тимирязев что такое физика и чему она учит
Климент Аркадьевич Тимирязев и его вклад в науку
Фотосинтез — уникальный процесс, значение которого для жизни на Земле огромно. Это настоящее природное чудо. В процессе фотосинтеза в листьях растений из двух неорганических веществ — углекислого газа и воды — возникают углеводы (крахмал, сахар и другие), жирные кислоты (из них уже синтезируются жиры) и аминокислоты (из них строятся белки) и чистый кислород. Поэтому можно сказать, что именно фотосинтез поддерживает жизнь на нашей планете, создавая самые важные органические вещества, необходимые человеку и животным.
Ученые стали немного понимать этот процесс лишь с конца XVIII века, само же слово «фотосинтез» появилось в 1877 году, а немного раньше было установлено, какие вещества участвуют в реакциях фотосинтеза и образуются в зеленых растениях. Однако лишь в наше время о фотосинтезе стало известно почти все, а над разгадкой этого «почти» до сих пор бьются десятки исследователей во всем мире.
В начале XIX века ученые имели несколько смутное представление о том, какие процессы происходят в растениях. Сначала стало известно, что растения выделяют кислород, потом выяснилось, что кислород выделяется, только если они находятся на свету. Чуть позже было установлено, что в растениях образуются органические вещества, а отвечает за этот процесс особый пигмент, содержащийся в зеленых листьях, — хлорофилл.
А какую же роль в изучении фотосинтеза сыграл русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев? Одну из самых главных — он установил, что именно зеленый пигмент хлорофилл является главным звеном в процессе фотосинтеза. Он же доказал, что скорость и эффективность процесса фотосинтеза различны при освещении растений светом разного спектрального состава (в красных и синих лучах все реакции идут наиболее быстро и эффективно, а в желтых фотосинтез идет гораздо хуже) и что в растениях происходит реакция разложения углекислого газа именно под действием света.
Может показаться, будто Тимирязев сделал не так уж и много — доказал те вещи, о которых уже догадывались до него. Но на самом деле именно благодаря ученому догадки стали научными фактами.
Тимирязев первым изучил самые важные свойства хлорофилла, его состав и взаимодействие со световыми лучами, установил, как с помощью хлорофилла происходят реакции деления углекислоты на углерод и кислород.
Как в общем случае протекает реакция фотосинтеза? Из названия явствует («фото» с греческого «свет», а «синтез» — «совмещение»), что только под действием света. Если говорить о локализации процессов фото синтеза, то они происходят в особых органеллах растительной клетки — хлоропластах, где сосредоточен весь хлорофилл. В хлоропласты поступают углекислый газ и вода, распадающиеся на составные части (водород, углерод, кислород), из которых и синтезируются органические вещества. Все они имеют огромное значение для всего живого на нашей планете, так как являются первичными во всех пищевых цепочках.
Исчезни вдруг растения на Земле — исчезнут животные и люди, ведь им неоткуда будет брать жиры, углеводы и белки, служащие строительным материалом любого организма!
На эту важнейшую роль фотосинтеза и, соответственно, растений указал Тимирязев.
Климент Тимирязев был не только ученым-теоретиком, но и прекрасным практиком, причем весьма разносторонним. Ученый, работавший во многих областях ботаники, старался применить результаты своих работ на деле, создавал уникальные по тем временам установки и приборы, обладающие высокой чувствительностью и точностью. С их помощью Тимирязевым и были установлены многие факты о фотосинтезе.
Всю свою жизнь Климент Аркадьевич занимался проблемой фотосинтеза, предлагал новые гипотезы, экспериментально подтверждал теории. Его наработки в этой области активно использовали исследователи, работавшие много позже. Всемирная слава пришла к ученому при жизни, а результаты его трудов составляют базу современных знаний об удивительном процессе фотосинтеза.
Работы Тимирязева служили для дальнейших открытий в области фотосинтеза. Так, с помощью углекислого газа с мечеными атомами углерода американскому биохимику Мелвину Кальвину удалось выяснить химию усвоения углекислого газа, так называемый цикл Кальвина. Это, в свою очередь, послужило толчком для дальнейшего развития сельского хозяйства: изменение условий среды позволяет регулировать соотношение продуктов фотосинтеза и создавать условия для оптимального развития растений.
