Джеймс Джоуль и другие

К ИСТОРИИ РАЗМЫШЛЕНИЙ О ДВИЖУЩЕЙ СИЛЕ ОГНЯ

Греческий ум почти исчерпал все мыслимые теории для объяснения вселенной, так что наши современные гипотезы можно признать непосредственным продолжением неудавшихся попыток древних.

Ф. Розенбергер, 1882.


Среди знаменательных дат этого месяца — 24 декабря: в этот день 200 лет назад родился физик-экспериментатор, потомственный пивовар Джеймс Джоуль. Это имя знакомо нам со школы: единица измерения энергии, закон Джоуля-Ленца, механический эквивалент теплоты; со страниц учебников физики на нас смотрел умудрённый опытом классик науки, человек в летах. А ведь когда он измерял механический эквивалент теплоты, ему не было ещё и тридцати лет.


НАСЛЕДИЕ АНТИЧНОСТИ

Круг идей, которыми до сих пор вдохновляются физики, очертили ещё греческие философы. А вот до механической природы тепла они не догадались. Видимо, для них, жителей Средиземноморья, тепло было столь привычным, что у них даже не возникал вопрос о его природе. Так, Демокрит, объявивший, что всё есть атомы и пустота, а остальное рождается в наших ощущениях, ощущение тепла объяснял воздействием атомов круглой формы. А для Аристотеля, отрицавшего и атомы, и пустоту, носителем тепла был огонь, сочетавший в себе качества сухого и тёплого, в то время как воздух сочетал тёплое и влажное; в наших широтах подобная мысль вряд ли пришла бы ему в голову.

В XVII веке тепло рассматривали как самостоятельную субстанцию подобную античным началам или стихиям; всё оставалось на уровне поэзии — другой ветви познания, как сказал бы Дмитрий Иванович Блохинцев.

ФЛОГИСТОН

В XVII веке между науками пролегли первые, ещё нечёткие, границы. Химиков в процессе горения интересовало превращение веществ, физиков — выделение тепла. 

Первыми решили свою задачу химики. Георг Шталь, химик и врач, обратил внимание на роль угля в выплавке металлов и пришёл к мысли, что металлы состоят из извести и огненной материи, которую он назвал флогистон. Это тонкая материя, без цвета и запаха, а возможно, и без веса, истекала из тела во процессе горения и оставляла после себя пепел. Флогистон выделяется при обжиге, а древесный уголь возвращает извести природу металла. Можно по-разному относиться к подобным рассуждениям, но с этого начиналась научная металлургия. Из тех же принципов Шталь объяснил и процессы дыхания, брожения и, простите, гниения.

ТЕПЛОРОД

А вот изучение тепловых процессов задержалось лет ещё на пятьдесят — как считается, из-за трудностей с количественным подходом. Первые термометры появились в начале XVII века, но были они очень несовершенны, проградуированы в разных шкалах, а самое главное, даже их изобретатели не могли сказать, что же измеряют их приборы, ограничиваясь расплывчатым словом “тепло”. Под этим словом подразумевали то температуру, то количество теплоты, и только во второй половине XVIII века эти два понятия были решительно разнесены.

XVII века, которым датируют рождение современной науки, стал для античного учения об атомах и пустоте эпохой Возрождения. Первой была открыта пустота. Осторожные мыслители называли её торричеллевой, а Декарт, стоявший ещё одной ногой в Аристотеле, прямо говорил, что никакая это не пустота, а небесный эфир, который заполняет собой всё, а атомы, хотя и крепки, но всё-таки делимы; что, собственно, и подтвердилось в XX веке.

 Пьер Гассенди, больше остальных сделавший для возрождения учение об атомах и пустоте, наряду с атомами тепла ввёл атомы холода, имевшие у него форму правильных и неправильных тетраэдров. А Декарт, ещё одной ногой стоявший в Аристотеле и не терпевший холода, оставил только атомы тепла, корпускулы шарообразной формы, причиной же ожогов считал заострённые атомы огня.

