дочерью Женни. Ампер делает предложение Женни, и она его принимает. Однако выбор Ампера оказался неудачным. Он и Женни оказались слишком разными и несовместимыми. В семье Пото всегда правил расчет, царил торгашеский дух, невежество и лицемерие. Сама Женни представляла собой особу недалекого ума, но весьма капризную, с большими запросами, невероятно бездушную и эгоистичную. Ампер же с его впечатлительностью, мягким, застенчивым и деликатным характером, не вписывался в жизненный круг такого рода светской публики. Кончилось дело тем, что брачный договор был составлен не в пользу Ампера. А после свадьбы, когда Ампер переехал в дом жены, все ее отвратительные качества стали проявляться в усиленной мере. Недаром Луи де Бройль в докладе к столетию со дня кончины Ампера писал: «Вторая жена Ампера оказалась мегерой...» С такой резкой оценкой нельзя не согласиться. Ведь за неделю до родов второй жены Ампера попросту выгоняют из дома. Он по-холостяцки устроился в общежитии. Родившуюся девочку назвали Альбиной. Когда малютку отняли от груди, ее переправили к отцу. Амперу пришлось вызвать в Париж свою мать с сыном и сестру Жозефину. Разумеется, жизненные невзгоды вновь отражаются на творческой деятельности ученого. Для решения материальных проблем ему приходится работать в нескольких местах. К уже имеющимся огорчениям добавилось новое — смерть матери. С этого времени тяжесть воспитания девятилетнего сына и двухлетней дочери пала на сестру Ампера — Жозефину. Бреден писал в одном из писем к своему другу Амперу: «Мой бедный друг, не иссякнут ли когда-нибудь силы твоей души для горестей? Восемь лет я имею счастье знать тебя близко. С этого времени я всегда был уверен, что ты находишься на вершине страданий. Мне всегда казалось, что несчастья, выпавшие тебе на долю, отходят к концу. Но у тебя всегда находятся обстоятельства ухудшать твое состояние...»
За печальное для себя десятилетие с 1804 по 1814 год Ампер представил научной общественности всего лишь одну работу под названием «Доказательство принципа виртуальных скоростей, полностью основанного на применении бесконечно малых». Однако начиная с 1814 года начинается самый активный в творческом отношении период жизни Ампера. В этом году опубликовано самое большое число его научных работ. Его научные заслуги высоко оцениваются академиками, и он избирается в члены Парижской академии наук по секции «геометрия». Математические исследования Ампера занимают особое место в его творчестве. П. Аппель писал: «Математические труды Ампера, даже без его бессмертных работ по электродинамике, позволяют сами по себе поместить Ампера в первый ряд математиков, создавших современное математическое знание и сравнить его с блестящими учеными в этой области — Лапласом, Лагранжем, Монжем, Эрмитом, Пуанкаре и другими» [3].
Математикам хорошо известно дифференциальное уравнение, которое широко применяется в различных областях естествознания и известно под именем уравнения Монжа — Ампера:
Здесь U(XY) — неизвестная функция, а А, В, С, D, E — заданные коэффициенты.
Фундаментальный интерес для понимания значимости предложенного Ампером метода решения дифференциальных уравнений в частных производных представляют две его работы: «О частных дифференциалах» и «О некоторых преобразованиях и интегрировании уравнений с частными производными». В этих исследованиях развивается оригинальный метод интегрирования уравнений с частными производными первого и второго порядка, который теперь вошел во все учебники. Рассматривается подход к нахождению частных интегралов, удовлетворяющих заданным граничным условиям. Известно, что решение уравнений в частных производных может рассматриваться в виде некой поверхности. Система граничных условий выражает правило в виде соотношения для касательных плоскостей вдоль заданной кривой, при котором через эту кривую должна пройти искомая поверхность. Ампер подметил, что систему граничных условий и связанных с ними решений можно понимать и по-другому. А именно, что задается замкнутая кривая, через которую должна проходить поверхность с таким допущением, что поверхность образует большую непрерывную оболочку, ограниченную этой кривой. Обычно такой подход к рассмотрению интегралов уравнений в частных производных с помощью характеристических многообразий связывают с именем Монжа. Метод Ампера носит более общий характер и его можно применять к уравнениям, которые не поддаются интегрированием методом Монжа. В упомянутых выше работах Ампер развивает также метод так называемых контактных преобразований, причем делает это раньше Софуса Ли, которого в исторической литературе причисляют к основоположникам теории контактных преобразований.
