Математика, наука, технологии и инженерия викторианской эпохи

Математика, наука, технология и инженерное дело викторианской эпохи относится к развитию математики, науки, технологий и техники во время правления королевы Виктории .

Профессионализация науки

Картина Томаса Хосмера Шепарда с изображением Королевского института около 1838 года.

Основанный в 1799 году с заявленной целью «распространения знаний и облегчения общего внедрения полезных механических изобретений и усовершенствований; а также для обучения посредством курсов философских лекций и экспериментов применению науки для общих целей жизни». Королевский институт был настоящим научным учреждением с лабораториями, лекционным залом, библиотеками и офисами. В первые годы своего существования Учреждение занималось улучшением сельского хозяйства с использованием химии, что было вызвано торговыми ограничениями с Европой. Подобные практические проблемы продолжались в течение следующих двух столетий. Однако вскоре стало очевидно, что для продолжения деятельности Учреждения требуется дополнительное финансирование. Некоторые известные эксперты были наняты в качестве лекторов и исследователей. Самым успешным из них был сэр Хамфри Дэви , чьи лекции касались множества тем и были настолько популярны, что первоначальная практическая цель Института сошла на нет. В нем все больше доминировали исследования в области фундаментальной науки.

Профессионализация науки началась после Французской революции и вскоре распространилась на другие части континента, включая немецкие земли. Однако до Великобритании он добирался медленно. Магистр Тринити-колледжа Уильям Уэвелл ввёл термин «учёный» в 1833 году для описания новой профессиональной породы специалистов и экспертов, изучающих то, что всё ещё широко известно как натурфилософия . В 1840 году Уэвелл писал: «Нам очень нужно имя, чтобы описать деятеля науки в целом. Я склонен называть его учёным». Новый термин ознаменовал признание важности эмпиризма и индуктивного рассуждения. Но этот термин медленно приживался. Как отметил в 1852 году биолог Томас Хаксли , перспектива достойного заработка в качестве ученого оставалась маловероятной, несмотря на престиж профессии. Ученый мог «заслужить похвалу, но не пудинг», писал он. С момента своего создания Лондонское королевское общество представляло собой клуб джентльменов-любителей, хотя некоторые из них были лучшими в своих областях, например, Чарльз Дарвин и Джеймс Прескотт Джоуль. Но Общество реформировалось в 1830-х и 1840-х годах. К 1847 году туда допускалось только новое поколение профессионалов.

Викторианцы были впечатлены наукой и прогрессом и чувствовали, что могут улучшить общество так же, как они совершенствуют технологии. Великобритания была ведущим мировым центром передовой техники и технологий. Ее инжиниринговые фирмы пользовались спросом во всем мире в области проектирования и строительства железных дорог.

Легкость открытия и скорость прогресса

Неотъемлемой частью понимания научного прогресса является легкость научных открытий. Во многих случаях, от планетологии до биологии млекопитающих, легкость открытий, начиная с 1700-х и 1800-х годов, можно соотнести с экспоненциально затухающей кривой. Но темпы прогресса также зависят от других факторов, таких как количество исследователей, уровень финансирования и развитие технологий. Таким образом, количество новых видов млекопитающих, обнаруженных между концом 1700-х и концом 1800-х годов, росло в геометрической прогрессии, прежде чем стабилизироваться в 1900-х годах; общая форма известна как логистическая кривая . В других случаях ветвь обучения достигла точки насыщения. Например, последний крупный внутренний орган человека, паращитовидная железа , был открыт в 1880 году Иваром Виктором Сандстремом.

Это не означает, что фундаментальная наука подходит к концу. Несмотря на уныние многих учёных викторианской эпохи, которые считали, что всё, что осталось — это измерение величин с точностью до десятичного знака и что новые открытия не изменят современную научную парадигму, по мере того, как девятнадцатый век стал двадцатым, наука стала свидетелем поистине революционных открытий. такие как радиоактивность, и фундаментальная наука продолжала свое развитие, хотя ряд ученых двадцатого века разделяли тот же пессимизм, что и их коллеги поздней викторианской эпохи.

Математика и статистика

График смертности Соловья во время Крымской войны. Это были первые полярные круговые диаграммы .

В области статистики девятнадцатый век стал свидетелем значительных инноваций в визуализации данных. Уильям Плейфейр , создавший всевозможные диаграммы, оправдывал это так: «Человек, тщательно исследовавший напечатанную таблицу, обнаруживает, когда закончит, что у него есть лишь очень слабое и частичное представление о том, что он прочитал; и это похоже на фигура, отпечатанная на песке, вскоре полностью стирается и искажается». Например, на диаграмме, показывающей взаимосвязь между населением и государственными доходами некоторых европейских стран, он использовал площади кругов для обозначения географических размеров этих стран. На том же графике он использовал наклоны линий, чтобы указать налоговое бремя данного населения. Работая медсестрой во время Крымской войны, Флоренс Найтингейл нарисовала первые круговые диаграммы, представляющие ежемесячный уровень смертности в ходе конфликта, различая смертность от боевых ранений (внутренняя часть), смертность от инфекционных заболеваний (внешняя часть) и по другим причинам. (средняя часть). (См. рисунок.) Ее карты ясно показали, что большинство смертей вызвано болезнями, что заставило широкую общественность требовать улучшения санитарных условий в полевых госпиталях. Хотя гистограммы, представляющие частоты, были впервые использованы французом А. М. Герри в 1833 году, именно статистик Карл Пирсон, давший им название гистограммы . Пирсон использовал их в статье 1895 года, математически анализируя биологическую эволюцию. Одна из таких гистограмм показала, что лютики с большим количеством лепестков встречаются реже.

