Враждебная атмосфера, окружавшая Майера [23], привела даже к попытке самоубийства (1850 г.) и душевному расстройству; около года (1852-1853 гг.) он провел в больнице. О его состоянии можно судить по словам: «Или весь мой метод мышления аномален и негоден, тогда мне подходящее место в доме умалишенных. Или меня награждают презрением и насмешками за открытие важных истин».
Только незадолго до смерти заслуги Майера были в какой-то степени признаны; большую роль в этом сыграли английский физик Дж. Тиндаль и немецкий — Г. Гельмгольц. Уже после смерти Р. Майера в 1892 г. в г. Гейльбронне, где он родился, был воздвигнут памятник, а в 1893 г. было выпущено собрание его сочинений.
Оценивая вклад Р. Майера в науку, Ф. Энгельс писал в «Диалектике природы» о его революционизирующей роли: «Количественное постоянство движения было высказано уже Р. Декартом почти в тех же выражениях…, зато превращение форм движения открыто в 1842 г., и это, а не закон постоянства, есть как раз новое».
Судьба третьего основоположника закона сохранения энергии Д.Джоуля (1818-1889 гг.) не была столь тяжелой, как у С. Карно и Р. Майера. В отличие от склонного к философии и непочтительного к авторитетам Майера, он был практичным англичанином, прочно стоявшим на ногах, и даже богобоязненным. Идейной основой закона сохранения живой силы (т. е. энергии) он считал положение, что человек не может уничтожить то, что создано богом, и, напротив, создать то, что бог не создал. Относительно начала действия этого закона Джоуль писал даже так: «Проявления живой силы на нашей планете такие же, какими они были с момента сотворения мира, или, во всяком случае, со времени потопа».
Результаты многолетних работ Джоуля были основаны на тщательно проведенных экспериментах, конкретны, и спорить с ним было трудно [24]. Джоуль работал над энергетическими превращениями с 1843 г. — более 30 лет; за это время он изучил самые различные энергетические преобразования. Он провел классические опыты по точному определению теплового эквивалента работы, вращая грузами мешалку воды в калориметре и измеряя повышение ее температуры (те самые «сотые градуса»). Уже в 1843 г. он вслед за Майером четко сформулировал закон сохранения для трех видов «живых сил» (т. е. энергии) — механических, тепловых и магнитоэлектрических.
Одновременно с русским физиком Э. Ленцем (1804— 1865 гг.) и независимо от него он сформулировал закон, устанавливающий зависимость выделяемой в проводнике теплоты от силы тока и напряжения (закон Джоуля-Ленца). Джоуль провел исследования по всей цепи преобразований электроэнергии, начиная от гальванического элемента и кончая работой электромагнитных сил.
Заслуги Джоуля были увековечены присвоением его имени единице энергии — джоуль (Дж).
После опубликования работ Джоуля к середине XIX в. закон сохранения энергии (как тогда писали — «силы» или «движения») победил окончательно; дальше речь шла уже о расширении сферы его приложений, уточнении, установлении однозначной терминологии и, наконец, ознакомлении с ним сначала научных работников и инженеров, а затем и всех образованных людей. Доведение этой работы до конца означало и конец ppm-1. Основополагающий вклад в эту работу сделали Г. Гельмгольц (1821-1894 гг.), У. Томсон-Кельвин (1824-1907 гг.), У.Ренкин (1820-1872 гг.) и Р. Клаузиус (1822-1888 гг.). Все попытки опровергнуть или ограничить закон сохранения энергии были обречены на неудачу. Однако для окончательного утверждения и распространения, превращения его в общепринятый фундаментальный закон было необходимо провести то самое установление точных понятий и терминов, о котором говорилось выше. Ведь даже слова «энергия» в первоначальной формулировке закона не было.
2.2. Утверждение закона сохранения энергии. Революция в понятиях и терминах
В предисловии к английскому изданию «Капитала» Ф. Энгельс писал: «В науке каждая новая точка зрения влечет за собой революцию в ее технических терминах» [1.4].
Естественно, что такое событие, как установление радикально новой точки зрения на энергетические превращения, не могло не вызвать и революцию в терминах. Но дело было настолько серьезным, что не могло ограничиться только терминами; упорядочению терминов должно было предшествовать упорядочение понятий. Об этом хорошо в свое время сказал А. Лавуазье, считавший, что каждая наука состоит из ряда фактов, представлений о них (т. е. понятий) и слов, их выражающих (т. е. терминов). Действительно, даже в работах Г. Гельмгольца, не говоря уже о Майере и Джоуле, отсутствовали такие привычные для нас термины, как «энергия» и «работа»; понятия «сила» и «теплота» использовались совсем не в том смысле, который соответствует их однозначной научной трактовке.
