«Столетие науки в Америке: С особым вниманием к Американскому журналу науки (1818–1918)»

В этом отношении электромагнитная теория света находится в резком контрасте с той теорией, в которой эфиру приписываются свойства упругого тела,—контраст, который был весьма отчетлив в выведении Максвеллом законов Френеля из электрических принципов, но становится еще более поразительным по мере того, как мы продвигаем предмет далее в его деталях и учитываем отсутствие абсолютной однородности в среде, чтобы охватить явления дисперсии цветов, а также круговой и эллиптической поляризации».

Дальнейшие динамические теории. — Кельвин, однако, не был удовлетворен этим типом эфира. Для него динамика была основой всех физических явлений, и ничто не могло считаться объясненным до тех пор, пока не была представлена механическая модель. Поэтому он вернулся к теории упругого тела и развил следствия из допущения, уже использованного Коши, о том, что эфир обладает отрицательной объемной упругостью такого значения, при котором скорость волны сжатия равна нулю. Чтобы предотвратить коллапс такого эфира, необходимо предположить, что он жестко закреплен на своих границах и что внутри него в любой точке не могут образовываться полости. Теперь Гиббс (37, 129, 1889) указал на тот примечательный факт, что уравнения, описывающие движение квазилабильного эфира Кельвина, имеют точно такую же форму, как и электромагнитные уравнения. Электрическое смещение представлено фактическим смещением эфира, а магнитная напряженность — вращением. Следовательно, все, что может быть объяснено электродинамическими уравнениями, находит аналог в терминах эфира Кельвина. Совершенно другой тип динамического эфира, который соответствует известным фактам, был предложен Маккалагом и усовершенствован Лармором. В этом эфире предполагается существование вращательной упругости, которая существовала бы, если бы каждая частица среды состояла из трех жестко соединенных гиростатов с взаимно перпендикулярными осями. В этом эфире электрические смещения соответствуют вращениям, а магнитные деформации — смещению эфира.

Новая точка зрения. — В то время как динамическая школа все еще доминировала в Англии, на континенте развивалась другая точка зрения. Кирхгоф отрицал, что задачей науки является предоставление механических объяснений эфира и электродинамических явлений, подобных тем, которые Кельвин считал необходимыми для того, чтобы сделать эти явления понятными. Утверждение Кирхгофа заключалось в том, что цель науки носит чисто описательный характер: явления должны наблюдаться, классифицироваться и их взаимосвязи должны описываться с помощью наименьшего возможного числа дифференциальных уравнений. Мах выразил ту же мысль несколько более лаконично, когда заявил, что цель науки — «экономное мышление». Например, во времена Ньютона движения планет можно было описать вполне удовлетворительно с помощью трех законов Кеплера. Движение падающих тел на поверхности Земли было описано с достаточной степенью точности Галилеем. Однако ценность закона всемирного тяготения Ньютона заключалась в том, что это великое обобщение давало возможность описать эти и многие другие типы движения с помощью одной простой формулы, вместо того чтобы оставлять каждое из них управляемым рядом раздельных и, по-видимому, не связанных между собой законов. Важность такого обобщения измеряется экономией мышления, которую оно вносит.

Рис. 1. Рис. 2. Рис. 3.

Электронная теория. — Электронная теория вела к пересмотру идеи Кельвина о том, что в основе электродинамики должны лежать динамические принципы. Лоренц показал, что строгое решение электродинамических уравнений полностью устраняет ток смещения Максвелла, но заставляет электромагнитное поле в точке пространства зависеть не от распределения зарядов и токов в тот же самый момент, а в более ранний момент, достаточный для того, чтобы эффект дошел со скоростью света от зарядов и токов, создающих поле, до точки, в которой должны быть найдены электрическая и магнитная напряженности. Положение заряда или элемента тока в этот более ранний момент он обозначил как его «эффективное положение». Таким образом, эффективное распределение — это то, которое фактически видит наблюдатель, находящийся в рассматриваемой точке в тот момент, для которого должна быть определена напряженность электромагнитного поля. Это решение электродинамических уравнений в свою очередь привело к строгим выражениям для электрической и магнитной напряженностей, создаваемых очень маленькой заряженной частицей, такой как электрон. Рис. 1 показывает электростатическое поле, создаваемое покоящейся заряженной частицей. Силовые линии расходятся радиально и равномерно во всех направлениях. На рис. 2 предполагается, что электрон имеет скорость v в горизонтальном направлении вправо, величина которой меньше скорости света c, хотя и сопоставима с ней. Видно, что линии электрической силы по-прежнему расходятся радиально от заряда, но сгущаются в экваториальной плоскости и расходятся в полярных областях. Диссимметрия возрастает по мере увеличения скорости до тех пор, пока в случае достижения скорости света поле не оказалось бы полностью сосредоточенным в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Теперь можно показать, что рис. 2 получается из рис. 1 путем уменьшения размеров в направлении движения в отношении

√(1 − β2) : 1, where β ≡ v/c.

Ибо равномерно движущееся электрическое поле отличается от электростатического поля лишь тем, что размеры в направлении движения сокращены в этом конкретном отношении. Рис. 3 представляет электрическое поле заряженной частицы, которая имеет равномерное ускорение вправо. Рассмотрим аналогию Фарадея между силовыми линиями и растянутыми упругими лентами. Симметрия первых двух рисунков показывает, что ни в одном из этих случаев на заряженную частицу не действовала бы результирующая сила. Но на третьем рисунке очевидно, что на заряд со стороны его собственного поля действует сила, направленная влево. Расчет показывает, что эта сила пропорциональна по величине ускорению. Пусть постулируется, что результирующая сила, действующая на заряженную частицу, всегда равна нулю. Тогда, если F — приложенная сила, сила, действующая на частицу вследствие реакции ее поля, будет равна —m f, где f обозначает ускорение, а m — положительная константа, и мы получаем фундаментальное уравнение динамики

F − m f = 0

Следовательно, вместо того чтобы признавать утверждение Кельвина о том, что всем физическим явлениям должно быть дано механическое объяснение, было бы более логично утверждать, что электродинамика фактически лежит в основе механики.