Нормальные распределения , выражаемые в виде $y=Ae^{-kx^{2}}$, возникло в различных работах по вероятности и теории ошибок. Бельгийский социолог и статистик Адольф Кетле обнаружил, что его чрезвычайно широкая применимость в его анализе огромного количества статистических данных о физических характеристиках человека, таких как рост и другие черты, такие как преступность и алкоголизм. Кетле вывел понятие «среднего человека» из своих исследований. Сэр Фрэнсис Гальтон использовал идеи Кетле в своих исследованиях по математической биологии. В своих экспериментах с душистым горошком в 1870-х годах Гальтон обнаружил, что распространение определенного признака не меняется из поколения в поколение. Он изобрел то, что назвал « квинкунсом », чтобы продемонстрировать, почему смеси нормальных распределений являются нормальными. Гальтон заметил, что средние значения определенного признака в потомском поколении отличаются от средних значений в родительском поколении, и это явление теперь известно как регрессия к среднему значению . Он обнаружил, что наклоны линий регрессии двух заданных переменных были одинаковыми, если два набора данных были масштабированы по единицам вероятной ошибки, и ввел понятие коэффициент корреляции , но отметил, что корреляция не предполагает причинно-следственной связи .

В конце девятнадцатого века британские статистики внедрили ряд методов, позволяющих соотносить статистические величины и делать выводы из них. Фрэнсис Эджворт разработал тест на статистическую значимость , который оценивал «колебания» — в два раза превышающие дисперсию в современном языке — по двум заданным средним значениям. Однако по современным меркам он был крайне консервативен, когда дело доходило до выводов о значимости наблюдения. Для Эджворта наблюдение было значимым, если оно находилось на уровне 0,005, что намного строже, чем обычно используемое сегодня требование от 0,05 до 0,01. Пирсон определил стандартное отклонение и ввел $\chi ^{2}$-статистика ( хи-квадрат ). Ученик Пирсона, Джордж Удни Юл , продемонстрировал, что можно вычислить уравнение регрессии заданного набора данных, используя метод наименьших квадратов .

В 1828 году Миллер и математик-самоучка Джордж Грин опубликовали «Очерк применения математического анализа к теориям электричества и магнетизма» , используя математику теории потенциала, разработанную континентальными математиками. Но эта статья осталась без внимания, пока Уильям Томсон не прочитал ее, не осознал ее значение и не переиздал в 1850 году. Работа Грина стала источником вдохновения для Кембриджской школы физиков-математиков, в которую входили сам Томсон, Джордж Габриэль Стоукс, и Джеймс Клерк Максвелл. Грина Эссе содержало то, что стало известно как теорема Грина , основной результат в векторном исчислении, тождества Грина и понятие функций Грина , которое появляется при изучении дифференциальных уравнений. Томсон продолжил доказательство теоремы Стокса , получившей это название после того, как Стоукс попросил студентов доказать ее на экзамене на премию Смита в 1854 году. Стоукс узнал ее от Томсона в письме в 1850 году. Теорема Стокса обобщает теорему Грина, которая сама по себе является теоремой Стокса. многомерная версия Фундаментальной теоремы исчисления . Исследования в области физики, в частности упругости, теплопроводности, гидродинамики и электромагнетизма, послужили стимулом для развития векторного исчисления в девятнадцатом веке.

Артуру Кэли приписывают создание теории матриц — прямоугольных массивов чисел — как объектов, отличных от определителей , изучаемой с середины восемнадцатого века. Термин «матрица» был придуман Джеймсом Джозефом Сильвестром , крупным автором теории детерминантов. Трудно переоценить значение теории матриц для современной теоретической физики. Питер Тейт пророчески написал, что Кэли «ковал оружие для будущих поколений физиков».

Теоретическая механика и оптика

Нерешенная задача по физике :

При каких условиях решения уравнений Навье–Стокса существуют и являются гладкими ? Это задача по математике, удостоенная премии тысячелетия .

(еще нерешенные задачи по физике)

Ранние исследования упругости — того, как объекты ведут себя под воздействием напряжений, давлений и нагрузок — использовали специальные гипотезы для решения конкретных проблем. Именно в девятнадцатом веке учёные начали разрабатывать основательную теорию. В 1821 году, используя аналогию с упругими телами, французский профессор механики Клод-Луи Навье пришел к основным уравнениям движения вязких жидкостей. Джордж Габриэль Стоукс повторно вывел их в 1845 году, используя механику сплошной среды, в статье под названием «О теориях внутреннего трения жидкостей в движении». В ней Стоукс стремился разработать математическое описание всех известных жидкостей, учитывающее вязкость , или внутреннее трение. Теперь они называются уравнениями Навье – Стокса .

В 1852 году Стоукс показал, что поляризацию света можно описать с помощью того, что сейчас известно как параметры Стокса . Параметры Стокса для данной волны можно рассматривать как вектор.

основанное в восемнадцатом веке, Вариационное исчисление, превратилось в популярный математический инструмент среди физиков. Таким образом, научные проблемы стали толчком к развитию темы. Уильям Роуэн Гамильтон выдвинул его в своем курсе по построению дедуктивной основы оптики ; затем он применил те же идеи к механике . Используя соответствующий вариационный принцип , можно вывести уравнения движения для данной механической или оптической системы. Вскоре ученые разработали вариационные принципы теории упругости, электромагнетизма и механики жидкости (а в будущем — теории относительности и квантовой теории). Хотя вариационные принципы не обязательно обеспечивали более простой способ решения проблем, они представляли интерес по философским или эстетическим причинам, хотя ученые того времени не были так мотивированы религией в своей работе, как их предшественники. Работа Гамильтона в области физики была большим достижением; он смог предоставить объединяющую математическую основу для распространения волн и движения частиц. В свете этого описания становится ясно, почему волновая и корпускулярная теории света одинаково могли объяснить явления отражения и преломления. Уравнения Гамильтона также оказались полезными при расчете орбит планет.

