Н. А. Умов — ученый и мыслитель

К 90-летию физического факультета МГУ

(1846–1915)

Николай Умов родился 4 февраля (23 января по ст. ст.) 1846 года в Симбирске. Его отец — Алексей Павлович Умов — окончил медицинский факультет Казанского университета, в 1845 году был назначен старшим врачом больничных заведений Симбирского приказа общественного призрения. Проработав три года, оставил эту должность и занялся частной практикой. Был страстным натуралистом, собирал бабочек, одна из которых впоследствии была названа в его честь — BryophiliaUmovi. Мать Николая — Софья Ивановна Сусоколова — дочь богатого симбирского купца.

В 1858 году семья переехала в Москву. Николай получил прекрасное домашнее образование. Окончив курс в 1-й Московской гимназии (1863 г.), он поступил на физико-математический факультет Московского университета, откуда вышел со степенью кандидата в 1867 году. Перед поступлением в технологический институт работал некоторое время на вагоностроительном заводе Вильямса и Бухтеева. В Санкт-Петербургском технологическом институте он пробыл вольнослушателем два месяца, был оставлен при Московском университете для подготовки к профессорскому званию на кафедре физики. В 1868 году он преподавал физику во 2-й женской гимназии и читал лекции по физике на женских Лубянских курсах.

Первая научная работа Н. А. Умова была напечатана в «Математическом сборнике» 21 марта 1870 года. Работа носила заглавие «Законы колебаний в неограниченной среде постоянной упругости».

В этой работе сразу же обнаружились «когти льва». Проблема колебаний в неограниченной среде поставлена была во всей своей широте и разобрана с большим изяществом и глубиной. Результаты работы не устарели и по сие время. Эта работа своим идейным содержанием и приемами исследования должна и может еще оказать влияние на развитие науки. В настоящее время одной из существенных проблем молекулярной физики является построение теории тепловых явлений в твердых и, в особенности, жидких телах. Все более и более укрепляется в науке тот взгляд на природу теплоты, по которому тепло рассматривается как ультраакустические колебания, беспорядочно распространяющиеся в жидком или твердом теле.

Для укрепления и развития этих идей цитируемая работа Н. А. Умова принесет несомненную пользу. Несмотря на свою сорокалетнюю давность, мысли, развиваемые в ней, так свежи и существенны, что ей, безусловно суждено выйти из прошлого и стать в рядах современных работ, трактующих о природе тепла.

Большой знаток бессмертных трудов французского геометра Ламе, с которыми Умов познакомился, еще будучи студентом, он с большим мастерством использовал метод криволинейных координат Ламе при рассмотрении колебательных процессов в неограниченной среде постоянной упругости. Отнеся среду к такой системе криволинейных координат, в которой волновая поверхность представляет одно из семейств координатных поверхностей, и, приняв за параметр этого семейства отрезок луча, Н. А. Умов доказывает, что соответственный дифференциальный параметр первого порядка будет равен единице. Такой выбор координат позволил ему разделить задачи о поперечных и продольных колебаниях в неограниченной среде. Таким способом ему удалось получить ряд интересных заключений. Оказывается, в изотропной среде постоянной упругости все волновые поверхности разделяются на три группы — согласно возможности иметь прямолинейную поляризацию по направлениям линий кривизны. К первой группе относятся сфера и круглый цилиндр; здесь возможна поляризация по каждой из двух линий кривизны. Ко второй группе относятся волновые поверхности, допускающие поляризацию по одной из двух линий кривизны. Сюда относятся все поверхности вращения, в которых поляризация может иметь место только по меридиональной плоскости, но не в плоскости, к ней перпендикулярной. К третьей группе относятся все остальные поверхности, которые не могут иметь прямолинейной поляризации ни по одной из линий кривизны.

В задаче о продольных колебаниях метод Н. А. Умова привел его к тем же результатам, к которым ранее пришел Пуассон иным путем.

Полученные выводы относительно поперечных колебаний в неограниченной среде Н. А. распространяет на оптические явления. Принимая во внимание некоторые дополнительные предположения относительно свойств среды, которая является носителем световых колебаний (идеальная упругость, малая плотность и т. д.), Н. А. Умов получает уравнения оптики. Следует отметить, что найденные уточнения совпадают с тем результатом, который получил Буссинеск. В этом Н. А. убеждается путем преобразования к криволинейным координатам дифференциальных уравнений Буссинеска, полученных им в его работе «Новая теория световых волн» (1868 г.).

