В туманное февральское утро 1840 г. из Роттердамского порта вышло в далекое плавание небольшое коммерческое судно «Ява». Путь корабля лежал от берегов холодной Голландии к знойной тропической Батавии. Впереди было много незнакомых стран, и поэтому волнение молодого корабельного врача Роберта Майера, впервые совершавшего такое путешествие, было вполне понятно.
Роберт Майер лишь недавно окончил Тюбингенский университет, защитив диссертацию о сантанине. Это был спокойный и рассудительный молодой человек, проведший большую часть своей жизни в маленьком немецком городке Гейльбронне. Решение поехать в Батавию возникло у Роберта внезапно, как только он прочел объявление о вакансии врача на корабле. Его не остановила даже необходимость сдать специальный экзамен при поступлении на службу. Полгода, проведенные в клиниках Парижа, отшлифовали его знания, полученные в университете, и дополнили их необходимым практическим опытом.
Во время путешествия Роберт Майер решил вести дневник, где отмечал все, что останавливало его внимание за день. Это был пестрый дневник: здесь были замечании о погоде, критика однообразных корабельных меню, беглая характеристика новых сослуживцев, заметки о работе и т. д.
Однажды, беседуя со старым штурманом, Майер услыхал от него, что температура морской воды после бури резко повышается. Это было непонятно. Майер всегда интересовался физикой и хорошо знал ее, но это новое явление не укладывалось в рамки господствовавших тогда представлений о природе тепла. Все тепловые явления происходили, по мнению ученых того времени, благодаря тому, что к телу присоединялось или от него уходило особое вещество — теплород, представлявшее собой невесомую жидкость. Но каким образом движение воды могло вызвать изменение количества теплорода, было неясно.
Беседа со штурманом также была отмечена в дневнике.
Корабль приближался к тропикам. В начале мая «Ява» вошла в Батавский рейд, где началась разгрузка. Первая половина путешествия была закончена.
Но здесь планы Майера были нарушены внезапно вспыхнувшей эпидемией воспаления легких. Почти весь экипаж корабля слег. Молодой доктор лечил своих больных кровопусканием — универсальным средством того времени. При этом Майер натолкнулся на одно странное явление. Вот как он писал об этом в своем дневнике: «При кровопускании, которое я делал, оказалось, что кровь, вытекавшая из вен на руке, была ярко-красная. Если судить по цвету этой крови, можно было думать, что эта кровь не из вен, а из артерий...»
Мысль, получив неожиданный толчок, интенсивно заработала. Неожиданно наметилась логическая связь между странным цветом венозной крови и рассказами старого штурмана. В самом деле, цвет венозной крови зависит от количества в ней продуктов дыхания. Майеру было известно о работах Лавуазье, доказывающих, что между процессами сгорания и дыхания не существует принципиальной разницы.
«Для поддержания равномерной температуры человеческого тела образование теплоты в нем должно находиться в некотором количественном отношении к потере им теплоты, а, значит, также к температуре окружающей среды. Поэтому как образование теплоты, так и разность окраски обоих видов крови должны быть в общем в жарком поясе слабее, чем в более холодных странах. В соответствии с этой теорией приходится рассматривать кровь как жидкость, главная цель которой — поддержание процесса горения — достигается тем, что составные части крови не покидают сосудов и не вступают в материальные взаимоотношения с организмом. Иными словами, большая часть пищи, усвоенной организмом, сгорает в самих сосудах для получения физического эффекта и лишь сравнительно ничтожная часть служит для перехода в субстанцию органов, для содействия росту и т. д.» — так писал Мейер о своих наблюдениях.
Отсюда следовало, что вообще в организме должен существовать баланс между приходом и расходом, между затраченной пищей и расходом образовавшейся теплоты.
Следовательно, химическая энергия пищи переходит в тепло, которое тратится организмом на поддержание постоянной температуры и совершение внешней работы. Но отсюда следовало также, что порожденная живым телом теплота находится в неизменном количественном отношении к затраченной работе. Теперь делалось понятным, отчего нагревается море после бури: механическая энергии движения воли переходила благодаря трению в тепло, которое и повышало температуру воды. Следовательно, теплота есть один из видов движения.
Весь обратный путь от тропиков до берегов Голландии Майер был задумчив и сосредоточен. Он понял всю важность сделанного им открытия. В феврале 1841 г. он приехал, наконец, в родной Гейльбронн, но вместо того, чтобы целиком посвятить себя практике, сел за работу, в которой хотел подвести итоги мыслям, возникшим во время путешествия.