В 1845 году Джон Джеймс Уотерсон представил Королевскому обществу статью по кинетической теории газов , которая включала формулировку теоремы о равнораспределении и расчет отношения удельных теплоемкостей газов. Хотя статья была прочитана до того, как Общество и ее реферат были опубликованы, статья Уотерсона вызвала антипатию. В то время кинетическая теория газов считалась весьма спекулятивной, поскольку она основывалась на тогда еще не принятой атомной гипотезе. Но к середине 1850-х годов интерес возродился. В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл опубликовал серию статей на эту тему. В отличие от работ его предшественников, которые использовали только средние значения, статьи Максвелла носили чисто статистический характер. Он предположил, что скорости молекул в газе подчиняются определенному распределению. Хотя скорости группировались вокруг среднего значения, некоторые молекулы двигались быстрее или медленнее этого среднего значения. Он показал, что это распределение является функцией температуры, и математически описал различные свойства газов, такие как диффузия и вязкость. Он неожиданно предсказал, что вязкость газа не зависит от его плотности. Это было сразу же подтверждено серией экспериментов, которые Максвелл провел со своей женой Кэтрин. Однако экспериментальное подтверждение распределения Максвелла было получено лишь 60 лет спустя. Тем временем австриец Людвиг Больцман развил статистику Максвелла и доказал в 1872 году, используя « $H$-функция», что максвелловское распределение стабильно и любое немаксвелловское распределение превратится в него.

В своей «Динамике твердых тел » (1877) Эдвард Джон Раут отметил важность того, что он назвал «отсутствующими координатами», также известными как циклические координаты или игнорируемые координаты (следуя терминологии Э. Т. Уиттекера). Такие координаты связаны с сохраняющимися импульсами и поэтому полезны при решении проблем. Раут также разработал новый метод решения задач механики. Хотя процедура Рауса не добавляет никаких новых идей, она позволяет проводить более систематический и удобный анализ, особенно в задачах со многими степенями свободы и хотя бы с некоторыми циклическими координатами.

В 1899 году по запросу Британской ассоциации содействия развитию науки, полученному годом ранее, Эдмунд Тейлор Уиттакер представил свой отчет о ходе решения проблемы трех тел . В то время классическая механика в целом и задача трех тел в частности захватили воображение многих талантливых математиков, вклады которых Уиттакер изложил в своем «Докладе» . Позже Уиттакер включил этот отчет в свой учебник под названием «Аналитическая динамика частиц и твердых тел» (первое издание 1907 г.). Это помогло обеспечить научную основу для аэрокосмической промышленности в двадцатом веке. Несмотря на свой возраст, она продолжает издаваться и в начале двадцать первого века.

Термодинамика, тепловые двигатели и холодильники.

Уильям Томсон, посвященный в рыцари королевой Викторией в 1866 году и возведенный в ранг лорда Кельвина Ларгса в 1892 году, был одним из лучших физиков своего времени.

В 1830-х и 1840-х годах традиционная калорическая теория тепла начала терять популярность среди «динамических» альтернатив, которые постулировали, что тепло — это своего рода движение. Брюэр и ученый-любитель Джеймс Прескотт Джоуль был одним из сторонников последнего. Сложные эксперименты Джоуля, наиболее успешные из которых включали нагрев воды с помощью лопастных колес, в полной мере использовавшие его навыки пивовара в контроле температуры, убедительно продемонстрировали реальность «механического эквивалента тепла». То, что позже стало известно как «сохранение энергии», изучалось многими другими исследователями, подходившими к этой теме с самых разных специальностей, от медицины и физиологии до физики и техники. Другим заметным вкладчиком в это развитие стал немецкий исследователь Герман фон Гельмгольц , который дал по существу ньютоновское, то есть механическое, объяснение. Уильям Томсон (впоследствии лорд Кельвин) положительно воспринял работы Джоуля и Гельмгольца, считая их поддержкой зарождающейся «науки об энергии». В конце 1840-х — 1850-х годах Кельвин, его друг Уильям Джон Маккорн Рэнкин и немец Рудольф Клаузиус опубликовали постоянный поток статей, посвященных тепловым двигателям и абсолютной температурной шкале. Действительно, к этому времени уже стала очевидна коммерческая ценность новой науки; некоторые бизнесмены были вполне готовы предложить щедрую финансовую поддержку исследователям. Рэнкин уверенно говорил о новой науке термодинамике , термине, введенном Кельвином в 1854 году, фундаментальные принципы которого стали известны как Первый и Второй законы , а основными понятиями были «энергия» и «энтропия». Кельвина и Питера Гатри Тейтов ( «Трактат о естественной философии» 1867 г.) был попыткой переформулировать физику с точки зрения энергии. Здесь Кельвин и Тейт ввели термин «кинетическая энергия» (вместо «фактической»), который теперь используется в стандартном использовании. Фразу « потенциальная энергия» предложил Рэнкин.

С практической стороны уже давно признан эффект сохранения пищевых продуктов при низких температурах. В начале девятнадцатого века природный лед активно продавался, но его неизбежно не хватало, особенно в Австралии. В восемнадцатом и девятнадцатом веках существовал значительный коммерческий стимул для разработки еще более эффективных холодильников благодаря расширению сельского хозяйства в Америке, Австралии и Новой Зеландии и быстрой урбанизации в Западной Европе. Начиная с 1830-х годов, холодильники работали на расширении сжатого воздуха или испарении летучей жидкости; испарение стало основой всех современных конструкций холодильников. Доставка скоропортящихся продуктов питания, таких как мясо, на дальние расстояния процветала в конце 1800-х годов.