Талант и научную продуктивность Ампера по достоинству оценили знаменитые к тому времени академики Парижской академии наук — Лаплас и Лагранж. По их представлению, Ампер занимает почетное место академика, и у него появляется возможность целиком посвятить себя научным исследованиям. Атмосфера, царившая в Парижской академии наук, способствовала плодотворному научному творчеству. Ампер предлагает вниманию коллег по Академии несколько научных сообщений. Среди них доклад, посвященный определению пропорций составных частей различных сред, соединяемых в одно целое. Он установил, что составляющие сложных сред зависят от числа и относительного расположения в них молекул. Другая работа, представленная на суд академиков, была связана с теоретическим обоснованием закона Мариотта. Диапазон научных интересов иллюстрирует еще один доклад, в котором им был установлен закон преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Интенсивная научная работа сопровождается преподавательской деятельностью. В дополнении к занятием по физике и философии, он читает лекции по логике в Высшей нормальной школе Сорбонны. Большие нагрузки не замедлили сказаться на его здоровье. У него появляются нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы. Болезнь побуждает Ампера ограничить свою педагогическую работу. И он оставляет за собой только место профессора физики в Колледж де Франс, где работает начиная с 1824 года до последних дней жизни.
Главный труд Ампера — электродинамические исследования. Электродинамике он посвящает 10 лет своей жизни с 1820 по 1830 гг. О его научных достижениях в этой области следует говорить особо. Ограничимся простым перечислением, потому что для подробного изучения электродинамической части научного творчества Ампера аналитических работ достаточно много. В первую очередь упомянем правило Ампера для определения направления действия тока на магнитную стрелку. Далее — закон взаимодействия электрических токов. Большой цикл работ выполнен Ампером по разработке теории магнетизма. Прежде всего, им представлен механизм магнитных взаимодействий через систему круговых токов (теорема Ампера). Ряд работ носит прикладной характер в их числе исследования соленоида (катушки с током), разработка большого числа электромагнитных приборов (коммутатор, электромагнитный телеграф и т.д.). Особо следует обратить внимание на исследования, связанные с законом элементарного действия токов и переходом к расчетам взаимодействия конечных токов. Ампер стремится действие элементарных токов свести к виду, аналогичному взаимодействию зарядов в законе Кулона. Электродинамическая концепция Ампера напрямую увязывается с представлениями Ньютона в механике. По мысли Ампера, объяснение электродинамических взаимодействий следует искать не в вихревых движениях электрической материи, а в дальнодействующих центральных силах. Параллельно альтернативные воззрения на характер взаимодействия токов развивался коллегой Ампера, не менее известным ученым Био. Он считал, что обоснование опытов Эрстеда, обнаружившего и зафиксировавшего действие электрических токов, нужно искать исходя из идеи нецентральности электродинамических сил. Нецентральный характер сил — это близкодействующее или вихревое пространство вокруг токов. И характер электрических сил в связи с этим должен определяться в рамках полевых представлений. Между Био и Ампером развернулась полемика по поводу элементарных законов электродинамического взаимодействия. Эта дискуссия продолжается до настоящего времени. Определенное решение в пользу той или иной точки зрения затруднено из-за отсутствия возможности поставить эксперименты по оценке истинного характера взаимодействия элементарных токов.
Последние годы жизни Ампера были заняты обобщением выполненных исследований и составлением фундаментального труда «Опыт философии наук». Следует отметить, что стремление к обобщениям, размышлениям и идеологическому осмыслению того, что было создано им в науке, является основной чертой научного творчества этого завершающего периода жизни Ампера. О работах, выполненных Ампером в это время, обычно мало говорится. Однако они, пожалуй, являются исключительно богатыми как по осуществленным идеям, так и по нереализованным замыслам. Среди работ этого периода выделим расчеты криволинейной поверхности фронта световых волн в среде, упругость которой различна по трем главным направлениям. Сюда следует также отнести обсуждение возможных путей обоснования принципа всемирного тяготения, размышление об общих принципах, лежащих в основе тепловых и световых движений.
В моральном отношении это время оказалось ничуть не легче, чем предыдущие годы. Сам он писал: «Я никогда не был таким несчастливым, как теперь, так удрученным невзгодами и настолько перегруженным работой. У меня нет ни в чем утешения и глядя без удовольствия на мой сад, где я проложил новые тропинки, я не представляю себе, что будет далее со мной!» В начале лета 1836 года Ампер отправляется в инспекционную поездку в Марсель. Во время этого путешествия он неожиданно умирает от приступа сердечной болезни. Ему было 62 года. Смерть великого ученого прошла незамеченной. Его похоронили в Марселе. После 1869 года останки Ампера были перевезены на Монмартское кладбище и захоронены в склепе с сыном, умершем в 1864 году. На могильном камне высечено: «Он был также добр и также прост, как велик».
Литература
1. Самохин В. П., Мещеринова К. В., Тихомирова Е. А. Андре-Мари Ампер (к 240-летию со дня рождения) // Машиностроение и компьютерные технологии. Некоммерческое партнерство «Национальный Электронно-Информационный Консорциум». — 2015. — № 1.
2. Белькинд Л. Д. Андре-Мари Ампер. — Наука, 1968.
3. Боброва М. И., Кононенко И. Н. «Музыка разума»: исследование книг выдающихся математиков в фонде ЦНБ Каразинского университета. — Харьков, 2020.
А. А. Соловьев, доктор физ.-мат.н., профессор МГУ имени М.В. Ломоносова,
Д. А. Соловьев, к.ф.-м.н. Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), выпускник физического факультета 2004 г.