Краткая биография
Климент Аркадьевич Тимирязев родился 25 мая (3 июня) 1843 года в Санкт-Петербурге. Отец был потомственным дворянином, служил начальником Санкт-Петербургского таможенного округа.
Тимирязев получил отличное домашнее образование и в 1860 году стал студентом-юристом Санкт-Петербургского университета. Почти сразу перевелся на естественное отделение физико- математического факультета. В 1861-м был отчислен из-за участия в студенческом движении. Через год допущен к обучению в качестве вольнослушателя.
В 1866 году окончил университет, получил степень кандидата. В 1868-м началась научная карьера Тимирязева: он опубликовал свою первую работу по изучению фотосинтеза и отправился за границу, где работал в лабораториях крупных физиков, химиков, ботаников.
В 1871 году защитил магистерскую диссертацию, устроился работать в Петровскую сельскохозяйственную академию близ Москвы. В 1875-м стал доктором ботаники, с 1877-го читал лекции в Императорском Московском университете.
Работал над проблемами фотосинтеза, активно применял научные достижения на практике. Стал членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук, был членом многих зарубежных научных обществ и учебных заведений.
В 1911 году по политическим причинам ушел из университета. Тимирязев приветствовал Октябрьскую революцию, так как был убежденным республиканцем.
Умер Климент Тимирязев 28 апреля 1920 года в Москве.
Великий русский учёный Тимирязев: «Я исповедую три добродетели: веру, надежду и любовь»
Происхождение и образование
Климент Тимирязев родился 22 мая (3 июня) 1843 года в российской столице – Петербурге. Он принадлежал к одному из старинных российских дворянских родов, его предки вышли из Золотой Орды и служили московским правителям. Отец Климента Аркадий Семёнович служил в таможне, был сенатором и тайным советником. Он воевал с французами в 1812—1814 гг., был известен честностью и свободой мысли, поэтому богатств не скопил. Мать Аделаида Климентьевна была из древнего французского дворянского рода баронов де Боде, которые перебрались из Эльзаса в Россию во время Великой Французской революции. Также в роде Боде была изрядная доля английских и шотландских корней.
Поэтому сам Тимирязев отмечал: «Я — русский, хотя к моей русской крови примешана значительная доля английской». Таким образом, род Тимирязева принадлежал к аристократии. Он в совершенстве владел немецким, французским и английским языками.
Семья Тимирязевых была большая и дружная. Все дети получили от матери хорошее домашнее образование. Климент не только овладел иностранными языками, но и занимался музыкой, изобразительным искусством, был увлечён пейзажной фотографией. Его работы даже выставлялись. Его братья также стали видными людьми и оказали влияние на Климента: Василий (известный литератор), Николай и особенно Дмитрий (статистик и химик), приобщивший брата к органической химии.
Несмотря на высокое происхождение, жизнь Тимирязева не была лёгкой. Отец был честным служакой и капитала не нажил. Когда Аркадий Семёнович был уволен со службы, семья осталась без дохода. Климент начал работать ещё юношей. Он вспоминал, как утешал себя мыслью, что не сидит на горбу у тружеников, как купеческие сынки.
В 1860 году Климент поступил в Петербургский университет на юридический факультет, затем перешёл на естественное отделение физико-математического факультета. Посещал лекции ведущих учёных: химика Менделеева, ботаников Бекетова и Фаминцына, физиолога Сеченова, историка Костомарова. Окончил курс в 1866 году со степенью кандидата, то есть с отличием. Правда, едва не был отчислен за вольнодумство. Тимирязев изучал труды Маркса, стал его единомышленником. У него сложилось убеждение «долга перед обществом» и «ненависти ко всякой, особенно общественной неправде». В результате молодой человек принял участие в студенческих волнениях и затем отказался сотрудничать с полицией. Обучение смог продолжить только как вольный слушатель.
Разгадка фотосинтеза
Ещё в университете Тимирязев отметился как талантливый экспериментатор. Молодой учёный считал, что все теории необходимо проверять на практике. Поэтому он сам конструировал новые приборы, которые использовали и после него. После университета был заведующим опытной агрохимической станцией в Симбирской губернии. Талантливого учёного заметили в Министерстве народного образования и отправили на стажировку за границу для подготовке к профессуре. Два года Климент слушал лекции видных западных учёных и работал в ведущих лабораториях Франции и Германии.