В начальной стадии формирования нового закона некоторая расплывчатость в понятиях и терминах вполне естественна; но по мере расширения сферы его применения любая нечеткость в них становится тормозящим фактором. Без ее устранения закон сохранения энергии не мог бы стать всеобщим достоянием и исправно «работать» во всех областях науки и техники.
Усиленное внимание, которое уделяется в науке правильной и четкой терминологии, может вызвать недоумение. Многие, в том числе весьма образованные люди, считают излишней скрупулезностью «вылизывание и шлифовку» терминов, рассуждая примерно так: «Какая в конце концов разница, как назвать ту или другую вещь или понятие. Каждый, кто имеет с ними дело, знает, что это такое. Не зря мудрая народная пословица говорит: «Хоть горшком назови, только в печь не ставь». Важно дело, а не слова».
Такая «философия» даже применительно к обыденной жизни может привести к неприятностям, не говоря уже о науке. Дальше мы увидим на конкретных примерах, относящихся к ppm, к каким последствиям может привести неточная трактовка некоторых энергетических терминов, в частности терминов «теплота», КПД (коэффициент полезного действия), «окружающая среда», «замкнутая система» и других. Поэтому в дальнейшем мы будем очень внимательно относиться к терминам, выделяя там, где необходимо, место для их подробного разбора.
Применительно к закону, установленному С. Карно, Р. Майером и Д. Джоулем, необходимо остановиться на двух основополагающих понятиях, связанных с терминами «энергия» и «теплота» (или «тепло»), а также несколько расширить представление о понятии, относящемся к термину «работа». Без этого дальнейший разбор вопроса о вечном двигателе достаточно полно провести нельзя.
Начнем с понятия «энергия». Впервые оно появилось еще у Аристотеля как обозначение некоего деятельного начала; но оно имело тогда чисто философское значение и никакие количественные оценки здесь не предполагались.
Ввел этот термин в физику и придал ему точный смысл английский механик Т. Юнг (1773-1829 гг.) в «Лекциях по естественной философии» (1807 г.). Это было сделано им применительно к «живой силе» (произведению массы тела на квадрат его скорости), т. е. только к механическому движению; но первый шаг к широкому использованию термина состоялся.
В дальнейшем, после работ основоположников закона сохранения, общий термин «энергия» стал постепенно вытеснять в литературе все другие как единственный для обозначения общей меры движения материи. Особенно большую роль тут сыграли уже упоминавшиеся У. Ренкин и У. Томсон-Кельвин.
Соответственно все законы сохранения движения, независимо от того, в какой форме они проявлялись — механической, тепловой, электромагнитной, химической или биологической, стали частными случаями общего фундаментального закона природы — закона сохранения энергии.После этого уточнились и приобрели однозначный смысл понятия «работа» и «теплота» («тепло»). Если термин «работа», как мы уже говорили, сравнительно быстро приобрел четкий смысл [25], то термин «теплота» долго сохранял остатки влияния теории «теплорода». Живучесть этого влияния (как и многих других старых представлений) оказалась просто необычайной. До сих пор сохранились такие термины, перешедшие из XVIII в., как «теплоемкость», «теплопередача», «тепловой резервуар», «тепловой аккумулятор»; совсем недавно еще употреблялся термин «теплосодержание», замененный на «энтальпию». Все они связаны с теплотой, как с чем-то содержащимсяв теле, т. е. по существу с «теплородом». Замена теории теплорода на «механическую теорию тепла» не изменила вначале этой терминологии. Энергию хаотического движения молекул тела, связанную с его температурой, по инерции продолжали называть теплотой, хотя это нечто совсем иное — часть внутренней энергии тела.
23
Характерно поведение того самого Поггендорфа, который не принял статью Майера в 1841 г. В биографическом словаре, выпущенном им в 1863 г., справка о Р. Майере заканчивалась так: «...кажется около 1858 г. умер в сумасшедшем доме». Но в конце книги сделано добавление: «Не умер..., но еще жив».
24
Но и здесь не обошлось без ученых оппонентов. Один из членов Королевского общества заявил после доклада Джоуля, что не доверяет ему, поскольку «у него нет ничего большего за душой, чем сотые доли градуса».
25
Это было совершенно естественно, так как он перешел из механики, где его точное значение было установлено еще в конце XVIII в.