Предчувствия и свершения. Книга 1. Великие ошибки
Шрифт:
— Теплород — жидкость? — вопрошал с трибуны Дэви, популярный химик, блестящий оратор, славившийся своими дерзкими, крамольными, не принятыми в его время научными взглядами. — Но почему в таком случае эта «жидкость» не ведёт себя в экспериментах так, как полагается вести себя всякой порядочной жидкости?
И он обвинял защитников теплорода в том, что они «ставят не на ту лошадь».
Когда Дэви слышал об опытах, якобы обнаруживших теплород, электрические или магнитные жидкости, то называл это шаманством и архаизмом. Молодёжь ломилась на его лекции. Этот англичанин, сын резчика по дереву, открыватель «веселящего газа», как назвали поначалу закись азота, увлёк своими блестящими лекциями не одну быстро воспламеняющуюся голову.
Однажды его услышал молодой переплётчик Фарадей, который
Фарадей пойдёт дальше учителя, дальше своего века. Он приблизится в понимании теплоты, электричества, магнетизма к позиции Лапласа, Эйнштейна, почувствовав в разнообразных явлениях природы единую сущность. Но к этому он придёт значительно позже, когда термодинамика накопит достаточно информации.
А пока, в молодые годы, он, восхищаясь Дэви, его бунтарством, с восторгом учился у него и помогал в самый трудный, начальный период борьбы с теплородом.
Дэви не только учил, он и созидал. Он отваживался на неожиданные толкования природы теплоты. Он выдвинул теорию, которая теперь называется кинетической теорией тепла. Колебательное и вращательное движение частиц вещества — вот причина повышения его температуры, учил Дэви.
Он прославился не только как автор этой революционной теории, но как смелый экспериментатор, объединивший возможности химии и физики, этих двух важнейших путей познания природы.
Окончательной победы кинетической теории теплоты Дэви не дождался. Быстро отгорев, он странным образом завершил свои дни. Опубликовав в 1806 и 1807 годах знаменитые лекции, создавшие ему славу величайшего химика Европы, и получив в 1812 году титул барона, он сошёл с высот науки до уровня завсегдатая светских гостиных. Его голоса уже не слышат в студенческих аудиториях, под научными статьями никто не видит его имени. Дэви — в плену «света» и своей богатой жены. В сопровождении жены и Фарадея он отправляется в длительное путешествие по Европе. Несколько лет о нём ничего не известно — он угасает. Вдруг слава ненадолго вновь осеняет Дэви светом лампы, которую он изобретает для углекопов по заказу рудничной компании. Но затем, вплоть до кончины — 28 мая 1829 года, — он как учёный больше не существует.
Однако мысль толковать теплоту как форму энергии была высказана, подхвачена, и отмахнуться от неё уже невозможно.
Но что значит мысль без доказательства?
Решительное слово в развитии нового взгляда на теплоту принадлежит человеку, необычайная жизнь которого, трудолюбие, широта интересов сделали его активным действующим лицом в борьбе с теплородом.
… Румфорд уже был Румфордом, когда молодой Дэви поступил в руководимый им институт — Королевский лондонский институт — на амплуа профессора химии. Прошло уже много лет с тех пор, как некий Бенжамен Томпсон, противник борьбы за независимость, бежав из Америки, обосновался в Европе. Немало лет прошло и с тех пор, как, поступив на службу к баварскому курфюрсту, Томпсон проявил столько разнообразных талантов, что получил от Карла Теодора пост военного министра и титул графа Румфорда — в честь города в Нью-Гэмпшире, где он родился. За плечами у Румфорда была реорганизация немецкой армии, основание многих мануфактур, разработка проектов экономичного городского отопления. Его разносторонние таланты принимали иной раз «заземлённый» характер, и он увлекался составлением рациональной диеты, конструированием таких оригинальных очагов и печей, что стал знаменитостью в этой области. Он был занимательным человеком, галантным кавалером и, когда в 1803 году попал в Париж, пленил вдову Лавуазье и женился на ней. Ещё в бытность в Баварии он обдумал и осуществил ставший знаменитым опыт с оружейными стволами, нанёсший чувствительный удар теории теплорода. В 1778 году он провёл ряд опытов над силой пороха и заметил, что пушечный ствол от холостых выстрелов нагревается сильнее, чем от выстрелов снарядами, хотя следовало бы ожидать обратное: ведь при стрельбе снарядами горячий газ дольше остаётся в соприкосновении со стенками орудия, и если верить, что именно теплород переносит тепло, то в таком случае большее его количество успеет перетечь в ствол.