В июне работа была готова и послана профессору Поггендорфу, редактору научного журнала «Анналы». Статья называлась «О количественном и качественном определении сил» Статьи эта не была напечатана, а письмо Майера к Поггендорфу осталось без ответа.
*
Факт перехода механической энергии в тепло был известен человеку десятки тысяч лет. Наши предки, не задумываясь над происходящим явлением, прекрасно знали способы добывания огня трением кусков сухого дерева. Однако интерес к природе тепла возник лишь тогда, когда появились тепловые машины, в которых переход тепловой энергии в механическую совершался в огромных количествах и был очевиден.
В начале XVIII в. в технике широко применялись паровые насосы Севери и Ньюкомена. Насосы устанавливались в шахтах и служили для откачки воды. Этим машинам, которые проделывали большую механическую работу, двигательную силу давала теплота. Хозяева шахт предъявляли ряд экономических требований к этим машинам, и поэтому естественно, что старании техников того времени были направлены на то, чтобы возможно полнее использовать затраченное тепло. По эти усилия давали мало результатов, так как отсутствовало знание природы тепла и физической сущности явлений, происходящих в насосах.
Еще в 1730 г. Парижская академия наук установила премию за лучшую работу по исследованию природы тепла. Многочисленные доклады, посвященные этому вопросу, в основном сводились к тому, что тепло является особой невесомой жидкостью — теплородом, — способной переходить из одних предметов в другие. Это учение оставалось ведущим в продолжение многих десятков лет. Однако в 1789 г. произошло событие, сильно поколебавшее уверенность в существовании теплорода.
Молодой военный инженер Бенджамин Румфорд, состоявший инспектором одного из немецких арсеналов, был поражен тем огромным количеством теплоты, которое выделялось при сверлении пушек. Стальная стружка накаливалась докрасна, а вода, попадавшая на ствол орудия, мгновенно превращалась в пар.
Приверженцы теории теплорода объясняли это явление тем, что в стружках помещается меньше теплорода, чем в целом металле, и излишек теплорода нагревает стружки, сверло и воду.
Однако такое же нагревание происходило и от тупого сверла, когда никаких стружек не образовывалось. Вот этого факта теплородная теория совершенно не могла объяснить.
Сообщение о своих опытах с пушками Румфорд сделал в 1789 г. в английском научном обществе, нанеся, таким образом, первый сокрушительный удар теории теплорода. Румфорд правильно заключил, что тепло вызывается движением сверла и, следовательно, само является лишь одним из видов движения.
Спустя 10 лег английский химик Деви повторил опыт Румфорда, несколько видоизменив его. При трении 2 кусков льда, приводимых в движение специальным механизмом, благодаря выделившемуся теплу образовывалась вода. Следующий опыт, поставленный Деви, окончательно убедил в несостоятельности гипотезы теплорода. Под колоколом воздушного насоса, обложенного льдом, Деви привел в движение при помощи часового механизма металлическое колесо, которое терлось о стальную пластинку. При этом наблюдалось настолько резкое повышение температуры, что воск, укрепленный на пластинке, плавился. В работе, напечатанной в 1812 г., Деви писал, что «все тепловые явления поддаются объяснению, если принять, что частицы любого вещества находятся в непрерывном колебательном движении с тем большими скоростями, чем сильнее нагрето тело. В жидкостях к колебательному движению прибавляется еще вращательное движение частицы вокруг собственной оси».
Несовместимость результатов опытов Румфорда и Деви с теорией теплорода была для всех совершенно очевидна. Однако полному принятию новых воззрений на природу тепла мешало то обстоятельство, что ряд явлений по-прежнему оставался необъясненным.
Наконец, в 1824 г. появилась работа французского инженера Сади Карно «Размышления о движущей силе огня». Работа эта начиналась следующими словами: «Никто не сомневается в том, что теплота может быть причиной движения, что она даже обладает большой двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются этому очевидным доказательством».
Таким образом, мы видим, что во времена Майера идея механической теории тепла, как говорится, «висела в воздухе», но ясности и четкости в понимании природы тепла не было. Принцип сохранения энергии, известный в механике со времен Декарта и Бернулли, был совершенно незнаком в других областях науки.
