Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез - [26]

ГЛАВА 6 Тепло, энергия, энтропия и атомы

Никто не мог представить себе, что изучение динамической эволюции «облака метеоритов» в пространстве (колец Сатурна) может послужить основой работы о поведении газов. Но именно так и было. В Абердине Максвелл осуществил одну из самых важных работ в своей карьере — в области, которая была очень актуальна для физиков того времени, несмотря на то что эту тему обсуждали еще со времен античности. Кроме того, Максвелл сформулировал первый статистический закон в истории физики, известный сегодня как распределение молекул газа по скоростям.

Максвелл сильно подружился с ректором колледжа, преподобным Дэниелом Дьюаром. Он часто приходил к нему домой, и однажды Дьюар предложил ему провести каникулы с его семьей. Джеймс и дочь преподобного, Кэтрин Мэри Дьюар, начали испытывать взаимное влечение. Насколько нам известно, Максвелла впервые поразила стрела Купидона после разочарования, которое он пережил за пять лет до этого. Тогда он влюбился в свою двоюродную сестру Элизабет (Лиззи) Кей и попросил ее руки. Она согласилась. Однако свадьба не состоялась: семья, обеспокоенная кровным родством, убедила молодых людей расстаться. Максвелл объявил о своем браке родным 18 февраля 1858 года: 

«Дорогая тетя, этим письмом я хочу сообщить Вам, что у меня будет супруга. Не бойтесь: она не математик, ведь есть и другие вещи, кроме этого». 

Свадьбу отпраздновали в начале июня. Это был необычный союз для того времени, поскольку новобрачной было 34 года, то есть она была на семь лет старше своего мужа. Медовый месяц они провели в Гленлэре, и Кэтрин как могла помогала Максвеллу в его экспериментах с цветом. Их работа была настолько эффективной, что кривые смешения цветов, которые они получили, оказались очень близки к принятым в 1931 году Международной комиссией по освещению.

Менее чем через год, в апреле 1859-го, в руки Джеймса попала статья, привлекшая его внимание к актуальной физической проблеме, которая пересекалась с его работой над кольцами Сатурна. Речь шла о явлении диффузии газов, которое происходит, когда мы, например, открываем флакон духов и его запах распространяется по комнате. Данная статья была написана немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (1822-1888), чье имя осталось навсегда связанным с термодинамикой — наукой о тепле.

НОВАЯ НАУКА

В XIX веке была установлена связь между механической и тепловой энергией. Это способствовало в свою очередь распространению механической концепции природы. Трое ученых, родившихся между 1818 и 1824 годами, — Джеймс Джоуль, Уильям Томсон и Рудольф Клаузиус — превратили изучение тепла в полноправную научную дисциплину — термодинамику. Данный термин вначале обозначал изучение только тепла, сегодня же он применяется к науке о трансформациях энергии в любой ее форме. Джоуль и Томсон, набожные люди, видели в энергии подарок Бога, награду Всевышнего, которая будет всегда. Физические силы, в их понимании, управляли только недолговечными явлениями мира. Физика была на грани того, чтобы перестать быть наукой о силах и стать наукой об энергии.

Первым ключевым моментом грядущих перемен можно считать июль 1847 года, когда сын богатого пивовара из Манчестера, Джеймс Прескотт Джоуль, представил результаты своих исследований на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфорде. Он делал это с 1845 года, но никто не обращал на него внимания. Ему удалось количественно оценить механический эквивалент тепла и доказать, что два понятия, ранее считавшиеся абсолютно различными, — тепло и движение — на самом деле взаимозаменяемы. Однако никто не осознал последствий открытий Джоуля, кроме блестящего молодого ученого по имени Уильям Томсон, который двумя годами ранее, в возрасте 20 лет, окончил Кембриджский университет. Этот шотландский физик вышел с собрания в Оксфорде очень встревоженным. «Идеи Джоуля немного сводят меня с ума», — признался он своему брату Джеймсу.

В тот момент, когда Томсона одолевали подобные мысли, в его руки попала работа под заголовком «О сохранении силы* (1847). Ее автором был немецкий физик и врач Герман фон Гельмгольц. Он написал ее на основе лекции с тем же названием, которую он прочел в Берлинском физическом обществе в том же году. Фон Гельмгольц, используя математику, впервые дал определение тому, что через несколько лет стало известным как «первое начало термодинамики», или «принцип сохранения энергии»: 

«Каково бы ни было число трансформаций, производимых во Вселенной, и какого бы они ни были типа, общая сумма всех сил [энергий) Вселенной остается постоянной». 

Сказанное фон Гельмгольцем по сути повторяло то, что до этого говорил Джоуль: работа и тепло — два проявления одного и того же. Тщательные эксперименты Джоуля доказали: понятие «тепла тела» обманчиво, поскольку оно заставляет думать, что мы говорим о каком-то типе вещества, когда на самом деле объект может увеличить свою температуру двумя способами — войдя в контакт с другими, более теплыми телами, или совершив работу. Результат обоих действий идентичен.

Томсон объединил идеи Джоуля и фон Гельмгольца и в 1851 году опубликовал статью «О динамической теории тепла», в которой разработал весь математический аппарат, лежащий в основе принципа сохранения энергии. В следующем году Томсон очень подробно развил эти рассуждения в своей немаловажной работе «О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии», где он впервые использовал термин «энергия», введенный в 1807 году англичанином Томасом Юнгом. В заглавии вышеупомянутой работы было описано то, что происходит в реальности, а не в идеальном мире, лишенном механического трения. Она отвечает на вопрос, что происходит с механической энергией в настоящей Вселенной с мельницами и блоками. В ней доказывается, вне всякого сомнения, что тепло связано с движением.