Опыт вступил в противоречие с теорией теплорода,
и если бы Румфорд продолжил исследования в этом направлении, может быть, история термодинамики пошла бы в ином ритме. Но Румфорд в то время не закончил задуманный цикл экспериментов, а продолжил их лишь через двадцать лет.
Надо сказать, что, несмотря на столь разные увлечения, отклонения в сторону, доминирующей страстью Румфорда была проблема теплоты. И упоминание о его занятиях вопросами кухни и пищи не случайно. Именно с их помощью Румфорд внёс в науку о теплоте важное наблюдение. Считалось, что жидкости проводят тепло лучше, чем твёрдые тела. Румфорд, наблюдая, как остывает густая пища, объявил о своём несогласии с этой точкой зрения. Поставив ряд экспериментов, он возбудил такой активный спор о процессах теплопроводности в различных веществах, что это вылилось в образование новой ветви науки о теплоте.
Его опыты всегда отличались простотой и связью с обычной жизнью, что не могло не шокировать кабинетных учёных. Так неожиданно и непосредственно, прямо на военном полигоне, Румфорд провёл и свой главный, простой и гениальный эксперимент, вошедший во все учебники физики. Наблюдая за сверлением стволов бронзовых пушек, Румфорд измерял количество выделяющегося при этом тепла. Он обнаружил, что тупое сверло хотя и плохо режет металл, но даёт много тепла. Пока лошади приводили в движение это сверло, можно было успеть вскипятить воду в котлах, установленных на пушках. Румфорд решил, что тепло будет выделяться безгранично долго, во всяком случае до тех пор, пока лошади, вращающие сверло, способны продолжать работу. Если бы здесь была замешана теплородная жидкость, она должна была бы давно иссякнуть.
С современной точки зрения этого наблюдения было бы достаточно для ниспровержения гипотезы теплорода: тепло получается в результате механической энергии, работа, совершаемая лошадьми, превращается в тепло.
Но в то время, когда гипотеза теплорода была привычной, требовались и другие аргументы.
Румфорд нашёл один из них, измерив теплоёмкость стружек, и установил, что она такого же порядка, как теплоёмкость сплошного металла.
Вывод был один: твёрдая, цельная пушка предоставляла теплороду столько же места, сколько и разрозненные мелкие стружки! Что могли возразить приверженцы теплорода?
Тени управляют миром
Они ничего возразить не могли, но тем не менее вера в теплород продолжала жить и после убедительных опытов Румфорда, продемонстрировавших получение тепловой энергии из механической. Вера в тепловую жидкость продолжала жить и после виртуозных опытов Джоуля, учёного-любителя, которого загадка теплоты вырвала из привычного круга дел, и он, променяв пивоварню на научную лабораторию, поставил целью жизни доказать, что теплота — это форма энергии.
Он был настолько поглощён загадкой теплоты, что даже во время медового месяца, который он проводил с молодой женой в Швейцарии, где много водопадов, задумал провести серию экспериментов. Водопады были ему полезны тем, что сами перемешивали воду в больших резервуарах.
Джоуль начинал день с того, что обходил водопады и измерял разность температур между их верхним и нижним уровнем, и мучил себя вопросами: какова зависимость между высотой водопада, энергией падающей воды и повышением её температуры внизу? Зависит ли повышение от массы воды, в какой день лучше проводить измерения — в ветреный или безветренный? И, убедившись, что это надо делать в безветренный день, задавался новыми вопросами: чем плох ветреный день, почему даже в тихий день предсказанную разность температур дают не все водопады и почему некоторые типы водопадов вообще не создают разности температур?
Работам по теплоте Джоуль посвятил сорок лет. В честь его заслуг в этой области имя Джоуля присвоено единице энергии. Он достиг цели жизни — многое узнал о тайнах теплоты. Но пристрастие к теплороду уцелело и после опытов Джоуля и других многочисленных экспериментов Майера, Фавра, Хирна, Вебера, Зильбермана, Ленца — всех тех, кто перекачивал один вид энергии в другой: механическую в тепловую, тепловую в механическую, химическую в тепловую или сначала в электрическую, а потом в тепловую, — иллюстрируя, что все эти виды энергии лишь разновидность одной, универсальной и неуничтожимой.