После возвращения в Россию Тимирязев защитил магистерскую диссертацию и был назначен профессором Петровской сельскохозяйственной и лесной академии в Подмосковье. В 1877 году учёного пригласили в Московский университет. В этих учебных заведениях Тимирязев проработал свыше 30 лет и сделал свои основные открытия.
Один из учеников академии, известный позднее публицист и писатель Владимир Короленко отмечал:
Главные исследования русского учёного касались процесса фотосинтеза. Ранее было известно, что на свету растения преобразуют углекислый газ и воду в органические вещества. Но учёные не знали, как это происходит. Климент Аркадьевич направлял на растения свет, который пропускал через цветные жидкости. И обнаружил, что красные и синие лучи усваиваются лучше жёлтых, и от этого зависит скорость разложения углекислоты. Именно Тимирязев осознал, что свет поглощается благодаря зёрнам хлорофилла, которые придают растениям зелёный цвет. Он первым сообщил, что хлорофилл не только физически, но и химически участвует в фотосинтезе. Своими исследованиями русский учёный доказал, что закон сохранения энергии полностью распространяется и на процесс фотосинтеза. Хотя в то время этот факт не был признан большинством исследователей.
Также русский учёный открыл явление светового насыщения. Ранее считалось, что основная характеристика света – яркость. Тимирязев опроверг это. Он выяснил, что с увеличением яркости растения действительно поглощают всё больше углекислоты, но до определённого предела. После него повышать яркости бессмысленно, а бывает и вредно, так как из-за сильного света испаряется влага. В результате Климент Аркадьевич сделал вывод о «космической роли растений». Именно такую лекцию он прочитал в Лондонском королевском обществе в 1903 году.
Тимирязев отмечал: «Растение — посредник между небом и землею. Оно — истинный Прометей, похитивший огонь с неба». Растения используют для питания солнечную энергию, создают первичное органическое вещество, которым питаются животные. Растения поддерживают химический состав атмосферы, то есть дают жизнь всем организмам.
«Только осуществляя свои лучшие мечты, человечество продвигается вперёд»
Климент Аркадьевич был одним из активных сторонников эволюционной теории Дарвина. Ещё студентом он одним из первых в России перевёл знаменитую книгу Дарвина «О происхождении видов путем естественного отбора». Также он писал для журнала «Отечественные записки» серию статей о книге Дарвина и её критику. Затем опубликовал книгу «Краткий очерк теории Дарвина». Фактически благодаря Тимирязеву русское общество познакомилось с теорией Дарвина. Открытие Дарвина русский учёный считал крупнейшим открытием XIX столетия. Он был активным дарвинистом, защищал теорию от критики и искажений.
Русский учёный был не только теоретиком, но и практиком. Он мечтал, чтобы его открытия пригодились в народном хозяйстве. Наука должна была сделать земледелие более производительным. Сразу после окончания университете он на агрохимической станции руководил работами по изучению влияния минеральных удобрений на урожайность растений. В 1870-е годы во время работы в Петровской академии Тимирязев соорудил «вегетационный домик» — это была первая в России и третья в мире научная теплица. На Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде в 1896 году он повторил этот опыт.
Климент Аркадьевич активно работал над распространением знаний. Учёный написал боле 100 научно-популярных работ, где описывал воздействие света на растения и методы повышения урожайности, рассказывал о естествознании и открытиях крупнейших учёных. Тимирязев отмечал, что самого начала поставил перед собой две основные цели: науку и писать для народа. Для этого же русский учёный проводил публичные лекции, пользовавшиеся огромной популярностью среди молодежи. Сам Климент Тимирязев считал, что именно молодое поколение поведёт народ по пути прогресса:
Стремление к свету и высшей правде
Несмотря на всемирное признание и популярность, власти недолюбливали вольнодумца. В 1911 году Климент Аркадьевич, несмотря на тяжелую болезнь (после кровоизлияния в мозг в 1909 году у Тимирязева остались парализованными левая рука и нога), вместе с другими профессорами и преподавателями покинул Московский университет. Протест преподавателей был связан с делом Кассо. В январе 1911 года вышел циркуляр министра просвещения Л. А. Кассо «О временном недопущении публичных и частных студенческих заведений». Документ запрещал проведение собраний в университетах, ректоры должны были следить за проникновением посторонних лиц в высшие учебные заведения. В целом циркуляр нарушал автономию университетов.
