Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - [9]
Портрет Джеймса Томсона, отца Уильяма.
Уильям Томсон в возрасте 22 лет.
Немецкая гравюра 1873 года, посвященная Университету Глазго, где лорд Кельвин учился и занимал должность профессора.
Паровая машина лежала в основе промышленной революции, произошедшей в Англии в конце XVIII века, а затем и в остальных странах Западной Европы, а также США. Возможно, это период самых глубоких социальных, экономических, технологических и культурных изменений в истории. Важность паровой машины заключалась, без сомнения, в том, что она использовалась как в промышленности, так и на транспорте. Схема ее работы показана на рисунке 1 — она очень проста. Сначала с помощью любого топлива нагревается до кипения вода; затем пар проходит через поршень, который, используя давление пара, приводит в движение зубчатый механизм, производящий энергию, необходимую для работы любого механического устройства. Как только пар выполнил свою функцию, он выходит из устройства и охлаждается в конденсаторе, превращаясь в воду и возвращаясь в котел.
РИС 1
Первое механическое изобретение, основанное на свойствах пара, показано на рисунке 2. Этоэолипил, изобретенный Героном Александрийским в I веке. Он состоял из металлического шара, закрепленного на оси, позволяющей ему вращаться. К шару были подсоединены две кривые трубки, находящиеся друг напротив друга. После закипания воды в емкости пар выходил через трубки и заставлял шар вращаться. Османский ученый Такиюддин аш-Шами в 1551 году, испанский изобретатель Херонимо деАянс-и-Бомон в 1606 году и итальянский инженер и архитектор Джованни Бранка в 1629 году также разработали устройства, основанные на производстве пара. В 1690 году французский физик и математик Дени Папен был первым, кто приспособил к одному из этих аппаратов поршень, а в 1698 году английский изобретатель Томас Севери первым начал продажу насоса для выкачивания воды, работа которого также основывалась на свойствах пара. Британский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году, немецкий ученый Якоб Леупольд в 1720 году и английский инженер-строитель Джон Смитон в 1789 году способствовали значительному прогрессу, результатом которого стали работы шотландского математика и инженера Джеймса Ватта, сконструировавшего в 1763-1775 годах машину, которая произвела революцию в промышленности.
РИС 2
Франция — это, без сомнения, альма-матер моей научной молодости и источник восхищения красотой науки, которое влекло и вело меня в течение всей моей карьеры.
Уильям Томсон в речи, произнесенной в связи с вручением ему ордена Почетного легиона в 1881 году
Лиувилль попросил Томсона написать статью, проясняющую этот вопрос, и тот смог доказать, что между обоими представлениями об электрической силе нет противоречий. В случае с двумя взаимодействующими зарядами, как доказал Томсон, силовые линии располагаются симметрично вокруг прямой, соединяющей оба заряда, так что интенсивность силы, возникающей между ними, определяется законом Кулона. В случае взаимодействия с более сложной геометрией также нет никаких расхождений. С кулоновской точки зрения итоговое взаимодействие задано суммой взаимодействий между парами зарядов. Согласно Фарадею, каждый из этих отдельных зарядов производит помеху в пространстве, которая представлена силовыми линиями, так что сила, действующая на каждый заряд, связана с этой помехой.
В этой работе Уильям также подошел к специфической проблеме вычисления распределения электричества, производимого бесконечно распространенной проводящей плоскостью и электрическим зарядом, расположенным вблизи этой плоскости. Он решил эту задачу тремя разными способами и послал их Лиувиллю. В первом способе он воспользовался методом, введенным английским физиком и математиком Джорджем Грином (1793-1841), о котором впервые узнал из работы британского математика Роберта Мерфи (1806-1843), появившейся в 1832 под заглавием «об обратном методе определенных интегралов». До отъезда в Париж Уильям безуспешно искал работу Грина «Очерк о применении математического анализа к теориям электричества и магнетизма», которая была опубликована в 1828 году. К его удивлению, преподаватель математики Уильям Хопкинс, готовивший его к трайпосу, подарил ему в день отъезда во Францию два экземпляра книги Грина.
В Париже Томсон узнал, что и там найти работу Грина непросто, поэтому подарил один из своих экземпляров Лиувиллю. При этом он восхитился Грином и Фурье и поделился с другом своими идеями о тождестве между тепловым потоком и электричеством. С этой работой Грина связана забавная история. Однажды вечером, вскоре после приезда Томсона в столицу Франции, в его квартире появился Штурм и воскликнул: «У вас есть работа Грина - мне об этом сказал Лиувилль!» Уильям дал Штурму книгу, и французский математик провел в его доме несколько часов, изучая работу. При этом Штурм выяснил, что Грин за несколько лет до него сформулировал некоторые наиболее важные теоремы, доказанные французом.
Во второй части доклада для Лиувилля Томсон, чтобы получить соответствующие итоговые формулы, использовал известные ему методы Фурье. В третьей он применил оригинальный способ решения — так называемый метод изображений, который используется для решения самых разных задач, не только в области электромагнетизма. Этот метод вертелся у него в голове еще до выезда из Кембриджа, и в итоге он сформулировал его в первые недели пребывания в Париже.