В следующем 1871 году Н. А. Умов представил новую работу в качестве диссертации на соискание ученой степени магистра физико-математических наук. Эта работа была посвящена также актуальной проблеме, касающейся термомеханических явлений в твердых упругих телах.

Публичная защита диссертации прошла весьма успешно. Она состоялась в Московском университете в 1872 году под председательством тогдашнего декана физико-математического факультета известного математика А. Ю. Давыдова. В своем резюме А. Ю. Давыдов с большой похвалой отозвался о новой работе молодого ученого, который к этому времени получил приглашение занять кафедру математической физики в Одессе.

Профессор Шведов, бывший в то время профессором экспериментальной физики в Одесском университете, на запрос своего факультета высказался в следующих выражениях об Н. А. Умове как ученом и о его диссертации, посвященной термомеханическим явлениям в твердых упругих телах:

«...Преподаватель такой новой и неустановившейся науки, как математическая физика, должен критически относиться к ее вопросам, большей частью окончательно не решенным; вот почему я просил факультет отложить баллотировку до тех пор, пока г. Умов не даст мне возможности судить, в какой мере он способен обращаться с сырым материалом науки.

В настоящее время г. Умов решил мои сомнения самым удовлетворительным образом и притом в свою пользу, прислав мне подробное содержание своего нового труда, магистерской диссертации, представленной в факультет Московского университета и одобренной последним. Цель этого сочинения — связать теорию упругости с механической теорией тепла. Не ограничиваясь исследованием частных случаев одинаковой температуры и одинаковых нормальных давлений и натяжений во всем теле, чем уже занимались Томсон, Клаузиус и Цейнер, г. Умов взглянул на вопрос с возможно общей точки зрения: когда температура неравномерно распространена во всем теле, и последнее испытывает различные давления и натяжения в разных частях.В этом случае вопрос особенно усложняется, так как вследствие теплотворности температура различных точек тела изменяется вместе со временем, и г. Умову пришлось бы иметь дело разом с двумя теориями — упругости и теплопроводности, основанными на различных принципах, если бы он не пришел к счастливой мысли связать эти теории одним общим примером. Для этого ему послужил известный принцип сохранения энергии. Как критерий основательности и общности исследований г. Умова может служить то обстоятельство, что из его уравнений вытекают как частные случаи: 2-й закон механической теории теплоты, уравнение равновесия твердых упругих тел и уравнение теплопроводности. Основываясь на таких достоинствах этого труда, я пришел к убеждению, что факультет наш в лице Умова может приобрести не только преподавателя, способного передать результаты, добытые другими, но и специалиста, способного двигать науку вперед».

Магистерская диссертация Н. А. Умова интересна не только с точки зрения чисто теоретического исследования, но она имеет очень существенное значение и для целей практики. Научиться рассчитывать упругие напряжения, возникающие вследствие неоднородного поля температур в теле, — является нерешенной, но практически чрезвычайно существенной задачей сегодняшнего дня.

Различные попытки, существующие в настоящее время, в основном базируются на уравнениях Дюамеля и имеют частный характер. Постановка задачи, сделанная Н. А. Умовым, нам кажется, интереснее и общее, поэтому она может дать новые ценные результаты для теории и для практики, если только найдет последователя, способного приблизить основные идеи этой замечательной работы к потребностям и условиям настоящего времени.

Н. А. Умов принимает, что взаимодействие между материальными частицами твердого упругого тела может слагаться из двух частей: одна из них не зависит от термического состояния частиц, а другая зависит от этого состояния. Первое взаимодействие представляет из себя механическую силу, действующую по линиям, соединяющим материально частицы, и зависит только от взаимного их расстояния.

Второе взаимодействие определятся термическим состоянием частиц. Это состояние может выразиться в двух явлениях:

1) Термическое состояние частиц вызывает механические действия, которые зависят от расстояния между частицами и их температурами.

2) Термическое состояние вызывает обмен тепла между частицами твердого упругого тела, который тоже совершается по линиям, соединяющим материальные частицы, и зависит от расстояния между ними и от их температур.

Развивая эти идеи дальше, Н. А. Умов приходит к уравнениям, которые так высоко оценил проф. Шведов и которые могут быть использованы при решении многих задач по термоупругости.

