Об авторе: Борис Викторович Булуюбаш – кандидат физико-математических наук

О работах одного из самых эффективных исследовательских дуэтов в истории физики

Долгие годы фрустрации закончились, и концепция сохранения энергии внезапно стала полностью признанной. Джон Кольер.

Портрет Джеймса Прескотта Джоуля. 1882

Биография Джеймса Прескотта Джоуля – английского физика Викторианской эпохи, признанного одним из трех авторов закона сохранения энергии, весьма нетипична. Джоуль не учился в университете; с 16 лет работал на пивоваренном заводе своего отца Бенджамина Джоуля. Все свои открытия он сделал в свободное от основной работы время. Местом этих открытий была лаборатория с уникальным набором инструментов. Расходы по оборудованию лаборатории и исследованиям Джеймса взял на себя Бенджамин Джоуль.

В итоге лаборатория Джоуля была единственной в Англии XIX столетия частной физической лабораторией. Это означало, что в выборе тематики своих исследований Джоуль был свободен. В ситуации, когда научное сообщество не проявляло интереса к его работе, он продолжал ее – продолжал измерять механический эквивалент теплоты.

Терпение и настойчивость Джоуля были вознаграждены. В итоге концепция механического эквивалента теплоты стала составной частью учения о сохранении энергии. А Джоуль в период с 1840 по 1870 год стал абсолютным рекордсменом по числу упоминаний в вышедших в этот период статьях и книгах, посвященных физике тепловых явлений. Ключевая роль в процессе признания Джоуля научным сообществом принадлежит другому выдающемуся британскому физику, механику и инженеру – Уильяму Томсону (лорд Кельвин). И этот сюжет достоин специального рассмотрения.

Встреча в Оксфорде

Историческая встреча Джоуля и Томсона состоялась в июне 1847 года в Оксфорде на ежегодном собрании Британской ассоциации развития науки. Выступление Джоуля было заявлено в химической секции; организаторы, ссылаясь на нехватку времени, предложили ему ограничиться форматом краткого сообщения, быть предельно лаконичным и обойтись без ответов на вопросы.

Однако этому докладу суждено было изменить настроение коллег Джоуля; причиной тому было присутствие в аудитории профессора Университета Глазго Уильяма Томсона. Несмотря на свою молодость (23 года), Томсон был известен в научном мире. Выпускник Кембриджского университета 1845 года со званием «второго спорщика» (что означало второе место на трайпосе – наисложнейшем экзамене по математике) в 1841–1845 годах, еще будучи студентом, Томсон в серии статей развивает идеи французского математика Жозефа Фурье.

Важно иметь в виду, что Томсон несколько месяцев проработал в Париже, в лаборатории известного французского физика-экспериментатора Виктора Реньо. Стажировка в лаборатории Реньо сформировала у Томсона интерес к экспериментальным исследованиям и особенно к количественным измерениям. Кроме того, в Париже Томсон прочитал статьи Клапейрона с изложением идей Сади Карно по теории тепловых машин и стал убежденным последователем Карно и Клапейрона. Согласно Карно, тепловой двигатель совершает механическую работу за счет перехода некоторого количества теплорода (тепловой субстанции) от горячего резервуара к холодному. По аналогии с водяной мельницей, колесо которой приводит во вращение поток воды.

Количество теплорода при этом оставалось неизменным. Принимая теорию Карно–Клапейрона, Томсон по умолчанию становился сторонником концепции теплорода.

В отличие от Томсона, Джоуль уже в своих ранних работах представлял теплоту как род движения. В 1841 году он связывал теплоту с вибрациями окружающих атомы электрических и магнитных «атмосфер». Спустя два года Джоуль писал: «Когда мы рассматриваем тепло не как субстанцию, но как состояние вибрации, то, кажется, не остается причин, по которой она (теплота) не должна индуцироваться действием чисто механического характера».

Судя по всему, Томсон был знаком с работами Джоуля… Действительно, на заседание химической (а не физической!) секции в Оксфорде он пришел именно из желания услышать доклад Джоуля. Сам Джоуль вспоминал: «После моего выступления не было бы обсуждения, если бы молодой человек не встал и не вызвал своими репликами живой интерес к новой теории». Молодым человеком был Уильям Томсон, в воспоминаниях которого некоторые детали (что естественно) выглядят иначе. Он замечает, что во время доклада хотел встать и обратить внимание Джоуля на допущенные им ошибки. Однако, выслушав доклад целиком, он увидел, что речь идет о большом открытии, и, подождав окончания заседания секции, сообщил Джоулю о своем интересе к его исследованиям.

