Чтение онлайн

Но вот почти сто лет спустя после работ Кулона, в 1877 году, Максвелл напечатал статью о неопубликованных работах Генри Кавендиша [66] в области электричества. Максвеллу как первому директору Кавендишской лаборатории в Кембридже, построенной на средства потомков Кавендиша, был предоставлен архив Генри Кавендиша. В этом архиве он обнаружил совершенно готовую к публикации рукопись работы Кавендиша, экспериментально доказывающую тот же закон, что и открытый Кулоном. Экспериментальные доказательства в опыте Кавендиша существенно отличались от опыта Кулона, метод был более прост и доказательства более точны, чем у Кулона. В своих работах Кавендиш исходил из того, что на полом металлическом проводнике только тогда весь электрический заряд может распределиться на наружной поверхности, когда эти заряды отталкиваются друг от друга по закону квадрата расстояния.

Даты на рукописи Кавендиша не было, но Максвелл отнес ее, во всяком случае, к годам не позднее 1775 года — следовательно, по крайней мере на десять лет раньше открытия закона Кулоном. Как могло случиться, что работа Кавендиша оставалась в продолжение ста лет никому не известной? Естественно задать вопрос: как могло произойти, что такой крупный ученый, как Кавендиш, которого многие называли «Ньютоном современной химии», мог пренебречь опубликованием работы по электричеству, которую он, конечно, не мог не считать фундаментальной? Вряд ли история когда-либо найдет ответ на этот вопрос, но самое вероятное, что Кавендиш просто позабыл направить ее в печать. Это объяснение сперва кажется невероятным, так как, казалось бы, его товарищи, ученые, должны были знать об этих работах и напомнить ему о них. Но здесь вскрывается особенность характера Кавендиша. Генри Кавендиш был английским лордом и занимался физикой и химией в качестве «хобби», как сказали бы теперь.

Кавендиш был человеком особого склада, с большими странностями. Он был нелюдим, мало говорил и смущался, когда к нему обращались незнакомые люди. Местом для опасных экспериментов с электричеством ему служили конюшни отца. Но потом он превратил в лабораторию большую часть громадного родительского дома. Лишенный прав на отцовское богатство, он вдруг получил огромное состояние от своего дяди. Однако ни мотом, ни дельцом не стал. Ему было тогда уже за сорок, образ жизни и привычки его давно сформировались, а менять их он не хотел. Очень выразительно сказал о нем Дж. Дж. Томсон: «Он всегда делал то, что делал прежде». В течение всей своей жизни он выходил на прогулку в одно и то же время дня. Решив свести к нулю вероятность встречи с кем-нибудь из знакомых лондонцев, Кавендиш усвоил обыкновение ходить только посередине мостовой. Уклоняться от лошадей было легче, чем от человеческого пустословия. Кавендиш вел тихий и уединенный образ жизни. Со своими служанками он общался исключительно записками и не заводил личных отношений вне семьи. Женская прислуга в клефэмском доме Кавендишей не рисковала попадаться ему на глаза: за этим следовал отказ от места. Согласно одному из источников, для того чтобы попасть домой, Кавендиш часто пользовался черным ходом — так он избегал встреч со своей экономкой. Круг его общения ограничивался лишь клубом Королевского общества, члены которого обедали вместе до еженедельных совещаний. Кавендиш редко пропускал эти встречи и был глубоко уважаем своими современниками. Но лишь немногие из завсегдатаев клуба знали, как звучит его голос. Он заговаривал только тогда, когда мог сообщить им нечто из ряда вон выходящее. За сорок лет его шляпа ни разу не переменила своего места на полке в клубном гардеробе. Раз в году, в один и тот же день и час, к нему приходил портной. Молча снимал мерку и исчезал. Никаких вопросов о материале и фасоне нового платья: костюм должен был быть копией прежнего с необходимой поправкой на естественное изменение параметров хозяина. Так был уничтожен еще один повод для вздорных раздумий и отвлекающей болтовни.

Кавендиш был совершенно безразличен к окружающему его миру и никогда не интересовался происходящими в этом мире событиями — даже столь значительными, как французская революция или наполеоновские войны, прокатившиеся по Европе. Он был воплощенной сосредоточенностью. И это сделало его в глазах современников неисправимым чудаком. Только с друзьями по науке он делался разговорчивым и охотно делился своими обширными знаниями.

После того как он стал обладателем состояния, изменился только бюджет его физической лаборатории в старом герцогском доме. Теперь Кавендиш мог позволить себе самые дорогостоящие опыты. И его занятия наукой сделались еще углубленней. В похвальном слове Кавендишу французский физик Жан Био сказал так: «Он был самым богатым из ученых и, вероятно, самым ученым из богачей». Обладая колоссальными средствами, Кавендиш тратил свои доходы не только на научные опыты, но и на поддержку молодых ученых.

Итак, открыв примерно за одиннадцать лет до Кулона закон взаимодействия, Кавендиш, однако, его не опубликовал. Известный электротехник Хевисайд сказал, что это грех — и грех непростительный. Это стоило Кавендишу славы первооткрывателя.