В 1872 году, в VI томе «Математического сборника», Умов напечатал новое исследование под заглавием «Теория взаимодействия на расстояниях конечных и ее приложение к выводу электрических и электродинамических законов», а в следующем году развивает результаты предшествующего исследования и в том же «Математическом сборнике» печатает статью «Теория простых сред». Эти две статьи послужили основой для докторской диссертации Н. А. Умова, которую он защищал в Московском университете в 1874 году.

Докторская диссертация Умова «Уравнение движения энергии в телах» вызвала большие споры и резкую критику со стороны официальных оппонентов проф. А. Г. Столетова и проф. Ф. А. Слудского. Неофициальный оппонент проф. В. Я. Цингер тоже выступал в решительных тонах против идей Н. А. Умова. Диспут продолжался шесть часов и на всю жизнь оставил у Н. А. неприятное воспоминание. История повторилась. Свежие, необычные взгляды не могли проложить себе путь в жизнь без боя, без того, чтобы их автор не пережил неприятной встречи с косной, консервативной мыслью.

В своей диссертации Н. А. Умов проповедовал, что потенциальная энергия не может образоваться в одной простой среде; необходимы, по крайней мере, две среды, из которых вторая, не поддающаяся непосредственному наблюдению (скрытая среда), принимает на себя часть кинетической энергии и тем самым определяет наши предположения о существовании потенциальной энергии.

«Потенциальная энергия — говорит Умов — есть не что иное, как живая сила движений некоторых сред, неощутимых для нас».

С этой точки зрения Н. А. формулирует следующим образом закон сохранения энергии:

а) «Всякое изменение в величине живой силы обусловливается ее переходом с частиц одной среды на частицы других сред, или же с одних форм движений на другие»;

б) «Определенное количество живой силы остается себе равным при всякой смене явлений»;

в) «Количество живых сил природы неизменно».

Исходя из этой концепции, Н. А. Умов, путем некоторых простых допущений о движении частиц скрытых сред, показывает, как можно придать количественное выражение основным законам взаимодействия электрических зарядов, магнитных полюсов, электрических токов и т. д.

Кинетическая энергия всегда связана с движущейся частицей и находится там, где находится частица. Отсюда возникло понятие о движении энергии.

Умов первый из ученых утвердил это понятие и широко его пропагандировал. Он не придерживается того взгляда, что любой вид энергии можно свести к кинетической. Но он настойчив в том отношении, что для любого вида энергии считает возможным ввести понятие о плотности энергии и скорости ее движения.

Он составляет дифференциальные уравнения движения энергии в твердых телах постоянной упругости и в жидких телах. Интеграция этих уравнений в различных случаях приводит его к выводам большой принципиальной важности.

Применяя свои взгляды к распространению волн в упругой среде, Н. А. Умов приходит к утверждению, что энергия целиком переносится волной от одной точки к другой, и выдвигает следующую простую теорему: «Количество энергии, проходящее через элемент поверхности тела в единицу времени, равно силе давления или натяжения, действующей на этот элемент, умноженной на скорость движения элемента». Нетрудно видеть, что эта теорема по сути дела ничем не отличается от теоремы Максвелла о световом давлении.

В 1881 году голландский ученый Grinwis показал, что этот «закон Умова» (он его так называет) можно с успехом применять к толкованию явления соударения упругих тел.

Идеи Н. А. Умова, развитые им в его докторской диссертации, к сожалению, мало известные в русской научной литературе, оказали серьезнейшее влияние на укрепление представлений об энергии, как о субстанции, движение которой можно определить однозначно и точно. Позднее, в 1884 году, идеи Умова воспринял и развил английский физик Пойнтинг в применении к электромагнитному полю. Н. А. Умова, по справедливости, следует считать предшественником Пойнтинга. Об этом совершенно четко свидетельствует немецкий исследователь Auerbach в «Geschichttafelnder Physik» (82 стр.).

Начиная с 1886 года направление научной деятельности Н. А. Умова приобретает иную окраску. Помимо теоретических исследований он начинает усиленно интересоваться экспериментальной физикой, и этот интерес не пропал у него до самой кончины.

Наиболее крупные экспериментальные произведения Умова относятся к явлениям растворимости солей, к явлениям диффузии водных растворов и, наконец, к оптике мутных сред. Диффузией водных растворов Н. А. занимается длительное время —около 3 лет (с 1888 по 1891 год). Здесь им достигнуты значительные результаты.