Нескрываемый Томсоном интерес к работам Джоуля кардинально изменил его статус в научном сообществе. Предметом повышенного внимания стал, в частности, принцип эквивалентности теплоты и работы.

Были, впрочем, слышны и голоса тех, кто полагал, что все аргументы Джоуля основаны на его уверениях в исключительной точности измерений температуры – до сотых долей градуса. Опытами Джоуля заинтересовался Фарадей, но без видимых последствий. Один из биографов Джоуля так описывает ситуацию: «Долгие годы фрустрации закончились, и концепция сохранения энергии внезапно (выделено мною. – Б.Б.) стала полностью признанной».

Неуничтожимая vis viva

Рассказывая в письме отцу (профессору математики в Университете Глазго) свои впечатления об оксфордском съезде ассоциации, Томсон выделяет среди прочего доклад Джоуля о «динамическом эквиваленте теплоты»: «…кажется, он открыл несколько фактов чрезвычайной важности – к примеру, что теплота создается трением движущихся жидкостей». Томсон имеет в виду в первую очередь те опыты Джоуля, в которых вода продавливалась сквозь узкие отверстия. Измерялись работа по продавливанию и количество выделившегося тепла. Описывая эти опыты, Джоуль не ограничивается вычислением механического эквивалента теплоты. Он делает важные заявления: «Силы природы неуничтожимы» и «при всякой затрате силы возникает соответствующее количество теплоты».

Попробуем ответить на вопрос, почему Томсон считает фактом чрезвычайной важности (называя его открытием) продемонстрированное Джоулем возникновение теплоты в процессе трения движущихся жидкостей.

На современном языке «факт чрезвычайной важности» воспринимается как тривиальное явление: превращение кинетической энергии жидкости в тепло. Термину «кинетическая энергия» еще только предстоит появиться на свет (его ввел Томсон в 1870 году), и Джоуль пользуется термином vis viva («живая сила»).

Скорее всего энтузиазм Томсона в отношении открытого «факта чрезвычайной важности» связан с тем обоснованием этого факта, которое предлагает Джоуль.

Действительно, если мы не связываем выделение теплоты с трением жидкостей, мы должны ответить на вопрос, куда исчезла vis viva жидкости – ее механическая энергия. Джоуль считает, что такое исчезновение невозможно; соответствующий тезис – о неразрушимости vis viva – Джоуль обосновывает теологическими аргументами: «Веря, что способность разрушать относится только к Создателю, я полностью совпадаю в их мнении с Роже и Фарадеем, что любая теория, которая объявляет исчезновение силы (здесь под силой следует понимать энергию. – Б.Б.), с необходимостью ошибочна».

Такие аргументы близки и понятны Томсону, мировоззрение которого соответствовало определенной христианской традиции; аналогичные взгляды были характерны и для Роберта Бойля, Рене Декарта, Исаака Ньютона. В их представлении Вселенной управляет всемогущий Создатель. Инструменты божественного провидения – законы природы не обладают независимым существованием и не могут быть изменены или разрушены чем-либо, помимо божественной воли. Концепция превращения vis viva жидкости в теплоту снимает проблему разрушения vis viva.

Услышанное от Джоуля и прочитанное в его статьях побудило Томсона организовать в конце 1847 года в университетской лаборатории в Глазго собственные эксперименты по превращению трения движущейся жидкости в теплоту. Томсон пытался довести воду до кипения посредством ее перемешивания. При этом в письме одному из своих коллег он откровенно пишет, что успех этого эксперимента вряд ли возможен: «...машина, которую я сделал, недостаточно эффективна». В первом эксперименте температура росла от 45º до 57º со скоростью примерно один градус за пять минут. Во втором эксперименте начальная температура воды составляла 98º, она возрастала очень медленно и в итоге поднялась до 99º.

Уильяму Томсону понравилась метеорная гипотеза Джоуля, и он использовал ее для объяснения возможного механизма выделения энергии на Солнце.