Расчет показывает, что электромагнитная масса m обратно пропорциональна радиусу заряженной частицы. Эксперименты Томсона позволили вычислить массу электрона. Следовательно, можно вычислить его радиус, и он оказывается равным примерно 2(10)–13 части сантиметра, или одной пятидесятитысячной части радиуса атома. Поскольку столь малые числа мало о чем говорят, рассмотрим следующую иллюстрацию, принадлежащую отчасти Кельвину. Представьте себе одну каплю воды, увеличенную до размеров Земли. Отдельные атомы тогда имели бы размеры бейсбольных мячей. Теперь увеличим один из этих атомов до тех пор, пока он не станет сопоставим по размеру с собором Святого Петра в Риме. Электроны внутри атома выглядели бы как несколько песчинок, разбросанных по нефти [видимо, по нефу]. Это разделение между составляющими электронами атома — столь великое по сравнению с их размерами — объясняет, как альфа-частицы могут пролетать миллиардами через тонкостенную стеклянную трубку, не оставляя после себя никаких отверстий и не ухудшая ни в малейшей степени высокий вакуум внутри трубки. Гораздо более мелкие быстро движущиеся бета-частицы проходят в среднем через десять тысяч атомов, даже не приближаясь ни к одному из составляющих электронов настолько, чтобы оторвать его и образовать ион.

Эксперимент Майкельсона — Морли. — В 1881 году Майкельсон (22, 120, 1881) задумал изощренный и смелый метод измерения орбитального движения Земли сквозь светоносный эфир. Поскольку эксперимент был связан со значительными расходами, к Белла, изобретателю телефонной трубки, успешно обратились за средствами, необходимыми для его осуществления. Экспериментальный план Майкельсона заключался в следующем: пучок света, распространяющийся в направлении движения Земли, падает на посеребренное [в тексте unsilvered — непосеребренное] зеркало m под углом 45°. Часть света проходит сквозь него, а остальная часть отражается под прямым углом к своему первоначальному направлению. Каждый луч возвращается зеркалом, находящимся на расстоянии l от m. При встрече луч, чей путь проходил под прямым углом к направлению движения Земли, проходит сквозь зеркало, в то время как другой луч отражается так, чтобы совместить их на одной линии и образовать интерференционные полосы. Теперь рассмотрим влияние движения Земли на пути двух лучей. На рис. 4 предполагается, что Земля движется вправо. Непосеребренное зеркало m разделяет надвое пучок света, идущий от источника a. К тому моменту, когда луч, отраженный от m, дойдет до зеркала b и вернется обратно, m переместится вперед в положение m’ — на расстояние 2β l, где малая величина β представляет собой отношение скорости Земли к скорости света. Следовательно, длина пути, проходимого этим лучом, приближенно равна

2l(1 + ½β2).

Другой луч достигнет зеркала c после того, как последнее переместится вперед на расстояние

βl/(1 − β2)

и на обратном пути обнаружит m в точке m’. Следовательно, его путь имеет длину примерно 2 l (1 + β2). Разность путей двух лучей составляет β2 l, и следовательно, при встрече в d они должны быть немного не в фазе. Поворачивая аппарат по часовой стрелке на 90°, меняют местами направления двух лучей относительно движения Земли, и можно было бы ожидать смещения интерференционных полос на величину, соответствующую разности путей в 2β2 l. Эта величина, конечно, мала — β2 составляет около одной стомиллионной, — но методы интерферометрии настолько чувствительны, что Майкельсон был уверен в своей способности обнаружить движение Земли сквозь эфир. Аппарат состоял из столика, который можно было вращать вокруг вертикальной оси примерно так же, как столик спектрометра, и который был снабжен плечами длиной в метр для несущих зеркала b и c. При такой длине плеча интерференционные полосы от натриевого света должны смещаться на величину, соответствующую четырем сотым длины волны при повороте столика на прямой угол. Когда эксперимент был впервые проведен, аппарат поместили на каменном пилоне в Физическом институте в Берлине. Прибор оказался настолько чувствительным к внешним вибрациям, что даже после полуночи получить согласованные показания не удавалось. Наконец, удовлетворительное основание было сооружено в подвале Астрофизической обсерватории в Потсдаме. Но каково же было удивление экспериментаторов, когда они обнаружили, что ожидаемого смещения интерференционных полос не существует!

Рис. 4.

Чрезвычайная деликатность эксперимента делала желательным подтверждение результата путем его повторения. Это было сделано Майкельсоном и Морли (34, 333, 1887) в 1887 году. Вместо вращающегося столика для размещения аппарата использовалась массивная каменная плита, плавающая на ртути. Эта плита поддерживалась в постоянном вращении, а наблюдатель следовал за ней вокруг. Более того, точность эксперимента была значительно увеличена за счет многократного отражения каждого луча туда и обратно по всей плите между выходом из зеркала m и возвращением к нему. Достигнутая точность была такова, что дала Майкельсону основания заявить, что если бы искомый эффект действительно существовал, он не мог бы составлять и одной двадцатой части его расчетного значения. В 1905 году Морли и Миллер [166] повторили эксперимент во второй раз и преуспели в увеличении чувствительности аппарата до такой степени, при которой можно было бы обнаружить движение сквозь эфир, составляющее одну десятую орбитальной скорости Земли.

Смещение, которое искали в эксперименте Майкельсона — Морли, известно как эффект второго порядка, поскольку оно зависит от квадрата отношения скорости Земли к скорости света. Майкельсон сначала посчитал, что полученный отрицательный результат подтверждает теорию, предложенную Стоксом, в которой предполагалось, что эфир внутри Земли и вблизи ее поверхности участвует в движении Земли, в то время как эфир на расстоянии практически неподвижен. Но против теории Стокса имеется много возражений, одно из которых было выявлено в эксперименте Майкельсона (3, 475, 1897), в котором он попытался интерференционным методом обнаружить разницу в скорости света на разных уровнях над поверхностью Земли. Полученный отрицательный результат привел его к выводу, что если бы теория Стокса была верна, влияние Земли на эфир должно было бы простираться над ее поверхностью на расстояние, сопоставимое с ее диаметром. Между тем появилось более удовлетворительное объяснение. Было указано, что равномерно движущееся электрическое поле может быть получено из электростатического поля путем сокращения размеров в направлении движения в отношении

√(1 − β2) : 1.

Фитцджеральд и Лоренц независимо друг от друга показали, что если движущаяся материя искажается таким же образом, то результат, полученный Майкельсоном, будет именно таким, какого и следует ожидать. Ибо тогда расстояние от зеркала c до m будет составлять

l√(1 − β2)

вместо l, а путь луча, движущегося параллельно орбите Земли,

2l(1 + ½β2),

что как раз совпадает с путем другого луча. Конечно, когда аппарат поворачивают на 90°, расстояние этого зеркала от m снова принимает свое нормальное значение, а расстояние другого зеркала становится укороченным. Поскольку всякое измерение состоит в сравнении измеряемого объекта со стандартом, это сокращение никогда не может быть обнаружено экспериментальными методами, ибо измерительный стержень сокращался бы в точности в том же отношении, что и измеряемое тело.