На этом наш рассказ об истории закона Кулона можно было бы закончить, если бы… Если бы не было еще одного исследователя — Дж. Робайсона (1739–1805), который экспериментально доказал, что «действие между сферами в точности пропорционально обратному квадрату расстояния между их центрами». Метод, использованный Робайсоном, основывался на идее о том, что взаимодействующие заряды можно считать точечными, когда размеры сфер, на которых они локализованы, много меньше расстояния между центрами сфер. Установка, с помощью которой англичанин проводил измерения, описана в его фундаментальном труде «Система механической философии» [67] . Сочинение это было издано уже после его смерти, в 1822 году. Но основной закон электростатики не носит имя Робайсона, как вполне могло бы быть, поскольку в это время уже получили повсеместное распространение труды Кулона.

В 1838 году Роберт Майер [68] получил степень доктора медицины. В этом же году он отплыл в качестве судового врача на торговом корабле, направлявшемся в Батавию, что на острове Ява. Во время этого путешествия Майер сделал открытие, перевернувшее всю его жизнь. Оказавшись в тропиках, часть команды серьезно заболела, и Майер одним из методов лечения избрал популярное в то время кровопускание. Производя многочисленные кровопускания на рейде в Батавии, Майер заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что попал на артерию». Он сделал отсюда вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном отношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме… Это было невероятно, но так было не у одного, а у всех пациентов» [69] .

Майер делает вывод, что в тропиках, где жарко и нужно меньше энергии для поддержания температуры тела, не весь кислород отдается тканям, тут окислительные процессы идут при значительно меньшем потреблении кислорода. Было о чем размышлять. Он задумался над вопросом — не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу. Если количество теплоты не изменилось бы, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путем перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменится, то, следовательно, работа и тепло должны быть как-то связаны между собой и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме: «Движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». А это уже фактически формулировка закона сохранения энергии. Ему же принадлежит обобщение закона сохранения энергии на астрономические тела. Майер утверждает, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должно сопровождаться химическими превращениями или механической работой на Солнце: «Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно: она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе». Майеру в то время не было и тридцати лет. В письме к своему другу врачу В. Гризингеру он отмечал, что для своего закона у него есть доказательство от противного — факта невозможности существования вечного двигателя, перепетуум мобиле…

Несмотря на то что Майер сформулировал свои выводы во вполне конструктивной для физиков того времени форме (в частности, он первым определил из измерений теплоемкости газов механический эквивалент теплоты), ему так и не удалось опубликовать их в физических журналах. В ведущем на тот момент журнале «Annalen der Physik und Chemie» его статья была отклонена главным редактором журнала Иоганном Поггендорфом. Тот имел определенные основания отнестись сурово к работе Майера, так как высказанные в ней идеи были изложены еще довольно туманно. Позже эта работа была обнародована в немецком фармакологическом журнале («Annalen der Chemie und Pharmacie») и в брошюре, изданной Майером за свой счет. Но на статью Майера в журнале не обратили внимания вплоть до 1862 года, когда ее обнаружил Клаузиус, то есть через двадцать лет!

В работе 1851 года «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» Майер впервые защищает свой приоритет. Он признает, что открытие сделано им случайно (наблюдение на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета» [70] . Он ссылается на свою статью 1842 года, цитирует ее, приводит значение механического эквивалента теплоты, разъясняет свои взгляды на силу, которую он рассматривает как то, что позднее назвали энергией.

То, что возможно получить тепло за счет выполнения механической работы, с несомненностью было установлено еще опытами Румфорда и Г. Дэви, произведенными в конце XVIII века. Эти опыты говорили о том, что тепловая и механическая энергия — одно и то же и что, вероятно, можно найти экспериментально механический эквивалент теплоты, то есть определить количество работы в механических единицах, эквивалентное данному количеству теплоты в тепловых единицах. Эксперименты, в которых за счет механической энергии создавалась теплота, следовали один за другим. Среди ученых, которые успешно занимались этой проблемой, следует в первую очередь назвать Джоуля [71] . Он целью своей жизни поставил доказать, что теплота — это форма энергии. Джоуль обладал выдающимися способностями физика-экспериментатора. Его страсть к науке была беспредельной. Даже во время медового месяца он находил время для измерения температуры воды у вершины и подножия живописного водопада, около которого они с молодой женой жили, чтобы убедиться, что разность значений температуры воды соответствует закону сохранения энергии!

В 1845 году Джоуль точно измерил количество теплоты, получаемое при преобразовании механической работы в тепловую энергию, и уточнил результат, полученный ранее Майером. Таким образом, усилиями Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее первое экспериментальное доказательство кинетического характера тепла — этой некогда загадочной и таинственной субстанции — и подтвердить возможность перехода одного вида энергии в другой. Но кроме этих двух ученых был еще и третий — с таким же утверждением в 1847 году выступил Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц [72] , которому также приписывают открытие закона сохранения энергии. В отличие от своих предшественников Гельмгольц связывал закон сохранения энергии с невозможностью существования вечных двигателей. Гельмгольц свел все виды сил (позднее получившие название видов энергии) к двум большим типам: живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (потенциальной энергии). Закон сохранения этих сил был им сформулирован в следующем виде: «Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действие сил притяжения и отталкивания, величина которых зависит только от расстояния между точками, уменьшение силы напряжения всегда равно увеличению живой силы, и наоборот, увеличение первой приводит к уменьшению второй. Таким образом, всегда сумма живой силы и силы напряжения постоянна». Довольно туманно звучит, но при желании все становится понятным.