С теоретической точки зрения новые методы охлаждения также имели большую ценность. Из своей шкалы абсолютных температур лорд Кельвин вывел существование абсолютного нуля, происходящего при температуре -273,15 °C. Ученые начали пытаться достичь еще более низких температур и сжижать каждый газ, с которым они сталкивались. Это открыло путь к развитию физики низких температур и Третьего закона термодинамики .

Естественная история

Это исследование естественной истории было наиболее мощно развито Чарльзом Дарвином и его теорией эволюции, впервые опубликованной в его книге «Происхождение видов» в 1859 году.

Исследования в области геологии и эволюционной биологии естественным образом привели к вопросу о том, сколько лет Земле. Действительно, с середины 1700-х до середины 1800-х годов это было темой все более изощренных интеллектуальных дискуссий. С появлением термодинамики стало ясно, что Земля и Солнце должны иметь древний, но конечный возраст. Каким бы ни был источник энергии Солнца, он должен быть конечным, а поскольку он постоянно рассеивается, должен наступить день, когда у Солнца закончится энергия. Лорд Кельвин писал в 1852 году: «...в течение конечного периода времени в прошлом Земля должна была быть, а в течение конечного периода времени в будущем Земля должна снова стать непригодной для обитания человека в ее нынешнем виде, если только были или должны быть выполнены операции, которые невозможны по законам, которым подчиняются известные происходящие операции». В 1860-х годах Кельвин использовал математическую модель фон Гельмгольца, предполагающую, что энергия Солнца высвобождается в результате гравитационного коллапса, чтобы рассчитать возраст Солнца от 50 до 500 миллионов лет. Он достиг сопоставимых цифр для Земли. Недостающим ингредиентом здесь была радиоактивность, которая не была известна науке до конца девятнадцатого века.

Электричество, магнетизм и электрификация

Майкл Фарадей читает рождественскую лекцию в Королевском институте

После того, как датчанин Ганс Кристиан Эрстед продемонстрировал, что можно отклонить магнитную стрелку, замыкая или размыкая находящуюся поблизости электрическую цепь, был опубликован поток статей, пытающихся объяснить это явление. Майкл Фарадей поставил перед собой задачу выяснить путем экспериментов природу электричества и магнетизма. При этом он изобрел то, что можно было бы назвать первым электродвигателем (хотя он и не похож на современный), трансформатор (теперь используемый для повышения напряжения и понижения тока или наоборот) и динамо-машину ( который содержит основы всех электрических турбогенераторов). Практическая ценность исследований Фарадея в области электричества и магнетизма была поистине революционной. Динамо-машина преобразует механическую энергию в электрический ток, а двигатель делает обратное. Первые в мире электростанции вступили в строй в 1883 году, а уже в следующем году люди осознали возможность использования электричества для питания разнообразной бытовой техники. Изобретатели и инженеры вскоре бросились разрабатывать такие изделия, начиная с доступных и долговечных ламп накаливания, возможно, самого важного из первых применений электричества.

Будучи ведущим специалистом по электричеству и магнетизму того времени, лорд Кельвин руководил прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля, которая увенчалась успехом в 1866 году. Опираясь на работы своих предшественников, особенно на экспериментальные исследования Майкла Фарадея, аналогию с тепловым потоком лорда Кельвина и математический анализ Джорджа Грина, Джеймс Клерк Максвелл синтезировал все, что было известно об электричестве и магнетизме, в единую математическую систему. , уравнения Максвелла . Максвелл использовал свои уравнения, чтобы предсказать существование электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света. Другими словами, свет — это всего лишь один из видов электромагнитных волн. Теория Максвелла предсказывала, что должны быть другие типы с другой частотой. После нескольких остроумных экспериментов предсказание Максвелла было подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем . В ходе этого процесса Герц генерировал и обнаруживал то, что сейчас называется радиоволнами, и построил грубые радиоантенны и предшественники спутниковых тарелок. Голландский физик Хендрик Лоренц вывел, используя подходящие граничные условия, уравнения Френеля для отражения и пропускания света в различных средах на основе уравнений Максвелла. Он также показал, что теории Максвелла удалось пролить свет на явление дисперсии света там, где другие модели потерпели неудачу. Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей) и американец Джозайя Уиллард Гиббс затем доказали, что оптические уравнения, выведенные из теории Максвелла, являются единственным самосогласованным описанием отражения, преломления и дисперсии света, согласующимся с экспериментальными результатами. Таким образом, оптика нашла новую основу в электромагнетизме.

Но именно Оливер Хевисайд , ярый сторонник электромагнитной теории Максвелла, заслуживает наибольшей заслуги за то, что он сформировал то, как люди понимали и применяли работу Максвелла на десятилетия вперед. Первоначально Максвелл записал в общей сложности 20 уравнений электромагнитного поля, которые позже сократил до восьми. Хевисайд переписал их в общепринятой сегодня форме, всего в четырех выражениях. Кроме того, Хевисайду принадлежит значительный прогресс в области электрической телеграфии, телефонии и исследования распространения электромагнитных волн. Независимо от Гиббса, Хевисайд собрал набор математических инструментов, известных как векторное исчисление , для замены кватернионов , которые были в моде в то время, но которые Хевисайд отверг как «антифизические и неестественные».