*
Итак, первая статья Майера осталась без ответа. Для молодого ученого это было неожиданностью, так как факты, изложенные им в его работе, казались очевидными и чрезвычайно важными для науки. Обратиться было не к кому. Единственный друг, Карл Бауэр, жил в Париже и мог помочь только тем, что советовал Майеру не отчаиваться и серьезно заняться дальнейшим изучением вопроса. Майер понял, что, для того чтобы довести до конца поднятую им проблему, знаний врача недостаточно: нужно основательно изучить физику и химию, поставить ряд опытов и продолжить свои наблюдения.
Между физикой и химией того времени было несоответствие, которое не мог не заметить Майер. В то время как все явления химии объяснялись на основании строгих количественных соотношений и закона сохранения вещества, в физике часто наблюдался разрыв между следствием и причиной. Например, было известно, что при трении движение исчезало, но не делалось попыток узнать причины этого явления. С другой стороны, при трении возникало тепло, и опять объяснения, которые давали бы исчерпывающий анализ этого факта, отсутствовали. Майер решил заполнить этот пробел.
Вскоре была закончена новая статья. Майер послал ее в журнал, редактором которого был Либих, один из крупнейших ученых того времени. В мае 1842 г. эта статья была напечатана под названием «Замечания о силах неживой природы». На нескольких страницах был подведен итог интенсивной работе целого года. В этой статье Майер впервые, хотя и не совсем четко, сформулировал, что теплота является одним из видов энергии и переходит в другие формы энергии так, что определенному количеству тепла соответствует всегда одно и то же количество другой энергии.
Уже в этой формулировке заключался в скрытом виде великий закон природы закон сохранения энергии.
В конце статьи описывался опыт по определению механического эквивалента тепла. Майер подсчитал, что при затрате одной большой калории тепла получается 365 килограммометров механической работы.
Но статья, напечатанная в журнале Либиха, не вызвала никаких откликов. Ученые, к которым Майер обращался за советом, или вообще не понимали его или считали его теорию противоречащей здравому смыслу. Издателя новых статей не находилось, и Майер решил издавать свои работы на свой счет. Врачебная практика пришла в полный упадок. Это вызывало серьезные семейные неурядицы. Майер чувствовал себя одиноким. Среди гейльброннских обывателей распространился слух, что доктор Майер — чудак, воображающий себя великим ученым.
Но Майер не сдавался. В течение нескольких лет он выпустил отдельными брошюрами работы: «Органическое движение и обмен веществ», «Опыт небесной динамики» и др. В первой из этих работ принцип сохранения энергии распространялся на все явления природы, причем доказывалось, что источником энергии на земле является солнце. Однако эти работы также не вызвали к себе никакого интереса.
*
Сомнения в существовании теплорода возникли не у одного Майера. В то время как он писал н Гейльбронне свою вторую статью, вопросом изменения форм энергии заинтересовался ученый-любитель, сын английского капиталиста Джеймс Джоуль. Пропуская электрический ток по проводнику, он обратил внимание на то, что этот процесс сопровождается выделением тепла и притом в строго определенном количестве, которое пропорционально силе тока. Сопоставляя свои наблюдения с известным уже фактом перехода механической энергии в тепловую, Джоуль решил, что переход одного вида энергии в другой в количествах, эквивалентных друг другу, является общим законом для всех процессов, происходящих в природе. Однако к таким обобщениям Джоуль пришел не сразу.
На заводе своего отца Джоулю приходилось иметь дело с паровыми машинами Уатта, распространенными в то время повсеместно. Если механическая энергия при трении переходит в тепло, то в паровых машинах наблюдается обратный процесс, причем часть тепловой энергии тратится на трение.
Чтобы подсчитать, какое количество тепловой энергии нужно затратить для получения единицы работы, Джоуль произвел весьма остроумный опыт. В сосуд, наполненный водой, он вставил деревянную мешалку, приводящуюся в движение при помощи шнура, перекинутого через блок. К концу шнура привешивался груз, который, падая вниз вращал мешалку. Благодаря трению лопастей мешалки о воду температура в сосуде повышалась, и таким образом можно было подсчитать количество выделившегося при этом тепла. Сравнивая величину произведенной работы с количеством выделившейся теплоты, Джоуль нашел, что механическая работа в 424 килограммометра соответствует одной большой калории. Таким образом, механический эквивалент тепла был найден.
В 1843 г. Джоуль сделал доклад о своих работах в Британской научной ассоциации. Однако прошло еще немало лет, прежде чем в вопрос взаимного перехода механической и тепловой энергии была внесена полная ясность.