При вычислении своей электромагнитной массы Абрахам предполагал, что электрон представляет собой равномерно заряженную твердую сферу, которая сохраняет свою сферическую форму независимо от того, какая скорость ей сообщается. Он обнаружил, что при очень высоких скоростях масса возрастает со скоростью, становясь бесконечной при приближении к скорости света, и что ее значение зависит от направления приложенной силы. После того как стало очевидным, что сокращение Фитцджеральда — Лоренца необходимо для объяснения результата Майкельсона, Лоренц вычислил электромагнитную массу заряженной сферы, которая деформируется в сплюснутый сфероид при приведении в движение. Для этого типа электрона масса также стремится к бесконечности при скоростях, равных скорости света, и различна для разных направлений. Если сила приложена в направлении движения, то преодолеваемая инерция оказывается немного больше, чем когда сила приложена под прямым углом к этому направлению. Таким образом, нам приходится различать продольную и поперечную массы. Но массы электрона Лоренца не являются теми же самыми функциями его скорости, что и массы электрона Абрахама. Кауфман, а вслед за ним Бухерер экспериментально проверили соотношение между поперечной массой и скоростью, наблюдая за отклонениями, производимыми электрическими и магнитными полями на путях быстро движущихся бета-частиц. Работа последнего явилась столь полным подтверждением формулы Лоренца, что можно считать доказанным: движущийся электрон по меньшей мере испытывает сокращение в направлении движения в отношении

√(1 − β2) : 1.

Электромагнитная теория света оказалась столь успешной при применении к покоящимся телам, что Лоренц стремился распространить эту теорию на оптику движущихся сред. Его задачей было найти группу однородных линейных преобразований, которые оставляли бы форму электродинамических уравнений неизменной. Эксперимент Майкельсона — Морли показал, что размеры в направлении движения должны быть сокращены в движущейся системе, а размеры под прямыми углами остаются неизменными. Но Лоренц вскоре обнаружил, что в движущейся системе также необходимо использовать новую единицу времени, и поскольку было обнаружено, что это время зависит от положения точки, в которой оно должно быть определено, он назвал его местным временем. Преобразование Лоренца в точности совпадает с преобразованием принципа относительности, однако ему не удалось выразить электродинамические уравнения в терминах новых координат и времени ровно в той же форме, что и для покоящейся системы, по той причине, что ему не удалось наделить эти новые единицы достаточной реальностью, которая оправдывала бы их использование при преображении члена скорости, вовлеченного в электрический ток.

Принцип относительности. — В 1905 году в Annalen der Physik [167] появилась работа, которой было суждено полностью изменить точку зрения, с которой следует подходить к проблемам света и электромагнитной теории. Ее автором был Альберт Эйнштейн из Берна (Швейцария), молодой двадцатишестилетний человек, сделавший уже ряд заметных вкладов в теоретическую физику.

Сформулированный Эйнштейном принцип относительности был вовсе не нов для изучающих динамику. Первые два закона движения Ньютона очень четко выражают тот факт, что в механике всякое движение относительнo. Сила пропорциональна ускорению, и отношение между ними одинаково независимо от того, отнесено ли рассматриваемое движение к неподвижным осям или к осям, движущимся с постоянной скоростью. Но в связи с явлениями света и электромагнетизма дело обстояло совершенно иначе. Там все было отнесено к неподвижному эфиру, и хотя Лоренц нашел набор преобразований, оставляющих электродинамические уравнения практически неизменными, он продолжал мыслить в терминах эфира. Поэтому физики были немало поражены, когда Эйнштейн постулировал, что никакой эксперимент, практический или мысленный, никогда не сможет различить две системы таким образом, чтобы оправдать утверждение, будто одна из них покоится, а другая движется. Все движение относительно, и законы, управляющие физическими, химическими и биологическими явлениями, одинаковы как в терминах единиц одной системы, так и в терминах единиц любой другой.

Далее Эйнштейн рассматривает некоторые фундаментальные вопросы. Что мы имеем в виду, когда говорим, что два события — одно в точке А, а другое в точке В, удаленной от А, — происходят в одно и то же время? Очевидно, это выражение не имеет никакого значения, если в двух точках не установлены синхронные часы. Но как определить, синхронны эти двое часов или нет? Если бы между А и В можно было установить мгновенную связь, дело было бы достаточно простым. Однако, поскольку никакая бесконечная скорость передачи недоступна, давайте пошлем световой волну от А к В и вернем ее к А сразу по ее прибытии. Если время, показываемое часами в точке В в момент получения сигнала, ровно посредине между временем отправления из А и временем ее прибытия при возвращении, то эти двое часов могут считаться синхронными. Теперь, если требуется измерить длину стержня, который движется параллельно шкале, с помощью которой производится измерение, необходимо зафиксировать положения двух концов стержня в один и тот же момент. Таким образом, даже измерение длины движущегося тела зависит от условия синхронизма в различных точках пространства.

Принцип относительности требует, чтобы скорость света была одинаковой в одной системе и в другой, относительно которой первая движется. Следовательно, определение синхронизма позволяет получить набор преобразований, связывающих измерения пространства и времени в одной системе с измерениями в другой. Эта группа преобразований совпадает с той, которую Лоренц нашел для преобразования электродинамических уравнений самих в себя. Но точка зрения Эйнштейна выявила удивительную взаимность, которую Лоренц упустил из виду. Если два параллельных стержня MN и OP движутся относительно друг друга в направлении своих длин, то наблюдателю, покоящемуся относительно MN, не только кажется, что OP укорочен, но и сам MN кажется наблюдателю, движущемуся вместе со стержнем OP, короче нормы в том же отношении.

Теория Эйнштейна делает скорость света максимальной скоростью, с которой может передаваться сигнал. Это приводит к его знаменитой теореме сложения. Рассмотрим трех наблюдателей: А, В и С. Пусть В движется относительно А со скоростью, составляющей девять десятых скорости света, а С в том же направлении с равной скоростью относительно В. В терминах старомодных понятий времени и пространства скорость С относительно А вычислялась бы как одна и восемь десятых скорости света. Но теория относительности дает значение в девяносто девять сотых скорости света. Ибо скорость света никогда не может быть превзойдена скоростью какого-либо материального объекта. Этот вывод теории поразительно подтверждается тем фактом, что хотя наблюдались бета-частицы со скоростями, достигающими девяноста девяти сотых скорости света, скорость света никогда не сравнялась с ними вполне. Между прочим, можно заметить, что принцип относительности требует, чтобы массы всех материальных тел изменялись со скоростью точно так же, как, по данным Лоренца, это происходит с электромагнитной массой деформируемого электрона. В связи с этим Бумстед (26, 498, 1908) разработал изящный метод выведения отношения продольной массы к поперечной.

