Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен Страница 10

Несмотря на неудачи, Джоуль продолжал работу, желая обосновать взаимопревращаемость теплоты и работы. Следующим шагом к этому стал его самый известный и самый простой в концептуальном отношении эксперимент. Продемонстрировав ранее, что работу можно преобразовывать в теплоту, используя электричество в качестве посредника, теперь Джоуль хотел показать, что электричество задействовать не обязательно, поскольку преобразование может происходить и напрямую. Для этого он оттолкнулся от повсеместно наблюдаемого факта, что при трении двух объектов друг о друга вырабатывается теплота. Чтобы укрепить свои позиции, ему нужно было продемонстрировать, что в ходе этого процесса работа преобразуется в теплоту по тому же “обменному курсу”, который был измерен в экспериментах с динамо-машиной.

При подготовке эксперимента Джоуль вдохновлялся машинами, знакомыми любому пивовару, — резервуарами, в которых на этапе ферментации с помощью манипулятора перемешиваются жидкая мульча хмеля и ячмень. Созданный Джоулем аппарат был гораздо меньше по размеру. Джоуль изготовил металлический цилиндр около 1 фута высотой и 8 дюймов (0,2 м) диаметром. Затем он наполнил его водой и поместил внутрь “крыльчатку” — вращающийся механизм для перемешивания воды. Джоуль полагал, что сила трения, возникающая между лопастями крыльчатки и водой, в которой они двигались, будет вырабатывать теплоту, повышая температуру воды. Как и в эксперименте с динамо-машиной, он с помощью веревки и блоков соединил ось крыльчатки с опускающимся грузом. Таким образом, опускаясь, груз поворачивал крыльчатку, что, в свою очередь, нагревало воду. В результате Джоуль мог приравнять повышение температуры воды к выполненной работе по опусканию груза определенной массы на определенную высоту.

Возникал вопрос, как точнее всего измерить повышение температуры воды. Термометр Джоуля представлял собой ртутный столбик в тонкой стеклянной трубке, который расширялся и сжимался при нагревании и охлаждении. Приступив к экспериментам, Джоуль понял, что даже при активном вращении вода нагревается менее чем на 1 °F. Хотя этого было достаточно, чтобы ртуть расширилась, повышение ее уровня было едва заметно вооруженным глазом и слишком мало, чтобы подтвердить величину механического эквивалента теплоты.

К счастью, в середине 1840-х годов Джоуль познакомился с манчестерским изготовителем линз и очков Джоном Бенджамином Дансером, который прославился изобретением технологии микрофотографии. Она предполагала печать крошечных изображений площадью около 1 квадратного миллиметра на фрагментах фотографической бумаги. На них смотрели через микроскопы конструкции Дансера, которые позволяли увидеть запечатленное изображение. Хотя микрофотография не ставила перед собой научной задачи — на снимках было многое, от Десяти заповедей до собора Святого Павла, — Джоуль понял, что технология поможет ему разглядеть маленькие детали. Он заказал у Дансера термометр, который с помощью увеличительного стекла позволил ему наблюдать за мельчайшими движениями тонкого столбика ртути и проводить точные измерения.

Термометры Дансера, по словам Джоуля, дали ему возможность определять температуру с точностью до одной десятой градуса по шкале Фаренгейта и даже точнее. При использовании в эксперименте с аппаратом с крыльчаткой их показания подтвердили выводы, сделанные по итогам опытов Джоуля с динамо-машиной. В них он оценил механический эквивалент теплоты в 831 фут-фунт. Новый эксперимент дал цифру 781,5 фут-фунта. Джоуль повторил эксперимент, наполнив цилиндр кашалотовым жиром, и получил сходный результат — 781,8 фут-фунта.

Эти опыты, проведенные в разных условиях с разными материалами, показали, что величина механического эквивалента теплоты составляет немногим менее 800 фут-фунтов. Уверенный в справедливости подтвержденной таким образом теории, Джоуль снова попытался о ней рассказать. 28 апреля 1847 года он прочитал в манчестерской церкви публичную лекцию, на которой представил свои доказательства и повторил, что сохранение энергии входит в божественный замысел. Лекция была целиком опубликована в местной газете Manchester Courier, и Джоуль отправил несколько экземпляров своим друзьям. Научное сообщество, однако, интереса снова не проявило.

Тем летом ежегодная встреча BAAS состоялась в Оксфорде, и Джоуль снова вошел в число приглашенных. Теплого приема он и не ожидал, но ситуацию усугубила путаница с расписанием в день его выступления. Организаторы сообщили Джоулю, который должен был представить свои выкладки группе химиков, что на его доклад не остается времени, и предложили ему вместо этого выступить перед физиками, поскольку у них время было. При этом организаторы подчеркнули, что говорить Джоулю следует кратко.

Но для Джоуля и для науки эта путаница оказалась судьбоносной. Наконец, после того как Джоуль целое десятилетие провел в безвестности, в аудитории оказался молодой человек, который заинтересовался его работой. По завершении доклада он поднялся со своего места и принялся задавать вопросы, пробуждая тем самым “живой интерес к новой теории”. Этим человеком был 23-летний Уильям Томсон из Глазго, который уже считался одним из ведущих ученых страны. Много лет спустя он тоже вспомнил эту встречу, а также испытанные недоумение и тревогу: “Сначала я почувствовал побуждение подняться и сказать, что Джоуль неправ, [но] чем дальше я слушал, тем больше убеждался, что Джоуль определенно установил великую истину и совершил великое открытие, а также провел самое важное измерение, прокладывающее для науки дальнейший путь”.

В то время “великое открытие” Джоуля поставило Томсона перед неудобной дилеммой. За прошлые два года он влюбился в проведенный Сади Карно изящный анализ того, как неизменное количество теплорода производит работу, перемещаясь от горячего нагревателя к холодному охладителю. Теперь неприметный ученый из Манчестера утверждал, что теплорода не существует. Проще всего было — как и поступили многие другие слушатели — отвергнуть доказательства Джоуля, по большей части основанные на минимальном повышении температуры, измеримом лишь новыми термометрами.

Но Уильям Томсон обладал удивительной научной интуицией. У него было чувство, что и теория Карно, и эксперименты Джоуля верны, хотя и кажутся несовместимыми. Возможно ли это? И если да, то как?

Несколько десятков лет спустя Уильям Томсон, получивший титул лорда Кельвина за свой вклад в науку, приукрасил историю об оксфордской встрече, когда выступал на открытии памятника Джоулю. По словам Томсона, через несколько недель после знакомства с Джоулем он поехал в отпуск и столкнулся с ученым неподалеку от альпийского курорта Шамони. Джоуль проводил там медовый месяц, но оставил жену в экипаже, а сам с термометром в руке пошел искать водопад, чтобы доказать, что вода наверху холоднее, чем внизу. Две недели спустя Джоуль все еще продолжал свои изыскания, и Томсон даже присоединился к нему в попытке измерить разницу температур на каскадах Салланш. Впрочем, вполне возможно, что Томсон выдумал эту историю, чтобы проиллюстрировать безграничную преданность Джоуля науке. В письме отцу, написанном вскоре после встречи в Альпах, он ничего не говорит о термометрах и температуре водопадов. И все же, пересказывая историю на склоне лет, он назвал ее “одним из самых дорогих воспоминаний в своей жизни”.