Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Джоуль был далеко не первым ученым, готовым оспорить утверждение, будто тепло — это невидимый флюид, и тут в нашем повествовании должно появиться имя Лавуазье, или, если быть очень точным, его вдовы Марии-Анны. Она какое-то время отсидела в тюрьме, но после падения Робеспьера ей удалось не только получить свободу, но и вернуть себе имение мужа, в котором тут же возник великосветский салон, где бывали лучшие умы Европы. Среди ее гостей оказался и Бенджамин Томсон, приехавший из Америки, — ему пришлось после поражения революции бежать в Лондон, оставив на родине жену и дочь. Со временем он поселился в Баварии, где заполучил титул графа Румфорда, а после того как в 1801 году встретился с Марией-Анной, захотел заполучить и ее. Она была мила, добра и умна, и, как он писал, не только сама являлась «большим плюсом» (что, вероятно, означало пышность ее форм), но «и имела немаленькое приданое».

Сам-то граф, надменный и своенравный господин, был далеко не подарок (кстати, заметим, что и первая его жена была богатой вдовушкой), однако достаточно умен, чтобы понять — путь к сердцу Марии-Анны лежит только через ее разум. Он развлекал ее рассказами о своих научных достижениях, в основном связанных с изучением теплоты. Среди его изобретений были печь Румфорда, теплое нижнее белье, кофеварка, но, что более важно, именно он первым поставил эксперимент, подвергший сомнению теорию теплорода.

Работая на баварскую армию, Румфорд как-то заметил, какое огромное количество тепла выделяется при сверлении стволов латунных пушек. По всеобщему мнению, при сверлении высвобождался теплород, до этого заключенный в металле, но Румфорд в этом усомнился. Он погрузил пушку в воду и впряг в сверло двух лошадей. Вода стала нагреваться, и через два с половиной часа она уже кипела, нагретая «только силой лошади, а не огнем, светом, горением или химическим разложением».

«Трудно описать, как удивились и поразились зрители, на глазах которых удалось нагреть такое большое количество холодной воды, при этом она не просто нагрелась, а закипела, и это без всякого огня», — сообщал он в Королевское научное общество. Он даже не сомневался, что может нагревать воду до тех пор, пока будут трудиться лошади. Если бы существовала такая вещь, как теплород, то в пушке его должно было содержаться неограниченное количество.

Другие тоже склонялись к такому же выводу: теплота нематериальна, она своего рода vis viva («жизненная сила»), или движение, — «очень быстрое и сильное возбуждение отдельных частей тела», как выразился Роберт Гук. Швейцарский математик Даниил Бернулли предложил считать теплоту результатом вибрации невидимых маленьких частиц вещества. Но эта теория не встретила поддержки, а эксперимент Румфорда был недостаточно точен, чтобы оказать существенное влияние на научное сообщество.

После четырех лет ухаживания Румфорду удалось уговорить Марию-Анну стать его женой, и он переехал в ее дом. Однако этот брак продлился недолго. Румфорд, решив, что супруга ему уделяет слишком мало внимания, стал отказывать ее гостям, а она в отместку полила горячей, изобиловавшей теплородом водой его любимые розы. Наконец, Мария-Анна заплатила ему 300 или 400 тысяч франков, чтобы только он исчез из ее жизни.

В первые десятилетия XIX века, когда все по примеру Фарадея пытались разгадать многочисленные тайны электричества, природа теплоты — такой обычной, можно сказать, повседневной и вместе с тем могучей — оставалась неизвестной. Теплота не хотела выдавать своих секретов. Каким-то образом, проходя через паровую машину, эта таинственная невидимка могла — в буквальном смысле этого слова! — двигать Землю. Приводимые в движение паром насосы выкачивали тонны воды из штолен, делая доступными новые угольные залежи, благодаря которым крутились колеса локомотивов, фабрик и мельниц. Паровые лопаты добывали огромное количество железной руды, необходимой для производства новых инструментов и технических устройств. При наличии такого мощного и повсеместного источника энергии, как вода, приводимые в движение водой предприятия сначала возникали на севере Англии, а потом стали распространяться на юг, где ландшафт был намного ровнее. В Манчестере, где в 1818 году родился Джоуль, паровые машины использовались вовсю, нещадно дымя и вращая колеса. Принцип работы этих устройств был хорошо понятен; пар высокого давления приводит в движение поршень, который вращает колесо, но никто не знал, какие законы природы позволяют это делать. Произошло так, как если бы много лет спустя кто-то попытался бы методом проб и ошибок создать атомный реактор, не разбираясь в физике.