Тесная связь между электродинамикой и принципом относительности очевидна из того факта, что оба они ведут к одним и тем же пространственно-временным преобразованиям. Кроме того, Л. Пейдж (37, 169, 1914) показал, что электродинамические уравнения могут быть выведены точно и в полном объеме исключительно из кинематики относительности и допущения, что каждый элемент заряда является центром равномерно расходящихся силовых линий. Следовательно, можно с уверенностью утверждать, что никакое чисто электромагнитное явление никогда не войдет в противоречие с этим принципом. Простота, привносимая таким образом в решение определенного класса задач, огромна. В качестве примера рассмотрим вопрос о том, тормозится ли движущаяся звезда реакцией собственного излучения. Эта чисто электродинамическая проблема столь сложна, что попытки ее решения привели к некоторым спорам среди математиков-физиков. Принцип относительности без прибегания к анализу говорит нам, что никакого торможения существовать не может.

На протяжении девятнадцатого века эфир играл фундаментальную роль во всех важных физических теориях света и электромагнетизма. Но если эксперимент не в состоянии обнаружить даже состояние движения эфира, зачем постулировать существование такой среды? Если эфир не обладает самым фундаментальным свойством материи, как он может обладать такими производными свойствами, как плотность и упругость — свойствами, которыми должна обладать любая мыслимая механическая среда для передачи поперечных колебаний? Сторонник теории относительности не отрицает существования эфира. Для него этот вопрос имеет не больше смысла, чем если бы его попросили высказать мнение о реальности параллелей широты на поверхности Земли. В качестве удобного средства выражения при описании определенных явлений эфир оправдал большую часть того использования, которому подвергался. Но приписывать ему степень субстанциальности, для которой нет никаких оснований в эксперименте, — значит превращать его из подспорья в препятствие на пути развития науки. С точки зрения сторонника теории относительности, существует очень резкое различие между теми движениями заряженных частиц, которые экспериментально наблюдаемы, и такими геометрическими условностями, как электромагнитные поля, или такими аналитическими символами, как электрическая и магнитная напряженности. Эти способы представления были и остаются чрезвычайно полезными и важными, но их ценность в научном описании не должна приводить к недооценке их чисто спекулятивного характера.

Наконец, необходимо обратить внимание на то, что открытия индуктивной науки, воплощенные в великом обобщении, которое мы только что обсуждали, привели к более глубокому пониманию природы времени и пространства, чем двадцать веков самопознания со стороны профессиональных философов. Минковский, чьи обещания больших достижений были прерваны преждевременной смертью, показал, что четырехмерная геометрия делает возможным представление пространственно-временных соотношений этой теории с поразительной простотой. Единое временное и три пространственных измерения сливаются таким образом, что образуют единое целое без малейшего следа дифференциации между этими фундаментальными величинами. Уилсон и Льюис [168] сделали это представление привычным для американских читателей благодаря своему прекрасному переводу работы Минковского на язык обозначений векторного анализа Гиббса.

Аберрация, эффект Доплера, аномальная дисперсия — поистине все известные явления — находятся в согласии с принципом относительности. Следует, однако, иметь в виду, что этот принцип применим только к системам, движущимся относительно друг друга по прямым линиям с постоянными скоростями. То, что во вращении есть нечто абсолютное, признается со времен проведения Фуко своего знаменитого маятникового эксперимента в 1851 году. Этот эксперимент (C. S. Lyman, 12, 251 и 398, 1851) заключался в приведении маятника, состоящего из тяжелого латунного шара, подвешенного на длинной проволоке, в колебательное движение таким образом, чтобы избежать заметной эллиптичности его движения. Наблюдение за скоростью вращения Земли относительно плоскости колебаний маятника предоставило метод измерения вращения Земли вокруг своей оси без отсылки к небесным телам. Гироскопический компас, используемый в настоящее время, предоставляет еще один земной метод обнаружения этого вращения.

Будущее физики. — Иногда в истории физики казалось, что фундаментальные законы этой науки сформулированы настолько полно, что будущим поколениям не остается ничего, кроме рутины выведения всех следствий из этих законов и повышения точности методов измерения появляющихся в них констант. То, что Лаплас придерживался этого взгляда, уже отмечалось, а Максвелл в своей вступительной лекции при открытии Кавендишской лаборатории в 1871 году сказал: «Эта характеристика современных экспериментов — то, что они состоят главным образом из измерений, — настолько бросается в глаза, что создается впечатление, будто через несколько лет все великие физические константы будут приблизительно оценены и единственным занятием, которое останется у людей науки, будет продолжение этих измерений до следующего знака после запятой». То, что он сам не разделял этого взгляда, становится очевидным из следующего абзаца. «Но мы не имеем права так думать о неисчерпаемых богатствах творения или об испытанной плодовитости тех свежих умов, в которые эти богатства будут продолжаться изливаться. Возможно, справедливо, что в некоторых из тех областей открытий, которые открыты для столь грубых наблюдений, какие можно сделать без искусственных методов, великие исследователи былых времен присвоили большую часть того, что представляет ценность, и что остатки, которые остаются, ищутся скорее из-за их заумности, чем из-за их истинной ценности. Но история науки показывает, что даже в ходе той фазы ее развития, в которой она посвящает себя повышению точности численного измерения количеств, с которыми она давно знакома, она готовит материалы для покорения новых областей, которые остались бы неизвестными, если бы она довольствовалась грубыми методами своих первых первопроходцев…»

То, что прогноз Максвелла относительно перспектив его науки не был преувеличением, признают те, кто следил за развитием физики в течение последних двадцати лет. И все же работа, проделанная в прошлом, кажется незначительной по сравнению с тем, что осталось на будущее. Многие из нерешенных задач представляют собой вопросы соединения воедино запутанных деталей, но есть по крайней мере одна, решение которой, судя по всему, требует радикальной модификации наших фундаментальных физических представлений. Это формулировка законов, управляющих движениями электронов и положительно заряженных частиц внутри атома.

Черное излучение. — Значение этой проблемы было впервые выявлено благодаря изучению черного излучения. Под черным телом понимается такое тело, отличительной характеристикой которого является то, что оно испускает и поглощает излучение всех частот, а черным излучением является то, которое находится в тепловом равновесии с таким телом. Интерес к этому типу излучения заключается в том факте, продемонстрированном Кирхгофом, что его природа зависит только от температуры черного тела, с которым оно находится в равновесии, и не зависит ни от каких физических или химических характеристик этого тела. Таким образом, мы можем говорить о «температуре» самого излучения, под которой понимается температура материального тела, с которым оно находилось бы в равновесии.