Детально проработанной теории не было, признавались некие общие положения, а дальше строились версии. Одни отождествляли тепловую материю с флогистоном, другие воздерживались от определённых высказываний, для одних она имела атомарную структуру, другие воздерживались и от этого. Как пишет Томас Кун в “Структуре научных революций”, по мере того как открывались новые факты требующие объяснения, множились и версии, и и продолжалось это до тех пор, пока число версий не сравнялось с числом исследователей.

ПРОЩАНИЕ С ФЛОГИСТОНОМ

А с флогистоном дело обстояло так. Его пытались выделить Ломоносов, Шееле, Пристли — безрезультатно, но и не без пользы для науки, поскольку в ходе этих попыток Генри Кавендиш открыл «горючий воздух», который мы сейчас называем водородом, а Шееле считал, что это и есть флогистон. Флогистон продержался в химии около ста лет и был изгнан оттуда в 1783 году Лавуазье, автором кислородной теории горения, за что и был удостоен в том же году символической казни в Берлине как еретик немецкой науки — через сожжение его чучела.

Но почему соединение с кислородом сопровождается выделением тепла Лавуазье объяснить не мог и вынужден был признать, что какая-то тонкая материя, ещё более тонкая, чем флогистон, всё-таки существует — и назвал её теплородом; в таблице простых веществ у него первыми стояли атомы тепла и света.

ПРОЩАНИЕ С ТЕПЛОРОДОМ

Что касается теплорода, то прощание с ним растянулось ещё почти на 50 лет. Первый удар по нему был нанесён со стороны. Бенджамин Томпсон, граф Румфорд, авантюрист и государственный деятель, а по совместительству английский шпион при баварском дворе, человек без систематического образования, но с острым умом, в 1798 году продемонстрировал, как вода закипает при сверлении пушечных стволов. Годом позже Хэмфри Дэви (у которого работал ассистентом в годы своего ученичества Фарадей) расплавил куски льда трением в отсутствии подвода гипотетического теплорода извне.

Для Румфорда ответ природы был ясен, и он вернулся к своим государственным, шпионским и личным делам и между прочим женился на вдове Лавуазье, чтобы через несколько лет, после развода, сказать: «Как Лавуазье повезло с гильотиной!»

А Дэви, которому исполнился 21 год, ещё предстояло открыть веселящий газ, доказать, что хлор — это простое вещество, а не соединение, выделить в чистом виде бор, методом электролиза (только что был изобретён вольтов столб) получить 5 новых химических элементов и сделать много ещё всего, чтобы в конце жизни признать, что главным его достижением было то, что он открыл Фарадея.

Казалось бы, ещё шаг — и вот он, закон сохранения энергии (правда, в урезанном виде, без электромагнетизма). Но никто из физиков этот шаг не сделал. Никто не занялся измерением механического эквивалента теплоты. Как ни трудно доказать существование субстанции не имеющей ни цвета, ни вкуса, ни запаха, ни даже веса, оказалось, ещё труднее доказать, что её нет.

Физиков устраивал теплород. Дальтон, например, представлял себе атомы в виде упругих шариков, окутанных теплородом, которые и придавал им упругость; обрастая теплородом, атомы раздвигались — вот почему тела при нагревании расширяются. На гипотезе теплорода было основано и уравнение теплового баланса. Жан-Батист Фурье (не путать с его однофамильцем — социалистом-утопистом) предположил, что тепло передаётся потоком  атомов  теплорода и  вывел уравнение теплопроводности, которым мы пользуемся до сих пор. А Сади Карно в своём мемуаре с почти средневековым названием «Размышления о движущей силе огня» даже заставил теплород совершать механическую работу и тем самым положил начало теории тепловых двигателей. 

ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОТЫ

Связь между теплотой и движением, которая нам сейчас кажется очевидной, замечали и до нас, по крайней мере со времени парового подъёмника Папена, а на самом деле ещё с паровой турбины Герона Александрийского. Известен был, конечно, и обратный эффект превращения механического движения в теплоту.