Водопад как научный объект

Первое совместное исследование Джоуля и Томсона вполне могло состояться вскоре после их знакомства. Спустя примерно две недели после конференции в Оксфорде Томсон совершал прогулку в горной местности и неожиданно встретил Джоуля в сопровождении молодой женщины и с длинным термометром в руках. Как выяснилось, Джоуль и его жена (шла первая неделя их медового месяца) шли к водопаду, где Джоуль собирался измерить температуру воды в верхней и нижней части водопада.

Томсон вспоминает, что они договорились встретиться через несколько дней и сходить на водопад вместе. Джоуль предполагал – в полном соответствии со своими представлениями, – что кинетическая энергия падающей воды превращается в тепло. Ожидаемое повышение температуры воды оценивалось в 1 градус по шкале Фаренгейта для 600-футового перепада высот.

Совместный эксперимент не состоялся; обсуждая детали, Джоуль и Томсон пришли к выводу, что высокая турбулентность в потоке падающей в водопаде воды будет искажать результаты измерений температуры.

Главным результатом дуэта Томсон–Джоуль стал эффект, названный в честь авторов «эффектом Джоуля–Томсона».

Согласно расчетам Томсона, прохождение реального газа через препятствие на пути газового потока (сужение трубки с газом либо перфорированная отверстиями перегородка) должно сопровождаться небольшим понижением его температуры. Соответствующая экспериментальная установка была построена и в начале мая 1852 года в подвале дома Джоуля на Acton Square в манчестерском районе Салфорд 33-летний Джеймс Джоуль (в статусе независимого исследователя) и 27-летний Уильям Томсон (профессор Университета Глазго) начали совместные исследования, продолжавшиеся с перерывами почти 10 лет. Основным местом этих исследований был Манчестер. Некоторые эксперименты проводились в лаборатории Университета Глазго.

Эффект Джоуля–Томсона стал основой методики охлаждения газов, разработанной немецким инженером Карлом фон Линде. В 1895 году Линде построил первую установку для получения жидкого воздуха в промышленных масштабах. Методика Линде использовалась также для сжижения кислорода, азота и аргона.

Жжение в пальце и падающие звезды

В марте 1953 года Томсон делает небольшое открытие, ставшее началом серии экспериментов. Он замечает, что если определенным образом сложить пальцы и поместить их в воздушный поток, создаваемый насосом, то пальцы ощутимо становятся теплыми.

Джоуль, с недоверием выслушав Томсона, достаточно быстро смог убедиться в его правоте. Обнаруженный Томсоном эффект означал для Джоуля возвращение к вопросу… о природе падающих звезд. Этот вопрос он впервые затронул в 1847 году в публичной лекции, прочитанной им в Манчестере, в читальном зале библиотеки церкви Св. Анны. Рассказывая о превращении vis viva (механической энергии) в тепло, Джоуль в качестве образного и понятного примера использовал феномен падающих звезд. На тот момент адекватного объяснения этого природного явления не существовало. Непонятно было, в частности, происхождение света, излучаемого падающими звездами. В качестве вариантов предлагались химические реакции или атмосферное электричество.

Объяснение, которое предложил Джоуль, было другим в принципе: движущиеся с большой скоростью метеоры влетали в атмосферу Земли и их vis viva («живая сила», она же кинетическая энергия) настолько интенсивно превращалась в тепло, что «гости из космоса» начинали светиться. Обращаясь к аудитории, Джоуль, в частности, сказал: «Вы, без сомнения, часто наблюдали явление, называемое падающими звездами. Остается мало сомнений в том, что это – малые планеты, которые вращались вокруг Солнца и были захвачены гравитацией Земли. Попробуйте представить ситуацию, в которой каменный метеорит влетает в наше помещение со скоростью, в 60 раз превышающей скорость пушечного ядра. От подобных событий нас защищает окружающая Землю атмосфера».

Такое объяснение феномена падающих звезд означало, что в отсутствие атмосферы непрерывная бомбардировка Земли метеорами сделала бы жизнь на ней невозможной. Подобный вывод воспринимался как еще одно свидетельство мудрости Создателя.

Объяснение Джоуля противоречило, однако, повседневному опыту, согласно которому движение объекта через холодный воздух должно было не нагревать объект, но, напротив, охлаждать. Более или менее очевидно, что движение объекта в воздухе можно моделировать по принципу аэродинамической трубы – обдувая объект воздушным потоком.