Проблема черного излучения заключается в нахождении распределения энергии между волнами различных частот при любой заданной температуре. Первый шаг к решению был сделан, когда Стефан экспериментально, а Больцман как следствие термодинамики и электродинамики показали, что общая плотность энергии, просуммированная по всем длинам волн, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Если отложить плотность энергии по ординате против длины волны по абсциссе, экспериментальная кривая для любой заданной температуры поднимается от оси абсцисс в начале координат, достигает максимума и снова падает до нуля по мере того, как длина волны становится бесконечно большой. Теперь закон смещения Вина, второй важный шаг к определению формы этой кривой, показывает, что по мере повышения температуры длина волны, которой соответствует ее наивысшая точка, становится короче — фактически эта конкретная длина волны обратно пропорциональна абсолютной температуре. Этот теоретический вывод полностью подтверждается экспериментом. (J. W. Draper, 4, 388, 1847.)

Дальше общие термодинамические принципы идти не могут. Статистическая механика утверждает однако, что когда большое число подобных элементов находится в тепловом равновесии, средняя кинетическая энергия, приходящаяся на каждую степень свободы, равна универсальной константе, умноженной на абсолютную температуру. Этот «принцип равнораспределения энергии» применялся различными способами для получения закона излучения. Наиболее прямой метод основан на равновесии, которое должно устанавливаться между полем излучения и материальными осцилляторами, когда последние испускают в среднем столько же энергии, сколько поглощают. Однако с какой бы точки зрения ни рассматривалась проблема, закон излучения, полученный в результате применения принципа равнораспределения, остается неизменным. И хотя этот закон хорошо согласуется с экспериментальной кривой для длинных волн, он показывает плотность энергии, которая становится неограниченно большой для крайне коротких волн, что не только расходится с фактами, но и фактически приводит к бесконечному значению этой величины при интегрировании по всему спектру.

Квант энергии. — Теперь принцип равнораспределения энергии надежно опирается на самые общие динамические принципы. Невозможно представить себе, чтобы эти динамические законы были неточны до такой степени, как указывает расхождение между теорией и экспериментом; то, что они являются недостаточными при применении к движениям электронов в столь интенсивных полях, какие возникают внутри атома, по-видимому, больше не вызывает сомнений. Чтобы получить формулу излучения, согласующуюся с экспериментом, Планк счел необходимым распространить атомную идею на энергию, которая, по его представлению, существует в виде кратных величин фундаментального кванта hν, где ν — частота, а h — постоянная Планка. Пуанкаре доказал, что какая-то подобная гипотеза дискретности необходима для получения любого закона, который хотя бы приблизительно соответствовал экспериментальным фактам. Но точное место, в котором вводится квант, различается для каждого нового вывода закона Планка. В своем самом последнем выводе самим Планком квант проявляет себя в связи с испусканием энергии материальными осцилляторами, с которыми поле излучения находится в равновесии. Предполагается, что эти осцилляторы ведут себя вполне нормально во всех отношениях, за исключением испускания; здесь излучение, требуемое электродинамическими уравнениями, отбрасывается, и предполагается, что осциллятор испускает сразу всю свою энергию после того, как накопил количество, равное некоторому целому числу квантов hν. Форма теории, которая не содержит этого маловероятного противоречия с прочно устоявшимися фактами электродинамики, вводит квант в спецификацию энергии колебаний, разрешенной для каждого осциллятора. Здесь как испускание, так и поглощение подчиняются классической теории, но движение испускающего и поглощающего линейного осциллятора частоты ν считается стабильным только для тех амплитуд, для которых энергия его колебаний является целым кратным hν. Чтобы поддерживать энергию на этих конкретных значениях, осциллятор может заимствовать энергию у других степеней свободы или передавать им избыточную энергию, которые не участвуют ни в испускании, ни в поглощении, а служат лишь хранилищами.

Фотоэлектрический эффект. — Исследуя производство электромагнитных волн, Герц заметил, что искра между клеммами его осциллятора проскакивает легче, когда отрицательный электрод освещен светом от другой искры. Дальнейшие исследования Холльвакса, Эльстера и Гейтеля и других показали, что этот эффект обусловлен испусканием электронов металлом, подвергшимся воздействию ультрафиолетового света. Ленард обнаружил, что энергия, с которой выбрасывается отрицательно заряженная частица, совершенно не зависит от интенсивности света, и дальнейшие исследования показали, что она зависит только от частоты. Эйнштейн предположил, что электроны, появляющиеся в этом так называемом фотоэлектрическом эффекте, вылетают изнутри металла с начальной энергией hν. Однако при прохождении через поверхность они встречают сопротивление, поэтому он пришел к выводу, что энергия, с которой самые быстро движущиеся электроны появляются вне металла, должна быть равна hν за вычетом работы, затрачиваемой на преодоление этого сопротивления. Недавние эксперименты не только подтверждают это соотношение, но и предоставляют весьма удовлетворительный метод определения значения h. Милликен [169] находит его равным 6,57(10)–27 эрг·с, что дает для кванта желтого света значение, в шестьдесят раз превосходящее тепловую энергию молекулы одноатомного газа при 0 °C. О том, что такое большое количество энергии может передаваться от падающего света к выброшенному электрону, не может быть и речи; оно должно поступать изнутри атома. Таким образом, получается некоторое представление о том, насколько огромными должны быть внутриатомные энергии.

Строение атома. — Общепринятая модель атома принадлежит главным образом Резерфорду [170]. Он считает, что атом состоит из электронов, вращающихся вокруг положительного ядра поодиночке или группами в концентрических кольцах, примерно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако эксперименты по рассеянию альфа-лучей показывают, что ядро, хотя оно и должно обладать положительным зарядом, достаточным для нейтрализации зарядов всех движущихся вокруг него электронов, не может иметь объем порядка величины, превосходящей объем электрона. Количество единичных зарядов на нем, за исключением водорода, который, как предполагается, состоит из однократно заряженного ядра и только одного электрона, оказывается приблизительно равным половине атомного веса. Таким образом, гелий с атомным весом около четырех имеет дважды заряженное ядро с двумя вращающимися вокруг него электронами, а литий — трижды заряженное ядро и три электрона. Предполагается, что число единичных зарядов на ядре соответствует атомному номеру, использованному Мозли при интерпретации результатов его эксперимента по рентгеновским спектрам элементов.