В политическом отношении русский учёный стремился к сближению науки и политики. Выступил как патриот и славянофил, за войну России против Турции, что должно было привести к свободе славян. Надеялся на сближение народов России и Англии, которые должны были противостоять агрессии Германии. Первоначально высказывался в пользу Антанты и выступление России в защиту сербов. Однако быстро разочаровался в мировой бойне и стал работать в антивоенном журнале М. Горького – «Летопись». Тимирязев возглавил отдел науки и привёл к участию в журнале многих видных учёных, писателей и поэтов.
После Февральской революции социалисты-революционеры продвигали кандидатуру Климента Аркадьевича на пост министра просвещения в будущем социалистическом правительстве. Однако, наблюдая разрушительную политику Временного правительства в крестьянском и аграрном вопросе, русский учёный стал поддерживать идеи большевиков. Тимирязев активно поддержал Апрельские тезисы Ленина (о перерастании буржуазно-демократической революции в социалистическую) и Великую Октябрьскую революцию. Поддерживал «изумительные, самоотверженные успехи» Красной Армии, которая спасла Россию от гибели, призывал сомкнуться в армию труда, так как счастье и процветание народа созидаются только производительным трудом.
Социалистическая революция вернула Тимирязева в Московский университет. Правда, проработал он недолго. 28 апреля 1920 года великий учёный умер от простуды. По случаю 70-летнего юбилея Тимирязева 22 мая 1913 года другой великий русский учёный, Иван Павлов, дал полную характеристику своему коллеге:
Физик-марксист А.К. Тимирязев
19 октября 2005 г. исполнилось 125 лет со дня рождения Аркадия Климентьевича Тимирязева. Краткие биографические сведения о нем можно найти в учебнике «Курс истории физики» известного советского историка физики П.С.Кудрявцева:
Среди московских физиков в первые годы после Октября ведущую роль играл Аркадий Климентьевич Тимирязев.
А.К. Тимирязев родился 19 октября 1880 г. в Москве. Он был сыном выдающегося русского ботаника Климента Аркадьевича Тимирязева.
В своих исследованиях по физиологии растений К.А. Тимирязев широко применял методы и выводы физики и высоко ценил эту науку. Он хотел, чтобы его единственный сын стал физиком. Друзьями К.А. Тимирязева были ведущие физики Московского университета А.Г. Столетов и П. Н. Лебедев. Будущий физик уже с гимназических времен испытал благотворное влияние этих ученых. После окончания гимназии он поступил на математическое отделение Московского университета, где избрал своей специальностью физику, и начал работать у П. Н. Лебедева. Другим учителем А.К. Тимирязева был ученик Столетова Николай Петрович Кастерин (1869-1947). Из зарубежных физиков наибольшее влияние на Тимирязева оказал Д.Д.Томсон, с которым его познакомил отец в 1909 г. во время поездки в Кембридж на юбилей Дарвина.
Мировоззрение А. К. Тимирязева складывалось под глубоким влиянием отца, которого он любил и перед которым преклонялся. Огромное влияние оказали на него и его учителя
А.К. Тимирязев был убежденным материалистом типа Д.Д.Томсона и Л.Больцмана, которого он также высоко ценил и основательно изучал.
Научная деятельность А. К. Тимирязева началась в области кинетической теории газов, которая была главным предметом его преподавания в течение многих лет. Его книга «Кинетическая теория материи», составленная из лекций, читаемых в Московском университете в 1917-1918 гг., первое издание которой вышло в 1923 г., была первым советским учебником по этому предмету. Она ярко характеризует мировоззрение и научные симпатии автора.