Было понятно, как работает водяная мельница. Вода быстро течет на лопасти колеса, падает вниз, и дальше уже движется с меньшей скоростью. Некоторая часть ее «жизненной силы» расходуется на поворот колеса. Чем больше разница между скоростью воды на входе и выходе, тем большая часть энергии падающей воды используется в процессе.

Многие инженеры, например француз Лазар Карно, стремились повысить эффективность водяного привода. В 1824 году его сын Сади, названный так в честь персидского поэта, выдвинул идею, согласно которой лопасти водяного колеса и паровая машина работают по одному принципу, только во втором случае вместо падения воды используется «тепловое» падение — перепад между горячим и холодным. Он изложил свою теорию в трактате под названием «Рассуждения о движущей силе огня», который в свое время стал известен лишь небольшому количеству специалистов. Пар входит в машину с очень высокой температурой, а покидает ее со значительно меньшей. Чем больше разница температур, тем больше работы может совершить пар, но в пределах того, что позволяет ему физика. Можно рассмотреть этот цикл и в обратном порядке; совершать работу, закачивая пар на более высокий уровень (на этом принципе работает современный холодильник, черпающий энергию из электрической розетки).

С анализа Карно началось то, что Кельвин впоследствии назовет термодинамикой, однако сам Карно продолжал считать, что теплота — это вещество под названием теплород, который, так же как вода, падающая на лопасти колеса, не может быть ни создан, ни уничтожен. Джоуль, будучи подростком, вероятно, узнал это все от своего учителя Джона Дальтона — еще одного жителя Манчестера, чьи эксперименты позволили заложить основы современного атомного учения. Отец Джоуля, преуспевающий пивовар, организовал для своих сыновей частные уроки химии. И вот, увлекшись научными опытами, Джоуль то бил мальчишек электричеством, используя лейденские банки, то пускал электрический заряд через хромую лошадь и девочку-служанку, которая как-то получила такой удар, что потеряла сознание. Когда ему исполнилось девятнадцать, он уже что-то сооружал из катушек и магнитов в надежде создать электромотор, который будет мощнее паровой машины и дешевле в эксплуатации.

Для питания устройства Джоуль использовал электрические батареи, в которых два электрода — цинковый и медный — погружались в разбавленную серную кислоту. В такой батарее кислота реагирует с цинком, высвобождая электроны. Если к противоположным полюсам подключить мотор, то через него потечет ток, который будет намагничивать обмотки и заставлять мотор вращаться.

Очень быстро Джоуль заметил, что сила электромагнита возрастает как квадрат силы тока. Удвоив количество батарей, можно вчетверо увеличить мощность. Сама вероятность того, что это соотношение справедливо и для электромотора, звучала тогда так же заманчиво, как в 8о-е годы прошлого столетия возможность холодного термояда. «Вряд ли стоит сомневаться, что электромагнетизм в конечном счете заменит пар как источник движения машин, — заявил Джоуль с энтузиазмом двадцатилетнего юноши, еще не знакомого с трудностями бытия. — Стоимость эксплуатации электромотора можно уменьшать до бесконечности». Если не считать небольших трудностей, например, сопротивление воздуха и преодоление трения, считал он, «нет ничего такого, что могло бы помешать достигнуть огромных скоростей вращения и в результате — огромных мощностей».

Однако в реальности все обстояло не так просто. Мощность первого мотора Джоуля была достаточной лишь для того, чтобы с трудом заставить вращаться ротор. Джоуль перепробовал множество вариантов обмоток и батарей, наматывал различные типы проволоки на разные сердечники, и, чем больше он пробовал, тем больше сопротивлялась ему природа. С ростом тока, подаваемого на мотор, росла температура обмоток. По сути, Джоуль обнаружил, что нагрев тоже увеличивается пропорционально квадрату величины тока. При удвоении количества батарей нагрев происходит в четыре раза сильнее. Казалось, решение не будет найдено никогда. Правда же заключалась в том, что система не способна отдавать больше энергии, чем получает сама. Можно лишь один вид энергии преобразовать в другой.