Теперь электрон, вращающийся вокруг положительного ядра атома водорода, согласно законам электродинамики, должен излучать энергию. Это излучение будет действовать как сопротивление его движению, вызывая уменьшение его орбиты и увеличение частоты. Следовательно, можно было бы ожидать, что светящийся водород будет испускать непрерывный спектр. Весьма тонкие линии, обнаруживаемые на самом деле, кажутся необъяснимыми с точки зрения классических динамических и электродинамических теорий. Эти линии и линии многих других спектров могут даже группироваться в серии, а отношения между ними могут быть выражены в математической форме. Формулы были предложены Бальмером, Ридбергом, Ритцем и другими, причем все они содержат универсальную константу N, а также определенные параметры, которые должны изменяться на единицу при переходе от одной линии серии к следующей.

В 1913 году Бор [171] предложил атомную теорию, которая выявляет замечательную числовую взаимосвязь между этой величиной N и постоянной Планка h. Он постулировал, что электрон в атоме водорода, например, не может вращаться по окружности любого произвольного радиуса, а ограничен теми орбитами, для которых его кинетическая энергия является целым кратным ½ hn, где n — частота его орбиты. Предполагается, что времени от времени этот электрон совершает скачок с внешней орбиты на внутреннюю, при этом избыточная энергия первой орбиты по сравнению со второй излучается. Но излучаемая энергия также принимается равной hν, где ν — частота излучения. Следовательно, ν может быть определена, и полученное для нее выражение в точности совпадает с выражением, данным задолго до этого Бальмером в качестве эмпирического закона. Самое замечательное в нем, однако, то, что результат Бора содержит константу, включающую h, а также заряд и массу электрона, которая имеет точно значение универсальной константы N формул Бальмера и Ридберга. В целом теория объясняет три серии водорода и дает удовлетворительные результаты для атомов гелия, потерявших электрон, или атомов лития, имеющих двойной положительный заряд. Но для атомов, удерживающих более одного электрона, она, по-видимому, больше не применима.

Три упомянутых явления — лишь наиболее отчетливо выраженные из растущей группы явлений, в которых проявляется квант. Его значение и те изменения в наших фундаментальных концепциях, к которым он, судя по всему, ведет, предстоит прояснить в будущем. Немногие физики станут отрицать, что он представляет собой самую важную и интересную из до сих пор нерешенных проблем.

Американские физики. — Пытаясь охватить развитие физики за последние сто лет на пространстве всего нескольких страниц, мы неизбежно оставили нетронутыми многие важные направления этой дисциплины, а рассмотрение многих других оказалось совершенно неадекватным. Среди тех, что появлялись в Журнале и о которых не было упомянуто, — открытие ЛеКонте (25, 62, 1858) чувствительного пламени и изобретение Рудом (46, 173, 1893) мерцательного фотометра. Тем не менее было рассказано достаточно, чтобы указать на то выдающееся положение в истории физики в Америке, которое занимали четыре человека: Джозеф Генри из Олбанской академии, Принстона и Смитсоновского института; Генри Огастус Роуланд из Университета Джонса Хопкинса; Джозайя Уиллард Гиббс из Йеля и Альберт Абрахам Майкельсон из Военно-морской академии США, Школы прикладных наук Кейза, Университета Кларка и Чикагского университета. Из них последний имеет отличие быть единственным американским физиком, получившим Нобелевскую премию, хотя мало сомнений в том, что трое других были бы удостоены аналогичной чести, если бы их важные работы не были опубликованы до учреждения этой награды. Все четверо занимают высокие места в рядах великих людей науки всего мира, и проведенные ими и их коллегами-исследователями в Америке изыскания обеспечили их стране положение в анналах физики, которое отнюдь не является незначительным.

Роль Журнала в метеорологии.

Метеорологические исследования, опубликованные в ранних номерах Журнала, сыграли важную роль в создании правильной теории штормов. До создания Службы сигналов США в 1871 году никаких систематических отчетов о погоде не выпускалось ни одним государственным ведомством в этой стране, и поэтому работа по сбору, а также интерпретации метеорологических данных целиком и полностью лежала на плечах заинтересованных лиц и учреждений. Самые ранние важные исследования штормов, появившиеся в Журнале, были подготовлены Редфилдом из Нью-Йорка, первая статья которого (20, 17, 1831) подробно рассматривала свирепый шторм, прошедший над Лонг-Айлендом, Коннектикутом и Массачусетсом в 1821 году. Он пришел к выводу, что «направление ветра в конкретном месте не составляет никакой части существенного характера шторма, а является лишь случайным для той конкретной части... пути шторма, которая случайно становится точкой наблюдения, ...причем направление ветра во всех случаях является результатом как вращательной, так и поступательной скоростей шторма». Несколько лет спустя анализ двенадцати «штормов и ураганов Западной Атлантики» (31, 115, 1837) привел к утверждению, что связанные с ними явления «должны приписываться главным образом механическому притяжению атмосферы в связи с вращательными и орбитальными движениями поверхности Земли». В этой статье подчеркивается тот факт, что ветер может дуть в диаметрально противоположных направлениях в точках вблизи центра шторма. «В то время как одно судно лежал в дрейфе [лежало в дрейфе] в сильный шторм, другое, находящееся на расстоянии не более тридцати лиг, в то же самое время находилось в другом шторме, столь же сильном, и лежало в дрейфе при совершенно противоположном направлении ветра». Из прилагаемого наброска, показывающего направления ветра, читатель мог сделать вывод, что в то время Редфилдовым движением воздуха считалось движение почти по кругам вокруг центра шторма. Та же идея передается более поздней статьей (42, 112, 1842). Эспи (39, 120, 1840) из Филадельфии, однако, утверждал, что наблюдения показывают скорее, что ветер дует внутрь к центральной точке, если шторм имеет округлую форму, или к центральной линии, если он продолговатый. Эту точку зрения Редфилд (42, 112, 1842) оспаривал и привел множество доказательств ее ложности. Более позднее изложение (1, 1, 1846) его собственной теории таково: «Я никогда не мог себе представить, чтобы ветер в сильных штормах движется только по кругам. Напротив, вихревое движение... представляется существенным элементом их бурного и продолжительного действия, их возрастающей энергии по направлению к центру или оси, а также сопутствующего дождя... Степень вихревого наклона в сильных штормах должна локально подвергаться большим вариациям; но вряд ли можно сомневаться в том, что в среднем по разным сторонам он когда-либо приближается к сорока пяти градусам от касательной к кругу — и что такой средний наклон когда-либо превышает два румба компаса» [два румба]. Качественное объяснение влияния вращения Земли на направление ветра вблизи центра шторма уже было дано Трейси (45, 65, 1843), и за ним несколько лет спустя последовало весьма тщательное количественное исследование динамики атмосферы, выполненное Феррелом (31, 27, 1861).