Мысль о том, что теплота тела обусловлена движением составляющих его частей, высказал Даниил Бернулли и даже вывел из этих соображений закон Бойля-Мариотта. Идеи кинетической теории тепла развивал Михаил Васильевич Ломоносов, но математического подкрепления они не имели и в Европе восприняты не были, а своих физиков у нас ещё не было.

Кинетическая же концепция в описании удельных теплоёмкостей тел столкнулась с трудностями, которые были преодолены только после того как стало ясно, что внутренняя энергия тела определяется не с массой частиц, а их числом.

Да и передовая линия познания в то время пролегала в другом месте. Все были заворожены впечатляющими результатами в науке об электричестве; после изобретения электрохимического элемента начались интенсивные исследования электрического тока.

На какое-то время внимание научной общественности отвлекли опыты Френеля, вернувшего волновой теории света подобающее ей место.

А в 1820 году последовало открытие Эрстеда, взволновавшее научное сообщество, а через десять лет Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и тем самым прорубил последнюю ступеньку к признанию единства всех сил природы...

Однако чем больше погружаешься в эту историю, тем больше склоняешься к мысли, что открытие закона сохранения и превращения энергии и не могло быть сделано внутри самой физики: это как в задаче о шести спичках, из которых надо построить четыре треугольника — для её решения нужно оторваться от плоскости и выйти в третье измерение.

ОТКРЫТИЕ ДИЛЕТАНТОВ

В то благословенное для учёных-одиночек время границы между науками были ещё прозрачными, и при их пересечении никто не спрашивал документов об образовании. Броун был ботаник, а сделал открытие в физике, то же можно сказать и о потомственном юристе Авогадро, а формулу Бальмера путём подбора нашёл преподаватель математики, которому задачку о спектрах излучения подбросил коллега-физик, после того как тот пожаловался, что его мозг ржавеет от недостатка задач.

Юлиус Майер был врач. Джеймс Джоуль — пивовар и экспериментатор-любитель. Герман Гельмгольц — врач, физиолог, философ... и физик, впрочем, тоже.

Каждый из них шёл своим путём. Майера натолкнули на плодотворную, пока ещё смутно формулируемую идею, наблюдения врача. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон сохранения энергии с невозможностью создания вечного двигателя и распространил область его применения на электромагнетизм.

МАЙЕР

На пути к закону сохранения энергии стоял... закон сохранения теплорода, который не возникал из ничего и не исчезал бесследно, а переходил от одного тела к другому. Кто-то заметил, что достаточно заменить слово «теплород» на слово «энергия» — и рассуждения сторонников теплорода приобретут вполне современный вид. Но что в таком случае энергия? Ричард Фейнман говорил, что это величина, которая измеряется и вычисляется по определённым правилам. Но неужели всё сводится только к смене терминологии? В середине XX века к такому образу мыслей ещё не были готовы, хотя уже раздавались голоса, что наука сама себе философия. Майер был не из их числа, это скорее натурфилософ, чем позитивист. При всём уважении к количественному аспекту закона сохранения энергии, его больше впечатлял сам факт превращения одного вида энергии в другой. Правда, он, исходя из разности удельных теплоёмкостей газов при постоянном давлении и объёме, дал и количественную оценку механического эквивалента теплоты.

Майер отправил статью в журнал, напустив в неё туманных мыслей и ошибок, и статью вернули. Он исправил ошибки, выразился яснее, и статью напечатали. Но журнал был медицинский, а физики их не читают. Тогда он направил статью в физический журнал. Тепло есть сила, которое может быть превращено в механический эффект — вот основной вывод Майера.

Всю жизнь он боролся за признание единства сил природы и свой приоритет и многое через это претерпел. Его судьба во чём-то схожа с судьбами Больцмана и Ницше, а его борьба с Джоулем за приоритет напоминает приоритетный спор Ньютона с Лейбницем. Благодаря усилиям своих соотечественников, в основном Клаузиуса, приоритет в открытии закона сохранения и превращения энергии в конце концов был закреплён за Майером, но единица измерения энергии у нас всё-таки джоуль.

