Термин «натуральная философия» был применен Ньютоном и до сих пор используется в британских университетах для обозначения исследований законов материального мира и вывода данных о его свойствах, непосредственно не наблюдаемых. [ ...] Наша цель двоякая: дать достаточно точное изложение того, что теперь известно в области натуральной философии, на языке, понятном читателю-нематематику, и снабдить тех, кто имеет преимущество во владении высшей математикой, связанным очерком тех аналитических методов, которыми большая часть этих знаний продолжена на еще не исследованные опытом области. [ ...] Цель, которую мы постоянно имели в виду, состоит в применении великого принципа сохранения энергии. Согласно современным опытным данным, в особенности данным Джоуля, энергия столь же реальна и неразрушима, как и вещество. [ ...] В нашей вводной главе о кинематике рассмотрение гармонического движения естественно приводит к теореме Фурье — одному из наиболее важных и полезных для физики выводов математического анализа. [...] Во второй главе мы приводим законы движения Ньютона, выраженные его собственными словами с некоторыми его пояснениями, ибо каждая попытка превзойти их до сих пор оканчивалась полной неудачей. Никогда, наверное, ничто столь простое ив то же время всеобъемлющее не приводилось как основа системы ни в одной другой науке. [ ...] В третьей главе «Опыт» кратко изложены наблюдения и эксперимент как основа натуральной философии.
Обложка издания «Трактата о натуральной философии» 1879 года.
Томсон и Тэт объявили, что во второй том будет включено рассмотрение кинетической динамики и, возможно, часть, посвященная свойствам материи; они даже говорили о двух дополнительных томах, которые так и не появились. Второй том увидел свет в 1874 году.
КАПЕЛЬНЫЙ КОНДЕНСАТОР
Капельный конденсатор был изобретен Томсоном в 1867 году. Принцип его работы очень прост. В устройстве имеются два похожих элемента, расположенных как показано на рисунке. Как видно, каждый из них состоит из металлической емкости, в которой собирается вода, падающая из резервуара через капельницу, пронизывающую металлическую крышку. Эта крышка и емкость находятся на некотором расстоянии друг от друга. Оба элемента располагаются так, чтобы они были соединены электрически и емкость одного была подсоединена к крышке другого, и наоборот. В воде содержится много ионов, и можно предполагать, что одна ее капля может нести с собой некоторое количество заряда (положительного или отрицательного). Предположим, что в емкости А изначально минимальное количество отрицательного заряда. Этот заряд передастся крышке В так, что капли, падающие через них, будут предпочтительно нести положительные ионы, которые будут притягиваться к этой капельнице отрицательным зарядом крышки В. Когда капля упадет в емкость В, она увеличит ее положительный заряд, который передастся крышке А. Эта крышка будет пропускать капли воды с отрицательными ионами, которые, упав в емкость А, увеличат ее отрицательный заряд. Очевидно, что когда будет достигнуто заданное количество заряда, могут появляться нежелательные явления. Например, между емкостями может образоваться вольтова дуга. Также падающие капли могут начать отталкиваться самой емкостью (если они имеют одноименный заряд). Может получиться и так, что капли будут в достаточной степени притягиваться самими крышками (имеющими заряд с противоположным знаком) и уменьшать их заряд.
В некоторых работах он даже достигал этой цели - если только труд не был посвящен очень специфическим темам. Еще в 1856 году в связи с чтением Бейкеровской лекции Томсон структурировал все существующее знание об электродинамических свойствах металлов. Ежегодная Бейкеровская лекция была (и остается до сих пор) знаком признания работы ученого со стороны Королевского общества. Эту традицию ввел английский натуралист Генри Бейкер в 1775 году, и лекцию читали, в частности, Фарадей, Максвелл и лорд Рэлей.
В 1859 году Томсон также сотрудничал с «Циклопедией физическш наук», которую написал его бывший преподаватель (а теперь коллега в Глазго) Джон Никол. Уильям написал для нее статью об атмосферном электричестве — эту тему он исследовал в тот момент. Исследования оказались довольно продуктивными, поскольку позволили определить разницу потенциалов, необходимую для производства искр, в зависимости от густоты воздуха между двумя электродами. А в 1867 году на основании этих исследований ученый сконструировал любопытное устройство — водно-капельный конденсатор. В 1879 году Томсон также написал подробные статьи об упругости и тепле для «Британской энциклопедии».
В 1883 году ученый получил от Королевского общества медаль Копли за открытие закона всеобщего рассеяния энергии, исследовательскую работу и выдающийся вклад в экспериментальную и математическую физику, особенно в области теорий электричества и термодинамики.
БАЛТИМОРСКИЕ ЛЕКЦИИ
Все преимущества и недостатки Томсона в полной мере проявились в знаменитых Балтиморских лекциях (Baltimore Lectures), которые он прочитал в 1884 году в Америке, в Университете Джона Хопкинса, по завершении конгресса Британской ассоциации развития науки, который в этом году состоялся в Монреале (Канада). В предисловии к переизданию лекций, написанном самим Томсоном в 1904 году, отмечено:
«Когда ректор Гилман пригласил меня прочитать курс лекций на одну из тем физической науки по моему выбору, я с удовольствием принял это приглашение. Я выбрал в качестве темы волновую теорию света, имея целью в большей степени подчеркнуть ее ошибки, чем описать молодым студентам тот удивительный успех, с которым эта красивая теория объяснила все, что было известно о свете до Френеля и Томаса Юнга, что породило волны нового знания, обогатив всю физическую науку».
Это был второй визит ученого в США. В 1876 году он присутствовал здесь в качестве члена жюри секции технических инструментов на Всемирной выставке в Филадельфии, где смог познакомиться с молодым Томасом Эдисоном (18471931), представившим свой автоматический телеграфный приемник. Тогда Томсон также смог поэкспериментировать с другим средством связи на расстоянии — телефоном, который недавно запатентовал британский ученый Александр Грейам Белл (1847-1922), хотя само устройство изобрел в 1860 году итальянец Антонио Санти Джузеппе Меуччи (1808-1889).
Начиная с 1 октября Томсон прочитал 20 лекций под общим названием «О молекулярной динамике и волновой теории света». Как это происходило и на его университетских занятиях, ученый не готовил речи детально, а развивал их в форме дискуссии с аудиторией, ставя перед ней различные проблемы. Лорд Рэлей, присутствовавший на некоторых беседах, восхищался Томсоном: «какое это было поразительное выступление! Я часто выяснял, что утреннее занятие было основано на вопросах, возникших во время нашей с ним беседы за завтраком».