Ряд лиц вели систематические записи метеорологических наблюдений, среди которых был Лумис, чей анализ штормов во многом способствовал разрешению достоинств соперничающих теорий Редфилда и Эспи. Изучая шторм 1836 года (40, 34, 1841), он нанес на карту линии через те точки на пути шторма, где барометр в любой заданный час стоит ниже всего. Хотя этот метод выявлял общее направление продвижения шторма, он не давал четкого представления о его размерах или форме. Обсуждая два торнадо февраля 1842 года, одно из которых уже было описано в Журнале (43, 278, 1842), он применил новый и более наглядный графический метод. Вместо соединения точек наименьшего давления он провел кривую через все точки, где барометр стоял на нормальном уровне, затем одну через те точки, где давление было на ²⁄₁₀ дюйма ниже нормы, и так далее. К температуре он подошел примерно так же, а сила и направление ветра обозначались стрелками. Это нововведение придало его анализу штормов значимость, которая полностью отсутствовала у его предшественников, и привело к знакомым системам изобар и изотерм, используемым на ежедневных картах, выпускаемых Бюро погоды в настоящее время. Лумис выступал за тщательные наблюдения в течение одного года на станциях, расположенных на расстоянии 50 миль друг от друга по всей территории Соединенных Штатов, с тем чтобы можно было получить достаточно данных для окончательного решения закона штормов. Его усилия, поддержанные Генри, Башем, Пирсом, Аббе и Лапемом, в конечном итоге привели к созданию Службы сигналов и публикации ежедневных карт погоды в соответствии с планом, предложенным тридцатью годами ранее. Эти карты предоставили основу для дальнейшего анализа штормов, который он опубликовал в многочисленных «Вкладах в метеорологию» (8, 1, 1874 и след.) в период между 1874 годом и своей смертью в 1890 году.

В дополнение к своей работе по штормам Лумис провел тщательное исследование земного магнетизма (34, 290, 1838 и след.) и полярного сияния (28, 385, 1859 и след.). То, что между солнечными пятнами, полярным сиянием и земным магнетизмом существовала связь, было уже признано. Однако Лумис (50, 153, 1870 и след.) показал, что периодичность полярного сияния, а также чрезмерных возмущений в магнитном поле Земли очень тесно коррелирует с периодичностью солнечных пятен.

Примечания.

154. J. W. Gibbs, Trans. Conn. Acad. Arts and Sci., 3, 108 and 343. Реферат автора: Journal, 16, 441, 1878.

155. H. K. Onnes, Nature, 93, 481, 1914.

156. H. Hertz, Wied. Ann., 34, 551, 1888 et seq.

157. E. F. Nichols and G. F. Hull, Phys. Rev., 13, 307, 1901 et seq.

158. J. J. Thomson, Phil. Mag., 44, 293, 1897.

159. R. A. Millikan, Phys. Rev., 2, 109, 1913.

160. P. Zeeman, Phil. Mag., 43, 226, 1897.

161. H. A. Lorentz, Phil. Mag., 43, 232, 1897.

162. S. J. Barnett, Phys. Rev., 6, 239, 1915, and 10, 7, 1917.

163. W. C. Röntgen, Wied. Ann., 64, 1, 1898 et seq.

164. W. Friedrich, P. Knipping, and M. Laue, Ann. d. Phys., 41, 971, 1913.

165. H. G. J. Moseley, Phil. Mag., 26, 1024, 1913, and 27, 703, 1914.

166. E. W. Morley and D. C. Miller, Phil. Mag., 9, 680, 1905.

17, 891, 1905.

168. E. B. Wilson and G. N. Lewis, Proc. Am. Acad., of Arts and Sci., 48, 389, 1912.

169. R. A. Millikan, Phys. Rev., 7, 355, 1916.

170. E. Rutherford, Phil. Mag., 21, 669, 1911.

171. N. Bohr, Phil. Mag., 26, 1, 1913 et seq.

XII СТОЛЕТИЕ ЗООЛОГИИ В АМЕРИКЕ

By WESLEY K. COE

Эта статья задумана как краткий обзор развития зоологии в Америке, и в ней не ставится задача дать общую историю этой науки. Существует множество описаний зоологической истории в целом на нескольких языках, среди которых можно выделить работу У. А. Лоси «Биология и ее создатели» (W. A. Locy, “Biology and its Makers”). Краткие очерки истории зоологии можно найти во многих учебниках по зоологии и биологии.

Историю американской зоологии см. в отчете Паккарда «Успехи американской зоологии за столетие» («A Century’s Progress in American Zoology», опубликован в журнале *American Naturalist*, 10, 591, 1876), в работе Паккарда «История зоологии» («History of Zoology», опубликована в 1-м томе издания *Standard Natural History*, стр. lxii – lxxii, 1885); в трудах Г. Б. Гуда «Истоки естественной истории в Америке» [172] и «Истоки американской науки» [173], а также в «Руководстве по обычным беспозвоночным животным» Х. С. Пратта (H. S. Pratt, *Manual of the Common Invertebrate Animals*, стр. 1–9, 1916). В книге Бини «Наземные дышащие воздухом моллюски Соединенных Штатов» (Binney, “Terrestrial Air-breathing Mollusks of the United States”, 1851) имеется глава о зарождении научной зоологии в Соединенных Штатах, в которой хорошо описано состояние зоологии в начале столетия, в то время как многочисленные монографии и статьи освещают историю исследований различных групп животных или специальных областей изучения.

Краткие биографические очерки о наиболее выдающихся наших старых естествоиспытателях — Уилсоне, Одюбоне, Агассисе, Уаймане, Грее, Дане, Бэрде, Марше, Копе, Гуде и Бруксе — приведены в издании «Ведущие американские деятели науки» («Leading American Men of Science») под редакцией Дэвида Старра Джордана (David Starr Jordan), 1910 год. Более подробные биографии были опубликованы отдельно, а деятельность ряда видных американских зоологов зафиксирована в «Биографических мемуарах Национальной академии наук» («Biographical Memoirs of the National Academy of Sciences»).

История развития зоологии в Америке естественным образом делится на четыре довольно четко очерченных периода, а именно: 1. Период описательной естественной истории (до 1847 года), охватывающий ранние исследования классификации и покровов (прим. или привычек/поведения) животных, характерные для зоологических работ до прибытия Луи Агассиса в Америку. 2. Период морфологии и эмбриологии (1847–1870 годы), в течение которого под влиянием Агассиса зоологические исследования были направлены на решение проблем родственных связей животных, определяемых по их строению и истории развития. 3. Период эволюции (1870–1890 годы), когда принцип естественного отбора получил всеобщее признание, а зоологические исследования в значительной степени были посвящены применению этой теории ко всем группам животных. 4. Период экспериментальной биологии (начиная с 1890 года), в ходе которого произошли замечательные успехи в нашем понимании природы организмов благодаря применению экспериментальных методов в различных ветвях современной науки биологии.