В своих исследованиях по диффузии водных растворов Умов приводит весьма серьезные возражения против так называемого закона Фика. По Фику, поток диффундирующего вещества пропорционален градиенту концентрации этого вещества, причем фактор пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии, считается физической постоянной. Н. А. Умов показывает, что в случае диффузии водного раствора поваренной соли, других солей и кислот следует усомниться в правильности положения Фика. О применимости закона Фика можно говорить лишь при условии полной изотермичности среды и для очень слабых растворов. Соображения Умова впоследствии подтвердились.

Попутно он разработал ряд остроумных приборов для наблюдения явлений гидродиффузии — «сифонный диффузиометр», «диффузионный крючок» и «диффузионный ареометр».

Самой крупной экспериментальной работой Умова следует считать работу, посвященную явлениям оптической поляризации в мутных средах. Этими явлениями Н. Ä. занимался с особой любовью даже в последние дни своей жизни.

Еще в 1852 году Провостэ и Дессэн заметили, что матовые или шероховатые поверхности белого цвета деполяризуют свет. Обратное явление наблюдается на матовых черных, т. е. поглощающих поверхностях. При отражении от этих поверхностей не только не уничтожается поляризация света, но даже свет неполяризованный оказывается поляризованным в известных направлениях отражения. Этими двумя, крайними в цветном отношении случаями не исчерпывается явление. Теперь установлено правило: «Если на окрашенную матовую поверхность пустить лучи различного цвета, то в тех цветах, которые диффузно отражаются без поглощения, имеет место деполяризация света; наоборот, те лучи, которые частично поглощаются данным веществом, при известных условиях поляризуются им». Например, красное сукно деполяризует красные лучи и поляризует зеленые.

Вот именно это явление Умов положил в основу своего метода спектрального анализа матовых поверхностей. Устроенный им прибор для этих целей представляет спектроскоп с горизонтальной осью; на столике этого спектроскопа помещают исследуемое вещество. Лучи, идущие от щели коллиматора, отражаются диффузно от исследуемой поверхности; часть этих лучей попадает в трубу, которая снабжена пластинкой Савара, николем и призмой, дающей спектр.

Если отражающая поверхность поляризует свет, то в трубе будет наблюдаться спектр с долевыми темными линиями, которые получаются благодаря интерференционному действию пластинки Савара. Если при отражении от исследуемой поверхности свет не претерпевает поляризации, то указанные темные линии пропадают.

Если с помощью такого прибора вести наблюдение окрашенных поверхностей, которые имеют спектр поглощения, то картина будет следующей: в тех местах спектра, где не имело места поглощение, где, следовательно, не было поляризации света, будет наблюдаться сужение или даже полное уничтожение полос Савара; напротив, в тех местах, где имелось поглощение, будет наблюдаться усиление и уширение этих полос. Таким образом спектр отраженных от исследуемой поверхности лучей представится в виде пятен или «четок», нанизанных на линиях Савара. Эта картина получается от двух причин сразу: от поляризации диффузно отраженного света и от ослабления его вследствие поглощения в данном веществе.

Картина, видимая в спектроскоп Н. А. Умова, характерна для каждого исследуемого вещества, как это показано им на многочисленных образцах, приводимых в его работе.

В 1910 году в немецком журнале «Physikalische Zeitschrift» появилась первая работа Н. А. Умова, посвященная теории относительности, созданной А. Эйнштейном в 1905 году. Эта работа носила следующее заглавие в русском переводе: «Единообразный вывод преобразований, совместных с принципом относительности». Спустя два года появилась новая его работа по тому же вопросу. Эта работа напечатана была по-немецки и по-русски под заглавием «Условия инвариантности волнового уравнения».

По свидетельству знаменитого русского ученого Н. Е. Жуковского, эти работы Н. А. Умова являются лучшим математическим толкованием принципа относительности. «Подобно тому, как неэвклидовская геометрия и геометрия многих измерений опираются на инвариантность обобщенного представления об элементе дуги, принцип относительности, по Умову, имеет свое математическое содержание в инвариантности волнового уравнения распространения света» (Н. Е. Жуковский).

Для решения поставленной задачи Умов преобразует волновое уравнение для пространства четырех измерений, вводя вместо координаты времени мнимое переменное ζ = cti, где с — скорость света; затем требует, чтобы это уравнение оставалось инвариантным при переходе от координат х, у, z, τ к координатам х', у', z', τ'. Оказывается, этого можно достичь только тогда, когда вторые дифференциальные параметры функций х', у', z' и τ', выраженных через переменные х, у, τ и будут равны нулю.

