И на этот раз экспериментаторы не смогли пробиться сквозь дебри наблюдений, до тех пор пока теоретик Кирхгоф не придумал одну из самых необычных идеализаций — абсолютно черное тело, которое поглощает все падающие на него электромагнитные волны, ничего не отражая и не пропуская сквозь себя. Подобно тому, как печка превращает любой вид топлива — дрова, уголь, мазут, бумагу, мусор — в один и тот же дым, абсолютно черное тело превращает любые падающие на его поверхность лучи — световые, рентгеновские, ультрафиолетовые и т. д. — в тепловые, излучаемые всеми телами, нагретыми выше абсолютного нуля.
При температуре ниже красного каления абсолютно черное тело представляется черным в буквальном смысле слова. Но когда температуры переваливают за несколько тысяч градусов, оно выглядит как ослепительно яркий источник света. И как это ни парадоксально, наше Солнце тоже абсолютно черное тело, ибо едва ли какие-нибудь падающие на его поверхность лучи отражаются или пронизывают его насквозь.
В противоположность абсолютно черному можно представить и абсолютно белое тело; оно отражает все падающие на него лучи. И если абсолютно черное тело, поглощая все, нагревается быстрее и сильнее, чем всякое другое, то тело абсолютно белое даже в фокусе солнечной печи сохранит свою температуру неизменной.
Задача неимоверно упрощается, если ограничиться лишь инфракрасной частью спектра, где длины волн располагаются в интервале 0,8—40 микрон. Все реальные тела в той или иной степени и поглощают, и отражают падающие на них инфракрасные лучи, и в этом смысле справедливо заслуживают название серых. Оценить «серость» реальных тел можно по их степени черноты. Чем ближе эта цифра к единице, тем чернее серое тело. Самые черные из реальных веществ для инфракрасных лучей — черный матовый лак, сажа, окись хрома: степень их черноты может достигать 0,97—0,98. Далее идет вода, асбестовый картон, масляная краска, стекло. К абсолютно белому телу ближе всего примыкает полированная медь, со степенью черноты 0,018; за ней идут другие полированные металлы — алюминий, серебро, золото, олово, цинк. Для инфракрасных невидимых лучей цвет поверхности не играет особой роли: сажа и снег, черный лак и белый почти одинаково черны для них. Здесь главное — состояние поверхности: полированное железо поглощает лишь 15–35 % инфракрасных лучей, а литое, необработанное — 87–95 %.
Для видимых световых лучей цвет становится важным фактором: черная краска поглощает 98 % света, а белая — лишь 20 %. Полированная же медь, столь удачно отражающая инфракрасные лучи, в видимой части спектра оказывается хуже, чем белая краска, она поглощает около 26 % света.
Уже эти данные позволяют объяснить многие ранние эксперименты. Опыт флорентийских академиков, например, доказывал: столбик термометра, помещенного в фокусе металлического зеркала, опускается потому, что стремится прийти в тепловое равновесие с глыбой льда. Этот опыт не удавался Пикте при использовании стеклянного зеркала, ибо для инфракрасных лучей стекло все равно что черная бумага для света. Наконец, эксперименты Лесли показали: степень черноты убывает в таком порядке — сажа, писчая бумага, стекло, полированная поверхность.
Но главная заслуга Кирхгофа в другом. Придумав абсолютно черное тело, он подготовил открытие фундаментального закона теплопередачи. Честь экспериментального открытия этого закона досталась Стефану, а его теоретического обоснования — Больцману — двум венским физикам. Закон оказался прост: с увеличением абсолютной температуры абсолютно черного тела в 2 раза количество излучаемой им энергии возрастает в 16 раз, то есть пропорционально четвертой степени его температуры. Теперь достаточно было установить, в какой степени реальное тело можно уподобить абсолютно черному, и все дальнейшее становилось делом обычной арифметики.
Взявшись за простейшие виды теплопередачи, теоретики добились в их изучении успеха лишь в той мере, в какой сумели отвлечься от конвекции, при которой тепло передается путем перемешивания горячих и холодных слоев жидкости или газа. Конвекция, таким образом, неразрывно связана с механическим движением жидкостных и газовых потоков, изучением которых занимается гидромеханика. Взятые даже сами по себе течения жидкостей и газов — настолько сложны и труднодоступны для изучения, что дополнительное наложение на них еще и тепловых процессов всегда заставляло теоретиков отказываться от исследования конвекции.
Заниматься ей вплотную приходилось инженерам и ученым-прикладникам. У них просто не было другого выхода, ибо именно конвекция — главный механизм теплопередачи в металлургическом производстве, в отопительных системах, в котельном деле. Без конвекции не могли бы охлаждаться радио-и электроприборы, тормоза, компрессоры. Без конвекции немыслимы холодильные устройства, морозильные камеры, химические и нефтеперерабатывающие устройства, энергетические установки.