Американская зоология в 1818 году.

К началу столетия, которому посвящен этот том, накопленные биологические знания мира состояли главным образом из того, что в настоящее время называется описательной естественной историей. Зоологические трактаты того времени были посвящены названиям, отличительным признакам и поведению видов животных и растений, известных натуралистам Европы либо как местные виды, либо как результаты исследований в других частях света. Это требовало лишь поверхностного знания их общего анатомического строения.

Естествоиспытатели тех дней не имели представления о жизни внутри клетки, которая, как мы теперь знаем, образует основу всей жизнедеятельности животных и растений, и у них даже не было необходимых средств для изучения такой жизни. Составной микроскоп, столь необходимый для изучения даже крупнейших клеток тела, не был приспособлен для такого использования до 1835 года, хотя сам прибор был изобретен в XVII веке. С усовершенствованием микроскопа наступил период увлеченного изучения микроскопических организмов и микроскопических структур высших животных и растений. Лишь через двадцать лет после основания Журнала клеточная теория строения и функции всех организмов была установлена благодаря открытиям Шлейдена и Шванна.

Начало XIX века ознаменовалось высокой зоологической активностью в Европе и, в частности, во Франции. Недавно было завершено грандиозный труд Бюффона по естественной истории животных, Кювье всего за год до этого опубликовал свой классический труд по сравнительной анатомии «Царство животных» («Le Règne Animal»), а «Философия зоологии» Ламарка пробудила новый интерес к классификации и сравнительной анатомии с эволюционной точки зрения. Э. Жоффруа Сент-Илер в то же время поддерживал эволюционную теорию, основанную на эмбриональных влияниях, приводящих к внезапным модификациям взрослой структуры. Эти эпохальные открытия и теории завоевали значительное число сторонников во Франции, Германии и Англии, но, судя по всему, оказали незначительное влияние на зоологические работы последующего полувека в Америке.

Основание науки зоологии в ее современном понимании обычно приписывают Линнею в связи с публикацией современной системы классификации в десятом издании его «Системы природы» («Systema Naturæ») в 1758 году. Влияние Линнея пробудило интерес к биологическим исследованиям по всей Европе и стимулировало новые изыскания во всех группах организмов. Такие исследования, касающиеся животных, естественным образом следовали сначала по пути классификации и родства видов, то есть систематической зоологии, а затем постепенно привели к развитию различных отраслей этого предмета, таких как морфология, сравнительная анатомия, физиология и эмбриология, которые со временем были признаны практически независимыми науками.

Из этих наук систематическая зоология, под которой стали понимать классификацию, строение, родство, распространение и привычки (или естественную историю), является пионером в любом регионе. Таким образом, в нашей новой стране во время основания Журнала в 1818 году, всего через шестьдесят лет после публикации великого труда Линнея, зарождение американской зоологии приняло форму сбора и описания наших местных животных.

Верно, что многие из наших наиболее заметных и легко собираемых животных были описаны задолго до начала XIX века, однако это следует отнести главным образом к работе европейских естествоиспытателей, которые совершали экспедиции в эту страну с целью изучения и сбора материала. Затем эти коллекции вывозились в Европу, и результаты публиковались там. Так, в 12-м издании Линнея мы находим описания более 500 американских видов, примерно половина из которых — птицы. В качестве иллюстрации того, насколько полно некоторые из этих трудов охватывали предмет даже в те ранние дни, можно упомянуть монографию в двух томах кварто со множеством прекрасно раскрашенных таблиц «Естественная история редких чешуекрылых насекомых Джорджии» («Natural History of the rarer Lepidopterous Insects of Georgia»). Она была опубликована в Лондоне в 1797 году Дж. Э. Смитом по запискам и рисункам Джона Эббота, одного из самых проницательных натуралистов всех времен.

Однако в первые годы XIX века экономические условия в нашей стране сложились таким образом, что появилась возможность для научной мысли. Образованные люди объединялись в общества для обсуждения научных вопросов. Это естественным образом привело к созданию печатных изданий, благодаря которым доклады, представленные в обществах, могли публиковаться и становиться доступными для продвижения науки в целом. Наиболее влиятельным из них был журнал Филадельфийской академии естественных наук, основанный в 1817 году и посвященный главным образом зоологическим статьям. «Анналы Нью-Йоркского лицея естественной истории» ведут свое исчисление с 1823 года, а «Журнал Бостонского общества естественной истории» — с 1834 года. «Труды Американского философского общества в Филадельфии» и «Мемуары Американской академии искусств и наук в Бостоне» также публиковали множество зоологических статей.

В этих изданиях и в Журнале, основанном в 1818 году, появляются описания вновь открытых видов животных с наблюдениями за их повадками.

Число исследователей в этой области в первой четверти XIX века было невелико, и большинство из них были вынуждены уделять работе лишь то время, которое могли оторвать от своих различных занятий.

Постепенно число исследователей увеличивалось, пока примерно к середине столетия зоология не стала преподаваться во всех крупных колледжах. Благодаря этому наука превратилась в профессию.

В течение нескольких лет исследования оставались преимущественно систематического характера и охватывали все группы животных, но задолго до конца столетия внимание большинства непрерывно растущей группы зоологов переключилось на более перспективные направления исследований, и произошло развитие таких наук, как сравнительная анатомия, физиология, эмбриология, экспериментальная зоология, цитология, генетика и тому подобное, в то время как систематики стали специалистами в различных группах животных.

Но работа в области систематической зоологии остается незавершенной, и многие местные виды до сих пор не описаны или классифицированы несовершенно. Возможно, к счастью, что несколько преданных своему делу систематиков продолжают выполнять свои задачи и помогают уберечь экспериментаторов от бедствия, которое в противном случае могло бы возникнуть из-за путаницы с исследуемыми видами.

Период описательной естественной истории. — До 1847 года.

Из числа немногих американских естествоиспытателей, чьи труды были опубликованы в конце XVIII и начале XIX века, особого упоминания заслуживают имена Уильяма Бартрама (1739–1823), Бенджамина Бартона (1766–1815), Сэмюэла Митчилла (1764–1831), Уильяма Пека (1763–1822) и Томаса Джефферсона (1743–1826). Занимательный труд Бартрама, описывающий его путешествия по Каролинам, Джорджии и Флориде, опубликованный в 1793 году, содержит весьма интересный рассказ о птицах и других животных, обнаруженных им.