В случае, когда х, у, τ суть параметры Декартовой системы координат, а z = z' = 0, то инвариантность волнового уравнения требует, чтобы х', у', τ' были параметрами изотермической системы криволинейных триортогоналыных координат.

В частном случае можно считать х', у', τ' параметрами Декартовой системы координат, повернутой около оси у-ов на мнимый угол φi. Положив далее tgφ=v/c Н. А. Умов приходит в конечном счете к формулам преобразования Лорентц — Эйнштейна.

Упомянутые две работы Н. А. Умова по теории относительности плюс его работа «О возможном смысле теории квант» явились лебединой песнью крупного ученого и мыслителя. После выхода в свет этих работ Н. А. не смог написать больше ни одной научной работы; болезнь, а затем смерть быстро скосили крепкого физически, с большим разумом и совестью человека.

Замечательная особенность большинства научных работ Н. А. Умова состоит в том, что на них лежит отпечаток философски настроенного ума, которому тесно жить в рамках узкого научного вопроса; это ум, ищущий и беспокойный, всегда стремящийся проникнуть в самые глубокие тайны природы. Ему необходимо проникнуть туда, он не может жить, не решая проблем науки и жизни. Н. А. Умов не только замечательный ученый; он не только всем сердцем и душой был предан науке, но в нем горел огонь человека и глубокого мыслителя.

Н. А. Умов написал много статей философского характера, в общей сложности более трех десятков, но самые замечательные из них — это «Эволюция живого изадача пролетариата мысли и воли», затем «Характерные черты и задачи современной естественнонаучной мысли» и, наконец, «Роль человека в познаваемом мире». В этих статьях с особой четкостью выступает мировоззрение Умова, которое А. И. Бачинский охарактеризовал как натуралистический гуманизм.

В своей автобиографии Н. А. очерчивает это мировоззрение в следующих выражениях: «В своих статьях он (Н. А. У.) обращал внимание на борьбу с предрассудками, незамечаемыми людьми и связанными с представлением о неизменности природной обстановки, в которой живет человечество. Проводя принцип эволюции, Н. А. развивает мысль, что естественные предложения природы становятся все более и более недостаточными для жизни человечества, которое должно создавать среди старой новую природу, соответствующую его изменяющимся потребностям. Действие эволюции в человечестве должно выражаться в нарушении его единства, в увеличении различий между классами индивидов. Законы природы остаются неизменными, но наука дает человеку власть изменять естественное течение явлений, т. е. законы процессов, происходящих в природе.

Признавая во всех явлениях жизни только действие естественных законов и указывая на ничтожную долю, занимаемую во вселенной материей, а тем более живым миром, Н. А. причисляет появление его к осуществлению событий, имеющих ничтожно малую вероятность, почему и призывает людей к заботе об охране жизни. Факт превосходства могущества науки в области нужд человеческих над могуществом предполагаемых внеестественных сил и невозможность вне науки найти силу, которая соединяла бы атрибуты могущества и возможность общения с человеком, приводит к мысли о несовместимости двух атрибутов внеестественных сил — всемогущества и общения с человеком. Н. А. намечает элементы гражданской обрядности, которая осуществила бы общение людей в целях служения идеалам человечества».

Таким образом, центром интересов философской системы Н. А. Умова является человек, который непрестанно может создавать культурные ценности — научные, этические иэстетические. Именно ценности этих трех категорий, по его мнению, могут повышать культуру человека.

Составлено А.А.Соловьевым, Д.А. Соловьевым на основе воспоминаний декана декан физического факультета (1937–1946) Член-корр. АН СССР проф. А. С. Предводителева.

Литература

1. Предводителев А.С.Автобиографические записки

2. Соловьёв А.А., Базаров И.П. А.С.Предводителев. — М., 1985; А.С

3. Д.Д. Гуло. Н.А. Умов. Пособие для учащихся. М. «Просвещение». 1977

4. Бачинский А.И. Характеристика Н.А. Умова как ученого, как мыслителя и как человека. — 1916

5. Шпольский Э.В. Николай Алексеевич Умов / УФН, т. XXXI, вып.1, 1947

6. Щербаков Р.Н. Первейший русский физик-философ (К 175-летию со дня рождения) / Сайт УФН

7. Умов Николай Алексеевич (1846–1915), http://www.rulex.ru/01200026.htm