Предметом исследования Тимирязева были явления в разреженных газах: внутреннее трение и температурный скачок. Тимирязев исследовал связь между коэффициентом скольжения и температурным скачком теоретически, пользуясь теорией Максвелла, и экспериментально в области давления от 760 до 0,001 мм рт. ст. Он установил в соответствии с исследованиями Кундта и Варбурга, что при больших разрежениях появляется скольжение, пропорциональное длине свободного пробега и, следовательно, обратно пропорциональное давлению:
Величина а0 связана с температурным скачком простым соотношением:
Опыты с воздухом и углекислотой подтвердили эти расчеты. Исследование Тимирязева было опубликовано на немецком языке в 1913 г. и в 1914 г. было представлено в Петербургский университет в качестве магистерской диссертации. Оппоненты О. Д. Хвольсон и Н. А. Булгаков дали работе высокую оценку, и Тимирязев получил ученую степень магистра.
После Октября он и его отец безоговорочно приняли сторону Советской власти, что вызвало к ним враждебное отношение значительной части профессуры. А. К. Тимирязев активно включился в работу по перестройке высшей школы на новых, социалистических началах. Он был одним из организаторов и первых преподавателей рабочих факультетов, членом нового правления университета, членом Государственного ученого совета Наркомпроса. В 1921 г. он был принят в партию решением ЦК без кандидатского стажа. С 1922 г. он возглавлял физическую предметную комиссию физико-математического факультета.
Но мы сегодня вспоминаем А.К.Тимирязева не потому, что он, как и его отец, безоговорочно принял сторону Советской власти, что он активно включился в работу по перестройке высшей школы. Мы обращаемся к фигуре А.К.Тимирязева потому, что он был один из крайне малочисленных физиков-марксистов, тех физиков, которые знали марксизм и стремились применять его в физике, боролись за материализм в физике, против идеализма, позитивизма и прочих враждебных марксизму течений.
Но автор обращается к его имени, главным образом, не только потому, что желает восстановить историческую справедливость, доброе имя профессора-коммуниста. Дело в том, что, по глубокому убеждению автора, без изучения работ и деятельности А.К.Тимирязева (а также многих других физиков, работавших в первой трети ХХ века),
невозможно объективно оценить развитие теоретической физики в ХХ в., ее современное состояние, а также определить перспективные направления ее дальнейшего развития.
Объективную оценку деятельности и работ А.К.Тимирязева можно дать только в том случае, если исходить из объективной оценки состояния физики (и естествознания в целом) в ту эпоху, в которую он жил и творил. Разумеется, объективной может быть только марксистская оценка. Чтобы дать такую оценку, необходимо написать не одну статью. В настоящей статье автор намерен дать введение в проблему.
Фридрих Энгельс писал во второй половине 1870-х гг. в «Старом предисловии к «Анти-Дюрингу»»: «Эмпирическое естествознание накопило такую необъятную массу положительного материала, что в каждой отдельной области исследования стала прямо-таки неустранимой необходимость упорядочить этот материал систематически и сообразно его внутренней связи. Точно так же становится неустранимой задача приведения в правильную связь между собой отдельных областей знания. Но, занявшись этим, естествознание вступает в теоретическую область, а здесь эмпирические методы оказываются бессильными, здесь может оказать помощь только теоретическое мышление. Но теоретическое мышление является прирожденным свойством только в виде способности. Эта способность должна быть развита, усовершенствована, а для этого не существует до сих пор никакого иного средства, кроме изучения всей предшествующей философии» (Ф. Энгельс, т.1, с.366).
Что из этого всего следовало, особенно, если учесть, что Энгельс употребил слова «абсолютная необходимость»? Только одно: дальнейший прогресс теоретического естествознания невозможен без сознательного применения естествоиспытателями материалистической диалектики.
Теперь спросим: каковы были перспективы во времена Энгельса применения естествоиспытателями материалистической диалектики?
Энгельс: «…и до сих пор можно по пальцам пересчитать естествоиспытателей, научившихся мыслить диалектически» (Ф. Энгельс, т.2, с.22).
«Какую бы позу ни принимали естествоиспытатели, над ними властвует философия. Вопрос лишь в том, желают ли они, чтобы над ними властвовала какая-нибудь скверная модная философия, или же они желают руководствоваться такой формой теоретического мышления, которая основывается на знакомстве с историей мышления и ее достижениями» (Ф. Энгельс, т.1, с. 525).
Такой формой, необходимой естествоиспытателям, была разработанная К.Марксом и Ф.Энгельсом материалистическая диалектика. Именно в ней были подытожены результаты двухтысячелетнего развития философии.
