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.
Популярный в XIX веке немецкий историк науки Розенбергер пишет: «Эти удивительные опыты никем не были опровергнуты, но тем не менее были забыты!» Как же объяснить этот странный, бескровный поединок науки с пристрастиями и косностью человеческого мышления?
Мода, хотя и временный, но закон. Он диктует свою волю целым поколениям. Так, на переломе XVIII–XIX веков в науке царила мода на «невесомые». Таинственная, неуловимая материя — теплород, эфир, электрическая и магнитная жидкости — была у всех на устах. Ничто так не подогревает интерес, как таинственность, противоречивость, неопределённость. А в области невесомых таинственности и неопределённости было хоть отбавляй. Интерес подогревался постоянными столкновениями между теми, кто добывал новые факты, — экспериментаторами, и теми, кто истолковывал факты, — философами. Многие философы прославились своими умозрительными построениями, буквально умственными замками, возведёнными на фундаменте невесомых.
Философы, физики, поэты спорили о тенях, правящих миром. Проблемой невесомых был озабочен даже Наполеон Бонапарт. Когда на приёме Наполеону представили философа Якоби, император задал ему только один вопрос:
— Qu'est ce que la matiere? (Что такое материя?)
Его так интересует этот вопрос, что, узнав о работах Вольты в области электрических флюидов, он приглашает итальянского учёного в Париж. 11 фримера X года (1801 год) во Французском институте Вольта демонстрирует свои опыты, и Наполеон, оставив государственные дела, присутствует на заседании. Вольта пишет брату: «Я сам… поражаюсь тому, что мои старые и новые открытия… вызвали столько энтузиазма. Оценивая их беспристрастно, я сам тоже вижу в них всё же некоторую ценность: они проливают новый свет на теорию электричества; открывают новые пути для химических исследований… Уже более года все газеты Германии, Франции и Англии полны сообщениями об этом. В Париже же они, можно сказать, вызвали фурор, потому что здесь к ним, как и к прочему, примешивается крик моды…»
… 18 сентября 1820 года Ампер провёл свой знаменитый эксперимент по взаимодействию проводников, обтекаемых электрическим током.
Сегодня даже школьники не очень-то удивляются, наблюдая, как два параллельных куска провода, по которым пропущен электрический ток, то притягиваются, то отталкиваются. Ясно, что в одном из проводов изменилось направление электрического тока.
Но когда Ампер произвёл этот опыт впервые, то присутствовавшие на заседании Французской академии наук были под большим впечатлением от непонятных движений электрических проводов. История передаёт, что Лаплас, усомнившись в увиденном, придирчиво допрашивал ассистента, помогавшего при опыте:
— А не вы ли, молодой человек, подталкивали провод?
Но, как всегда, были и такие учёные, которые не хотели видеть в опытах Ампера ничего нового. Один из них сказал ему:
— Ну что же, собственно, нового в том, что вы нам показали? Само собой ясно, что, если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, они должны действовать и друг на друга.
Ампер не нашёл что ответить. Присутствовавший при этом Араго вынул из кармана два ключа и сказал:
— Каждый из них тоже действует на магнитную стрелку, однако же они не действуют друг на друга.
Опыт Ампера развенчал магнитную жидкость, которой объясняли магнитные явления, и с тех пор авторитет невесомых начал заметно падать. Закатилась звезда и тепловой жидкости. Зрело понимание того, что природа — материальна, что энергия — форма существования материи, что есть разные формы этой энергии и они способны переходить одна в другую по строгому закону сохранения.
Многие учёные внесли свой вклад в формулировку понятия «энергия» и закона её сохранения. Первый и решающий вклад сделан, несомненно, Ломоносовым. Но следующим нужно назвать немецкого врача Майера, родившегося на целое столетие позже. Он рассмотрел двадцать пять проявлений закона сохранения энергии, охватив явления неживой и живой природы.
Майер прожил трудную жизнь. Судьба этого незаурядного человека интересна нам не только научным потенциалом, но поучительна драматизмом, жертвенностью во имя идеи. Пример этой жизни иллюстрирует, как трудно пробивает себе дорогу новое, как истине небезопасно выходить на поединок с укоренившимися заблуждениями, как почётна, но нелегка победа.
Первое начало
Майер был горяч и принципиален. Эта черта отличала его ещё в юности. За участие в студенческой сходке он был арестован и исключён из Тюрингенского университета, где слушал медицину и химию. После освобождения был вынужден эмигрировать, что задержало окончание его образования. Получив диплом, Майер уезжает в Индонезию в качестве судового врача. Один эпизод плавания круто меняет жизнь Майера. Пуская кровь заболевшему матросу, Майер обратил внимание на её необычайно алый цвет. Он даже подумал, что, вскрывая вену, повредил артерию! Местные врачи успокоили его: венозная кровь в жарких странах всегда приобретает алый цвет. «Некоторые мысли, — писал Майер впоследствии, — пронизавшие меня подобно молнии, это было на рейде в Сурабае, тотчас с силой овладели мною и навели на новые предметы».