Фарадей также исследовал, как электрические токи влияют на химические растворы. Его эксперименты привели его к двум законам электрохимии . Вместе с Уэвеллом Фарадей ввел основной словарный запас по этому предмету: слова электрод , анод , катод , электролиз , электролит , ион , анион и катион . Они остаются в стандартном использовании. Но работа Фарадея имела ценность не только для химиков. В своей лекции памяти Фарадея в 1881 году немец Герман фон Гельмгольц утверждал, что законы электрохимии Фарадея намекают на атомную структуру материи. Если бы химические элементы отличались друг от друга простыми соотношениями масс и если бы одни и те же количества электричества откладывали количества этих элементов на полюсах в соотношениях, то электричество также должно было бы появиться в виде дискретных единиц, позже названных электронами.

В конце XIX века природа энергии, излучаемой при разряде между высоковольтными электродами внутри вакуумной трубки — катодных лучей — привлекла внимание многих физиков. В то время как немцы считали катодные лучи волнами, британцы и французы полагали, что это частицы. Работая в Кавендишской лаборатории , основанной Максвеллом, Дж. Дж. Томсон руководил специальным экспериментом, демонстрирующим, что катодные лучи на самом деле представляют собой отрицательно заряженные частицы, теперь называемые электронами. Эксперимент позволил Томпсону вычислить соотношение между величиной заряда и массой частицы ( $q/m$). Кроме того, поскольку соотношение было одинаковым независимо от используемого металла, Томпсон пришел к выводу, что электроны должны быть составной частью всех атомов. Хотя атомы каждого химического элемента имеют разное количество электронов, все электроны одинаковы.

Информатика и логика

Вдохновленный исследованиями в области абстрактной алгебры Джорджа Пикока и Огастеса де Моргана , Джордж Буль опубликовал книгу под названием «Исследование законов мышления» (1854), в которой он перенес изучение логики из философии и метафизики в математику. Его заявленная цель состояла в том, чтобы «исследовать фундаментальные законы тех операций разума, с помощью которых осуществляется рассуждение; выразить их на символическом языке исчисления и на этой основе основать логическую науку и построить ее методы. " , как она известна поначалу, игнорировалась Булева алгебра , но в следующем столетии она стала центральной в разработке схем и компьютеров.

Желание создавать вычислительные машины не ново. Фактически, это можно проследить вплоть до эллинистической цивилизации. Хотя люди изобретали такие машины на протяжении веков, математики продолжали выполнять вычисления вручную, поскольку машины не давали большого преимущества в скорости. Для сложных вычислений они использовали таблицы, особенно логарифмических и тригонометрических функций, которые вычислялись вручную. Но прямо в разгар промышленной революции в Англии Чарльз Бэббидж задумал использовать важнейший паровой двигатель для питания механического компьютера — разностной машины. К сожалению, хотя Бэббиджу удалось получить государственные средства на строительство машины, правительство впоследствии потеряло интерес, и Бэббидж столкнулся со значительными трудностями при разработке необходимых компонентов машины. Он отказался от этого проекта, чтобы заняться новым — своей аналитической машиной. К 1838 году он разработал базовую конструкцию. Как и современный компьютер, он состоял из двух основных частей: одна хранила числа, подлежащие обработке (хранилище), а другая выполняла операции (мельница). Бэббидж перенял концепцию перфокарт у французского инженера Жозефа Жаккара, который использовал ее для автоматизации текстильной промышленности во Франции, чтобы контролировать работу своей аналитической машины. К сожалению, ему снова не хватило финансовых ресурсов для его строительства, и поэтому он остался теоретической конструкцией. Но он оставил после себя подробные записи и инженерные чертежи, из которых современные эксперты делают вывод, что технологии того времени были достаточно развиты, чтобы построить его, даже если у него никогда не было на это достаточно денег.

В 1840 году Бэббидж отправился в Турин, чтобы прочитать итальянским ученым лекции о своей работе по созданию аналитической машины. Ада Лавлейс перевела заметки, опубликованные одним из участников, на английский язык и подробно их аннотировала. Она написала самую первую компьютерную программу, в ее случае программу для вычисления чисел Бернулли . Она использовала то, что современные программисты называют циклами и этапами принятия решений, и представила подробную диаграмму, возможно, первую блок-схему , когда-либо созданную.

Она отметила, что вычислительная машина может выполнять не только арифметические операции, но и символические манипуляции. Об ограничениях и последствиях использования компьютера она писала:

...Аналитическая машина не претендует на создание чего-либо. Он может делать все, что мы знаем, как приказать ему выполнить. Оно может следовать за анализом; но он не имеет силы предвидеть какие-либо аналитические отношения или истины. Его задача — помочь нам сделать доступным то, с чем мы уже знакомы... Но оно, вероятно, окажет косвенное и взаимное влияние на саму науку иным образом. Ибо при таком распределении и комбинировании истин и формул анализа, что они могут стать наиболее легко и быстро поддающимися механическим комбинациям машины, отношения и природа многих предметов в этой науке неизбежно высвечиваются в новом свете. и более глубоко исследованы... Однако с точки зрения общих принципов совершенно очевидно, что при разработке для математических истин новой формы, в которой они могут записывать и выбрасывать себя для фактического использования, вероятно, будут вызваны взгляды, которые должны снова отреагировать на более теоретическая фаза предмета.

Связь и транспорт

Паровые корабли

SS Great Britain теперь является кораблем-музеем в Бристоле.

Пароходы были одним из ключей к процветанию Великобритании в девятнадцатом веке. Эта технология, появившаяся еще до викторианской эпохи, имела долгую и богатую историю. Начиная с конца 1700-х годов люди начали строить пароходы с постоянно увеличивающимися размерами, дальностью действия и скоростью, чтобы сначала пересечь Ла-Манш, а затем Атлантику и, наконец, достичь таких далеких мест, как Индия и Австралия, без необходимости дозаправиться в середине пути. Международная торговля и путешествия увеличили спрос, и среди судоходных компаний возникла острая конкуренция. Пароходы, такие как SS Great Britain и SS Great Western, сделали международные путешествия более распространенными, но также способствовали развитию торговли, так что в Британию в страну импортировались не только предметы роскоши прежних времен, но и предметы первой необходимости и сырье, такое как кукуруза. хлопок из США, мясо и шерсть из Австралии.