Теперь спросим: как можно овладеть материалистической диалектикой? Тоже понятно.
«…Теоретическое мышление является прирожденным свойством только в виде способности. Эта способность должна быть развита, усовершенствована, а для этого не существует до сих пор никакого иного средства, кроме изучения всей предшествующей философии» (Ф. Энгельс, т.1, с.366).
Впрочем, Энгельс высказывал предположение, что естествоиспытатели, анализируя и обобщая факты, станут усваивать диалектику. Он писал в предисловии ко второму изданию «Анти-Дюринга»:
О том, что происходило в физике, можно прочитать, например, в книге В.И.Ленина «Материализм и эмпириокритицизм», особенно в главе V «Новейшая революция в естествознании и философский идеализм».
Ленин комментирует: «Здесь мы должны прервать почтенного “позитивиста”. Ясно, что он рисует нам материалистическую философию традиционной физики, не желая назвать черта (т. е. материализм) по имени» (В.И. Ленин, там же).
Ленин резюмирует: «Следовательно, в философском отношении суть «кризиса современной физики» состоит в том, что старая физика видела в своих теориях «реальное познание материального мира», т. е. отражение объективной реальности. Новое течение в физике видит в теории только символы, знаки, отметки для практики, т. е. отрицает существование объективной реальности, независимой от нашего сознания и отражаемой им. Если бы Рей держался правильной философской терминологии, то он должен был бы сказать: материалистическая теория познания, стихийно принимавшаяся прежней физикой, сменилась идеалистической и агностической, чем воспользовался фидеизм, вопреки желанию идеалистов и агностиков» (В.И. Ленин, т.1, с.271).
Обратим внимание на слова, выделенные нами жирным шрифтом: старая физика видела в теориях отражение объективной реальности, новая физика отрицает существование объективной реальности. Не философы, извращающие результаты физики отрицают существование объективной реальности, пишет Ленин, а новая физика отрицает существование объективной реальности, принимая идеалистическую и агностическую теорию познания.
Далее Ленин снова много цитирует и комментирует А. Рея, а в конце раздела пишет: «Суть кризиса современной физики состоит в ломке старых законов и основных принципов, в отбрасывании объективной реальности вне сознания, т. е. в замене материализма идеализмом и агностицизмом» (В.И. Ленин, т.1, с.272-273).
Еще раз подчеркнем: кризис физики состоит в замене материализма идеализмом. В физике, а не в философии материализм заменяется идеализмом.
Приведем еще одно место из этого раздела:
Обратим внимание на такие выражения, «механизм» (т. е. материализм), «механисты за исходный пункт берут реальные движения», среди физиков идет борьба между материалистическими и идеалистическими тенденциями.
Разделы 4-6 имеют однотипные названия: «Два направления в современной физике и английский спиритуализм», «Два направления в современной физике и немецкий идеализм», «Два направления в современной физике и французский фидеизм». В каждом из этих разделов, в соответствии с названиями, обсуждаются два направления в физике. Не направления в современной философии или современной философии физики, или философских вопросов физики, а именно в самой физике.
В этих разделах Ленин делает вывод: в современной физике есть две школы, одна из которых признает объективную реальность, отражаемую теорией, а другая это отрицает, считая теорию только систематизацией опыта и т.п.
Таким образом, можно констатировать, что стихийное развитие физики не привело к торжеству в ней диалектико-материалистического мировоззрения. А, наоборот, к появлению и распространение позитивизма и идеализма.
В статье «О значении воинствующего материализма» Ленин писал:
«Надо помнить, что именно из крутой ломки, которую переживает современное естествознание, родятся сплошь да рядом реакционные философские школы да школки, направления и направленьица. Мы должны понять, что без солидного философского обоснования никакие естественные науки, никакой материализм не может выдержать борьбы против натиска буржуазных идей и восстановления буржуазного миросозерцания. Чтобы выдержать эту борьбу и провести ее до конца с полным успехом, естественник должен быть современным материалистом, сознательным сторонником того материализма, который представлен Марксом, то есть должен быть диалектическим материалистом» (В.И. Ленин, т.3, с.29-30).
Обратим внимание на категоричность Ленина: только сознательные сторонники диалектического материализма могут противостоять восстановлению буржуазного миросозерцания.