ДЖОУЛЬ

По крайней мере один человек отнёсся к идеям Майера серьёзно — это 23-летний профессор Вильям Томсон, завкафедрой теоретической физики университета в Глазго, будущий лорд Кельвин. Заметил Майера и Джоуль. К этому времени он уже измерил опытным путём и с гораздо большей точностью механический эквивалент теплоты, показав при этом, что он один и тот же для процессов в обоих направлениях. И потом на протяжении 7 лет продолжал измерения, совершенствуя технику эксперимента и уточняя свой результат. В 1848 году он первым вычислил скорость молекул, что стало началом молекулярно-кинетической теории газов — потом были Максвелл, Клаузиус, Больцман... 

ГЕЛЬМГОЛЬЦ

Гельмгольц шёл по следам Джоуля и Майера, но шёл самостоятельно. Когда стали разбирать, кто был первым (а претендентов оказалось немало), Гельмгольц признал приоритет своих предшественников, однако заметил, что работы Джоуля знал недостаточно хорошо, а с работами Майера знаком не был. А кроме того Гельмгольц вывел формулы электромагнитной энергии и тем самым не только обобщил, но и превратил закон природы в  универсальный принцип, которому физики следуют до сих пор...

Он был учёный-универсал. Вы приходите к лору — и видите  у него на лбу зеркальце Гельмгольца. Он разработал физиологию цветного зрения, заложил основы физиологии слуха, измерил скорость распространения сигнала по нервам. Гельмгольц оставил работы и по теории познания — так, он первым заметил, что знания в физике приобретают всё более абстрактный характер, и его взгляды впоследствии критиковал В. И. Ленин (что сейчас звучит скорее как похвала), да и от Фридриха Энгельса ему тоже досталось.

ПРИЗНАНИЕ

Решающего эксперимента, склонившего в пользу закона сохранения энергии не было. Роль подобных экспериментов обычно сильно преувеличивают. А вот решающий шаг к признанию трудов Джоуля был, и его сделал всё тот же Томсон, будущий лорд Кельвин. Джоуль продал свой бизнес и целиком посвятил себя науке; одним из результатов их совместной работы стало открытие эффекта Джоуля-Томсона.

Кельвин положил конец терминологической неразберихе, заменив «живые силы» кинетической энергией, а «силы падения» и “силы удара” потенциальной. К концу XIX века закон сохранения и превращения энергии был положен в основу физической картины мира, как составная часть Стандартной модели того времени. Была даже предпринята попытка сделать из энергии ещё одну реинкарнацию античной стихии огня, и принцип эквивалентности массы и энергии этому способствовал. Прошло и это: мировоззренческие страсти стихли, энергия осталась физической величиной, а в остальном физики исповедуют теперь прагматизм: объяснить явление — это значит его описать, а определить понятие — это значит дать ему имя и показать, как им пользоваться.

Правда, последние 50 или больше лет они не перестают говорить о новой физике, о новой научной революции, о прорывах в познании мира — ну, посмотрим. Как говорил Блохинцев, для новой теории не хватает не столько фактов, сколько фантазии — а откуда черпать вдохновение? Конечно же, из того круга, который очертили греки. И вот мы видим: если в XIX веке тонкие субстанции, которыми так увлекались в XVIII веке, одна за другой вышли из моды — последним был отброшен мировой эфир, то сейчас эти стихии возвращаются в физику под другими названиями — скрытая энергия, тёмная материя и т. п. Похоже, и в самом деле что все мыслимые представления о мире, которые только может породить своим воображением человеческий ум, сводятся к ограниченному множеству идей, подобно тому как всё богатство сюжетов мировой литературы сводятся к 36 драматическим положениям, выявленным литературоведом Жаном Польти, изучившим ради этого 1200 избранных произведений всех времён и народов.

Александр Расторгуев