длиной 693 фута, шириной 120 футов и весом более 18 900 тонн SS Great Eastern был самым большим кораблем, построенным в то время, способным перевезти 4000 пассажиров из Великобритании в Австралию без необходимости дозаправки по пути. Даже когда в 1888 году его наконец разобрали на металлолом, он все еще оставался самым большим кораблем в мире. Ее рекорд не был побит вплоть до эдвардианской эпохи с суперлайнерами, такими как « Лузитания» в 1907 году и «Титаник» в 1912 году. Тем не менее, несмотря на выдающийся инженерный подвиг, « Грейт Истерн» все больше и больше становился белым слоном по мере того, как появлялись меньшие и быстрые корабли. больший спрос. Тем не менее, она обрела новую жизнь, когда ей было поручено прокладывать телеграфные кабели через Атлантику, а затем в Индию. Ее размер и радиус действия сделали ее идеально подходящей для этой задачи.

Британское правительство давно осознало, что национальное процветание зависит от торговли. По этой причине он задействовал Королевский флот для защиты морских торговых путей и профинансировал строительство множества пароходов.

Телеграфия, телефония, беспроводная связь и фотография

• 
  Королевская почта Лаут-Лондон, путешествующая на поезде из Восточного Питерборо, Нортгемптоншир (1845 г.), автор Джеймс Поллард.
• 
  Британской империи Подводная телеграфная сеть в конечном итоге соединила все ее основные владения.

Хотя идея передачи сообщений с помощью электрических сигналов возникла еще в восемнадцатом веке, только в 1820-х годах достижения в изучении электричества и магнетизма сделали ее практической реальностью. В 1837 году Уильям Фотергилл Кук и Чарльз Уитстон изобрели телеграфную систему, которая использовала электрические токи для отклонения магнитных стрелок, передавая таким образом закодированные сообщения. Вскоре этот дизайн распространился по всей Британии, появляясь в каждом городе и почтовом отделении. К середине 1800-х годов телеграфный кабель был проложен через Ла-Манш, Ирландское и Северное моря. В 1866 году пароходство « Грейт Истерн» успешно проложило трансатлантический телеграфный кабель . К концу века глобальная сеть начала бурно развиваться.

В 1876 году Александр Грэм Белл запатентовал телефон . Как и телеграф, телефон обеспечивал быстрое личное общение. Чуть более десяти лет спустя в Великобритании работало 26 000 телефонов (и 150 000 в Америке). В каждом крупном городе было установлено множество распределительных щитов.

Экспериментальные работы Герца в области электромагнетизма стимулировали интерес к возможности беспроводной связи, которая не требовала длинных и дорогих кабелей и была быстрее даже телеграфа. Не получив особой поддержки в своей родной Италии, Гульельмо Маркони переехал в Англию и в 1890-х годах адаптировал для этой цели оборудование Hertz. Он осуществил первую международную беспроводную связь между Англией и Францией в 1900 году, а в следующем году ему удалось отправить сообщения азбукой Морзе через Атлантику. Видя ее ценность, судоходная отрасль сразу же приняла эту технологию на вооружение. Радиовещание стало чрезвычайно популярным в двадцатом веке и продолжает широко использоваться в начале двадцать первого. Фактически, глобальная коммуникационная сеть XXI века уходит корнями в викторианскую эпоху.

Фотография была реализована в 1839 году Луи Дагером во Франции и Уильямом Фоксом Талботом в Великобритании. К 1889 году стали доступны ручные фотоаппараты.

Еще одним важным нововведением в сфере коммуникаций стал « Черный пенни» , первая почтовая марка, которая стандартизировала почтовые расходы по фиксированной цене независимо от расстояния отправки.

железные дороги

Брюнеля Клифтонский подвесной мост в Бристоле

Железные дороги кардинально изменили коммуникации и общество.

Пересечение Лаганского канала по Ольстерской железной дороге недалеко от Мойры , Северная Ирландия , наследие викторианской эпохи.

железнодорожного Изображение Фритом вокзала Паддингтон в Лондоне.

Строительство столичной железной дороги (1861 г.)

Центральным событием викторианской эпохи стало развитие железнодорожного транспорта. Новые железные дороги позволяли перемещать товары, сырье и людей, что быстро облегчило торговлю и промышленность. Финансирование железных дорог стало важной специальностью лондонских финансистов. Они сохранили долю собственности, даже передав управление местным жителям; эта собственность была в значительной степени ликвидирована в 1914–1916 годах для оплаты мировой войны. Железные дороги возникли в Англии, поскольку промышленники уже обнаружили потребность в недорогом транспорте для перевозки угля для новых паровых машин, поставки деталей на специализированные заводы и доставки продукции на рынок. Существующая система каналов была недорогой, но слишком медленной и слишком ограниченной по географии. Железнодорожная система привела к реорганизации общества в целом: «железнодорожное время» стало стандартом, по которому устанавливались часы по всей Великобритании; сложная железнодорожная система, задающая стандарты технологических достижений и эффективности.