В 1853 году в распоряжении Джоуля были инструменты, позволявшие выяснить, можно ли доверять повседневному опыту. Используя один из насосов, приобретенных на гранты Лондонского королевского общества, Джоуль закачал в сосуд воздух из атмосферы, довел его давление до 5 атмосфер и затем начал выпускать этот воздух через маленькое отверстие. Попытавшись закрыть отверстие пальцем, он фактически повторил опыт Томсона и почувствовал в этом пальце жжение. Поток тепла к пальцу был обусловлен vis viva (кинетической энергией) выходящего через отверстие воздуха. Это означало, что «повседневный опыт» не соответствовал действительному положению дел.

Джоуль вместе с Томсоном выполнили серию экспериментов, закончившихся в целом к концу 1859 года и продемонстрировавших, в частности, что показания термометра, движущегося со скоростью 100 миль в час, увеличивались на 20 градусов по шкале Фаренгейта. В рамках того же исследования было показано, что температура движущегося объекта возрастала пропорционально квадрату скорости.

В статье «Джоуль и метеоры», опубликованной в профессиональном астрономическом журнале, Джоуля называют «отцом физики метеоров». Отмечается, что он первым проанализировал на научной основе взаимодействие между метеороидом и земной атмосферой.

Томсону понравилась метеорная гипотеза Джоуля, и он использовал ее для объяснения возможного механизма выделения энергии на Солнце. В 1862 году Томсон замечает, что более сильное по сравнению с земным гравитационное воздействие Солнца гарантирует большую скорость попадающих в Солнце метеоров. Он уверен, что по крайней мере часть тепла и света от Солнца имеет «метеорное» происхождение.

Но в этом случае масса Солнца, в которое попадают метеориты, должна увеличиться со временем, что не подтверждалось никакими наблюдениями. И в том же 1862 году Томсон отказывается от метеорной гипотезы; он становится сторонником объяснения Гельмгольца, считавшего, что Солнце использует энергию, высвобождающуюся в процессе его гравитационного сжатия.

По вполне определенной причине вопрос о происхождении энергии Солнца был для современников Томсона и Джоуля вопросом мировоззренческим. В 1859 году в Великобритании была опубликована книга Чарлза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» – книга, в которой Дарвин изложил основные положения теории эволюции. Принимая идею естественного отбора, мы по умолчанию предполагаем, что возраст Земли должен был быть достаточно большим… Дарвин ссылался на геологов, оценивавших его в 300 млн лет. Возраст Солнца должен был быть не меньше этой величины.

Оценки геологов вызывали у Томсона резкое неприятие. В этой связи Джоуль писал ему13 мая 1861 года: «Я рад, что вы чувствуете себя достаточно свободным для того, чтобы продемонстрировать примеры той чепухи, которая недавно стала предметом общественного внимания». Джоуль оговаривается: сказанное не относится к Дарвину: «Я верю, что он планировал не публиковать какую-либо законченную теорию, но скорее обозначить проблемы, которые надо решить».

­­Выступая в 1887 году в Лондонском королевском обществе по вопросу источника энергии Солнца, Томсон отмечал, что Солнце «совершало работу с интенсивностью 476 х 1021 л.с. на протяжении 3000 лет и, возможно, с большей интенсивностью… в течение нескольких миллионов лет».

И эффект Джоуля–Томсона, и гипотезу о природе падающих звезд естественно отнести к фундаментальной науке. Наряду с этим сотрудничество двух выдающихся физиков оказалось весьма результативным и в сфере прикладной физики.

Так, в 1855 году Джоуль изобретает способ сварки металлов электрическим током. Причем первые демонстрации изобретенной им методики были организованы в лаборатории профессора Томсона в Университете Глазго. Используя в качестве источника тока гальванический элемент, Джоуль прочно соединил вместе несколько металлических проволок… Сварка была успешной и когда все соединяемые проволоки были стальными, и когда стальные проволоки соединялись с медными и платиновыми.

К сфере прикладной науки мы можем отнести и активное участие Джоуля в разработке стандарта электрического сопротивления. В этой его работе Томсон представлял «заказчика» – комитет по стандартам Британской ассоциации. Отсутствие международных стандартов сопротивления было одной из основных проблем в ходе использования подводного трансатлантического телеграфного кабеля, соединившего Старый и Новый Свет. Напомним, что титул лорда Кельвина Уильям Томсон получил как главный научный консультант проекта по эксплуатации кабеля.