Работами Майера и Джоуля был подведен итог колоссальному сдвигу, произведенному в естествознании в 1842—1843 гг. Установление механического эквивалента тепла стало неоспоримым фактом, против которого последователи теории теплорода не могли выставить ни одного серьезного аргумента. Почти одновременно с Майером и Джоулем механический эквивалент тепла был определен в Копенгагене датским ученым Кольдингом. Работы Джоуля и Кольдинга касались вначале только тепловых явлений, но очень скоро был поставлен общий вопрос — о связи всех физических явлений, что приводило к формулировке закона сохранения энергии. Со времен Карно (т. е. около 20 лет) никто не делал попыток развить дальше затронутые им теоретические вопросы. И вдруг молчание было прервано в нескольких местах европейского континента. К Майеру, Кольдйнгу и Джоулю присоединился английский адвокат Гров, который, как писал впоследствии Энгельс, «доказал при помощи простой обработки накопившегося физического материала, что все так называемые физические силы — механическая сила, теплота, свет, электричество, магнетизм и даже так называемая химическая сила — переходят при известных условиях друг в друга без какой бы то ни было потери силы, и таким образом доказал, задним числом, при помощи физических методов, теорему Декарта, что количество имеющегося в мире движения неизменно» (Соч. К. Маркса и Ф. Энгельса, т. XIV, стр. 482).
Наконец, немецкий исследователь Герман Гельмгольц делает 23 июля 1847 г. доклад на заседании Берлинского физического общества, в котором он излагает теорию, аналогичную выводам Майера и Джоуля.
Глубокая математическая подготовка помогла Гельмгольцу сделать ряд широких обобщений и приложить принцип сохранения энергии к электромагнитным, электрическим и механическим явлениям. Основным содержанием доклада Гельмгольца явилось доказательство того, что нигде в природе не может существовать источника, производящего работу без затраты соответствующего эквивалентного количества энергии.
Грандиозная картина круговорота энергии открылась перед учеными. В самом деле, механическая энергия вращения ротора электрической машины переходит благодаря пересечению магнитных силовых линий в электрический ток, который, проходя по металлическим проводникам, нагревает их. Количество выделившегося при этом тепла пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени действия. Проходя через растворы кислот или солей, электрический ток также нагревает их и производит химическое разложение электролита. Химическая энергия, заключенная в топливе, может быть превращена в механическую энергию машины. Сумма энергий при этом всегда остается постоянной, изменяется лишь форма.
*
В то время как Майер тщетно пытался обратить внимание ученых на свои работы, другие исследователи, как мы видели, различными путями пришли к тем же выводам, заново перестраивающим основы естествознания. Душевное равновесие Майера, сильно пошатнувшееся из-за тяжелой семейной обстановки, было окончательно нарушено, когда в мае 1849 г. в немецких газетах появились статейки, обвиняющие его в плагиате открытого им закона у Джоуля и Гельмгольца. Майер немедленно послал ответ в «Аугсбургскую газету», где приводил даты создания своих первых работ и историю своих исследований. В ответ на это была напечатана статья некоего Зейферта, в которой те же обвинения были повторены в ещё более резкой форме.
Одинокий, лишенный моральной поддержки, Майер не выдержал и весной 1850 г. выбросился из окна, решив покончить счеты с жизнью.
С сильно поврежденной ногой он был отправлен в санаторий, откуда его перевели в дом для умалишенных в Виннентале. Майеру было сказано, что перемена места лечения вызвана лишь климатическими соображениями. Новый врач Майера начал курс лечения вопросом: настаивает ли он на своих нелепых утверждениях? Увидя перед собой научного противника, Майер начал объяснять ему основные принципы нового учения о природе тепла. Для врача это было лучшим «доказательством» помешательства пациента. Майер был посажен в одиночную камеру, где мучительное и жестокое лечение продолжалось до 1854 г.
Домой Майер вернулся душевно разбитый и больной. Споры о приоритете не прекращались еще много лет, но официальная наука до самой смерти Майера (1878 г.) так и не признала его творцом основного закона современного естествознания.
Развитие принципа сохранения энергии, начавшееся в механике со времен Декарта и Бернулли, постепенно завоевав все области естествознания, не закончилось и в наши дни. Последние работы Эйнштейна и других ученых говорят о единстве материи и энергии, объединяя, таким образом, в один могучий синтез работы Майера, Джоуля и Гельмгольца с работами Лавуазье.
Но та формулировка закона, которую дал великий неудачник из Гейльбронна, является основой всей современной науки и техники, подводя прочную материалистическую базу под дальнейшие работы, еще глубже исследующие явления окружающей нас природы.
Комментариев нет:
Отправить комментарий