Инженеры и бизнесмены, необходимые для создания и финансирования железнодорожной системы, были доступны; они знали, как изобретать, строить и финансировать большую сложную систему. Первая четверть XIX века была отмечена многочисленными экспериментами с локомотивами и железнодорожной техникой. К 1825 году железные дороги были коммерчески осуществимы, как продемонстрировал Джордж Стефенсон (1791–1848), когда он построил Стоктон и Дарлингтон . В свой первый рейс его локомотив протащил 38 грузовых и пассажирских вагонов со скоростью до 12 миль в час. Стивенсон спроектировал еще множество железных дорог и наиболее известен благодаря стандартизации конструкций, таких как « стандартная колея » расстояния между рельсами - 4 фута 8 дюймов. 1 ⁄ . дюйма

Томас Брасси (1805–1870 гг.) был еще более известным человеком, управляя строительными бригадами, численность которых в какой-то момент в 1840-х годах насчитывала 75 000 человек по всей Европе, Британской империи и Латинской Америке. Брасси пригласил тысячи британских инженеров и механиков по всему миру для строительства новых линий. Они изобрели и усовершенствовали тысячи механических устройств и развили гражданское строительство для строительства дорог, туннелей и мостов. Британия имела превосходную финансовую систему, базирующуюся в Лондоне, которая финансировала как железные дороги в Великобритании, так и во многих других частях мира, включая Соединенные Штаты, вплоть до 1914 года. линии по прогнозируемой стоимости в 200 миллионов фунтов стерлингов, что примерно соответствовало годовому валовому внутреннему продукту (ВВП) страны на тот момент. Для новой железной дороги требовался устав, получение которого от парламента обычно стоило более 200 000 фунтов стерлингов (около 1 миллиона долларов), но оппозиция могла эффективно воспрепятствовать его строительству. Компании, работающие на каналах, не имея возможности или не желая модернизировать свои мощности, чтобы конкурировать с железными дорогами, использовали политическую власть, чтобы попытаться остановить их. Железные дороги в ответ купили около четверти системы каналов, отчасти для того, чтобы получить право проезда, а отчасти для того, чтобы подкупить критиков. После получения хартии государственное регулирование было незначительным, поскольку принцип невмешательства и частная собственность стали общепринятой практикой.

Различные линии обычно имели эксклюзивную территорию, но, учитывая компактные размеры Британии, это означало, что несколько конкурирующих линий могли обеспечивать сообщение между крупными городами. Джордж Хадсон (1800–1871) стал «железнодорожным королем» Великобритании. Он объединил различные независимые линии и в 1842 году основал «Информационную палату», которая рационализировала межсоединения, установив единую документацию и стандартные методы перевозки пассажиров и грузов между линиями, а также тарифы, когда одна система использовала грузовые вагоны, принадлежащие другой. К 1850 году тарифы на уголь упали до пенни за тонну-милю при скорости до пятидесяти миль в час. Британия теперь имела модель мира в виде хорошо интегрированной, хорошо спроектированной системы, которая позволяла быстро и дешево перемещать грузы и людей и которую можно было воспроизвести в других крупных странах.

На железных дорогах прямо или косвенно работали десятки тысяч инженеров, механиков, ремонтников и техников, а также статистиков и специалистов по финансовому планированию. Они разработали новые, более эффективные и менее дорогие методы. Самое главное, они создали представление о том, как технологии могут использоваться в самых разных формах бизнеса. Железные дороги оказали большое влияние на индустриализацию. Снижая транспортные расходы, они сократили затраты для всех отраслей, перемещающих материалы и готовую продукцию, а также увеличили спрос на производство всех ресурсов, необходимых для самой железнодорожной системы. К 1880 году насчитывалось 13 500 локомотивов, каждый из которых перевозил 97 800 пассажиров в год или 31 500 тонн груза.

Член парламента и адвокат лондонского Сити Чарльз Пирсон выступал за строительство подземной железной дороги в Лондоне. Части первой такой железной дороги, Metropolitan Line , открылись для публики в 1863 году, став первой линией метро в мире. Первоначально поезда были паровыми, но в 1890 году в эксплуатацию поступили первые электропоезда. В том же году вся система стала официально называться «Труба» по форме железнодорожных туннелей. (Только в 1908 году было введено название « Лондонское метро» .)

Индия представляет собой пример того, как лондонские финансисты вкладывают деньги и опыт в очень хорошо построенную систему, созданную по военным причинам (после мятежа 1857 года) и в надежде, что она будет стимулировать промышленность. Система была перестроена, слишком сложна и дорога для небольшого объема грузовых перевозок, которые она осуществляла. Тем не менее, это захватило воображение индийцев, которые считали свои железные дороги символом индустриальной современности, но это было реализовано лишь столетие спустя.

Общественная безопасность, здравоохранение и медицина

сеть Газовая была введена в 1880 - для освещения и отопления х годах. Образцовый город Салтер был основан, как и другие, как спланированная среда с хорошей санитарией и множеством гражданских, образовательных и развлекательных объектов, хотя в нем не было паба , который считался средоточием инакомыслия. Хотя газовое освещение было первоначально разработано в первые годы 19 века, оно получило широкое распространение в викторианскую эпоху в промышленности, домах, общественных зданиях и на улицах . Изобретение накаливания газовой лампы в 1890-х годах значительно улучшило светоотдачу и обеспечило ее выживание вплоть до 1960-х годов. сотни газовых заводов В городах и поселках по всей стране были построены накаливания электрические лампы . В 1882 году на улицах Лондона появились , хотя прошло много лет, прежде чем они были установлены повсюду.

Медицина прогрессировала во время правления королевы Виктории. Фактически, медицина в начале девятнадцатого века мало чем отличалась от медицины средневековья, тогда как к концу века она стала намного ближе к практике XXI века благодаря достижениям науки, особенно микробиологии, проложившей путь к Путь к микробной теории болезней . Это было в разгар промышленной революции, и урбанизация происходила бешеными темпами. По мере роста плотности населения городов эпидемии холеры, оспы , туберкулеза и тифа стали обычным явлением.

Изучив предыдущие вспышки, врач Джон Сноу пришел к выводу, что холера передается через воду. Когда разразилась война 1854 года, Сноу нанес на карту расположение случаев заболевания в Сохо, Лондон, и обнаружил, что они сосредоточены вокруг колодца, который он считал зараженным. Он попросил снять ручку насоса, после чего эпидемия утихла. Сноу также обнаружил, что домохозяйства, чье водоснабжение осуществлялось компаниями, использовавшими Темзу ниже по течению, после того как в реку утекло много сточных вод, в четырнадцать раз чаще умирали от холеры. Поэтому он рекомендовал кипятить воду перед использованием.

Санитарные реформы, инициированные Законами об общественном здравоохранении 1848 и 1869 годов, проводились на многолюдных, грязных улицах существующих городов, а мыло было основным продуктом, представленным в относительно новом явлении рекламы. Великим инженерным достижением викторианской эпохи стала канализационная система в Лондоне . Он был спроектирован Жозефом Базальгеттом в 1858 году. Он предложил построить канализационную систему протяженностью 82 мили (132 км), соединенную с более чем 1000 миль (1600 км) уличной канализации. Возникло много проблем, но канализация была завершена. После этого Базальгетт спроектировал набережную Темзы , на которой располагались канализация, водопровод и лондонское метро. В тот же период сеть водоснабжения Лондона была расширена и улучшена.

Джон Саймон , будучи главным врачом Главного управления здравоохранения, выделил средства на исследования различных распространенных в то время инфекционных заболеваний, включая холеру, дифтерию , оспа и тиф . Используя свое политическое влияние, он заручился поддержкой Закона об общественном здравоохранении 1875 года , который сосредоточил внимание на профилактических мерах в жилищном строительстве, водоснабжении, канализации и дренаже, обеспечив Великобритании обширную систему общественного здравоохранения.

Джозеф Томас Кловер демонстрирует прибор «Хлороформ», который он изобрел в 1862 году.

К середине столетия стетоскоп стал часто используемым устройством, а конструкции микроскопа стали достаточно продвинутыми, чтобы ученые могли внимательно изучать патогены. Новаторская работа французского микробиолога Луи Пастера 1850-х годов заслужила широкое признание микробной теории болезней. Это привело к введению 1867 году антисептика в Джозефом Листером в форме карболовой кислоты ( фенола ). Он поручил персоналу больницы носить перчатки и мыть руки, инструменты и повязки раствором фенола, а в 1869 году изобрел машину, которая распыляла карболовую кислоту в операционной во время операции. В результате смертность от инфекций заметно снизилась.

По мере расширения Британской империи британцы столкнулись с новым климатом и инфекциями; шли активные исследования тропических болезней. В 1898 году Рональд Росс доказал, что комары ответственны за распространение малярии .

Хотя закись азота , или веселящий газ, была предложена в качестве анестетика еще в 1799 году Хамфри Дэви , только в 1846 году, когда американский дантист по имени Уильям Мортон начал использовать эфир для своих пациентов, анестетики стали обычным явлением в медицинской профессии. В 1847 году хлороформ был введен в качестве анестетика Джеймсом Янгом Симпсоном . Врачи и персонал больницы предпочитали хлороформ, поскольку он гораздо менее огнеопасен, чем эфир, но критики жаловались, что он может вызвать у пациента сердечный приступ. Хлороформ приобрел популярность в Англии и Германии после того, как Джон Сноу подарил хлороформ королеве Виктории при рождении ее восьмого ребенка (принца Леопольда). К 1920 году хлороформ использовался в 80–95% всех наркозов, проводимых в Великобритании и немецкоязычных странах. Сочетание антисептиков и анестетиков помогло хирургам более осторожно и комфортно оперировать своих пациентов.

Анестетики сделали возможным безболезненное лечение зубов . В то же время потребление сахара в рационе британцев возросло, что значительно увеличило случаи кариеса . В результате все больше и больше людей удаляли зубы и нуждались в зубных протезах . Это привело к появлению «зубов Ватерлоо», которые представляли собой настоящие человеческие зубы, вставленные в вырезанные вручную куски слоновой кости из челюстей бегемота или моржа. Зубы добывались у казненных преступников, жертв сражений, у расхитителей могил и даже покупались непосредственно у отчаянно обедневших людей.

Рост заболеваемости кариесом также привел к появлению в 1892 году первой заметной рекомендации по использованию фторида в качестве питательного вещества, особенно во время беременности и в детстве.

Весть об открытии рентгеновских лучей в 1895 году распространилась со скоростью лесного пожара. Его медицинская ценность была осознана сразу, и уже через год врачи стали назначать рентген для диагностики, в частности для обнаружения переломов костей и инородных предметов внутри тела пациента. Радиоактивность была открыта в 1896 году и позже использовалась для лечения рака.

Во второй половине девятнадцатого века британские врачи стали более специализироваться, следуя по стопам своих немецких коллег, и было построено больше больниц. Хирурги начали носить халаты в операционных, а врачи - белые халаты и стетоскопы - зрелище, обычное в начале двадцать первого века.

Однако, несмотря на все вышеупомянутые достижения медицины, уровень смертности снизился лишь незначительно: с 20,8 на тысячу в 1850 году до 18,2 к концу века. Урбанизация способствовала распространению болезней, а ужасные условия жизни во многих местах усугубили проблему. Более того, в то время как одни болезни, например, холера, вытеснялись, другие, например, заболевания, передающиеся половым путем , давали о себе знать.