Рядовая звезда — Солнце

Рядовая звезда — Солнце

«…Солнце является единственной звездой, у которой все явления могут быть детально изучены», — писал американский астроном Джордж Эллери Хейл, получивший золотую медаль Королевского астрономического общества за метод фотографирования поверхности Солнца и другие работы. В истинности сказанного нет оснований сомневаться и сегодня. И хотя, описывая Солнце и звезды, мы вторгаемся в сферу астрономии и даже астрофизики, другого выхода у нас нет. Солнце действительно является типичной рядовой звездой и вполне может служить меркой — критерием для остальных светил.

Некогда древние мудрецы провозгласили: «Ex nihilo nihil fit» — «из ничего ничто не родится». Прекрасный лозунг материалистического взгляда на мир. Не от него ли произошла великая идея сохранения вещества и энергии, ставшая краеугольным принципом науки? Еще Михаил Васильевич Ломоносов говаривал, взвешивая свои реторты с химическим зельем: «Ежели от одного сколько убавится, то к другому столь прибавится…»

Наблюдая Солнце, Вильям Гершель не раз задумывался над тем, сколько огненной энергии отдает наше светило в окружающее пространство. Отдавать-то отдает, а откуда берет? В. Гершель красиво назвал этот вопрос «великой тайной». Он не нашел на него ответа и оставил, перейдя к другим наблюдениям.

Скромный гейльброннский доктор Юлиус Роберт Майер и думать не думал оказаться причиной ожесточеннейшей полемики таких известных в науке XIX века людей, как Р. Клаузиус, Р. Тэт, В. Гиндаль, Дж. Джоуль и Е. Дюринг. Да еще удостоиться почетного сравнения, сделанного Е. Дюрингом в заголовке статьи «Роберт Майер — Галилей XIX столетия». Чем же столь знаменит оказался бывший судовой врач, скромно и в безвестности проживавший в провинции и пописывающий время от времени сложные научные статьи?

В статьях доктора Р. Майера содержался новый взгляд на силы.

В статьях доктора Р. Майера впервые сформулирован первый закон термодинамики.

В статьях доктора Р. Майера было дано определение механического эквивалента тепла.

Это обстоятельство и явилось предметом ожесточенного спора почтенных метров. Спора не по существу открытого закона, а, увы… по поводу приоритета; спора, кто первый: Р. Майер или Дж. Джоуль!

Вот кто такой был скромный врач из Гейльбронна. В 1847 году Р. Майер задался целью ни более ни менее, как открыть «великую тайну» В. Гершеля, выяснить источники энергии Солнца. А почему бы и нет? Ведь если закон сохранения энергии в самом деле закон для всей вселенной, то и Солнце должно подчиняться общим правилам. Год спустя он за собственный счет издает мемуар «К динамике неба в популярном представлении», начинавшийся словами: «Свет как звук состоит из колебаний, которые из светящегося или звучащего тела распространяются в определенной среде… Для того чтобы звучал колокол или струна, нужно, чтобы внешняя причина привела их в колебание и сила эта есть причина звука… Часто и удачно сравнивали Солнце с непрерывно звучащим колоколом. Но чем поддерживается в его неослабной силе и вечной юности это светило, наполняющее столь чудесным образом небесные пространства своими лучами? Что препятствует его истощению, наступлению равновесия, которое повело бы за собою мрак и смертный холод нашей планетной системы?

Всеобщий закон природы, не допускающий исключений, гласит, что для произведения тепла необходима известная затрата силы. Но последнюю, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести на две главные категории, на „затрату химического материала или на затрату механической работы“. Стало быть, источник солнечной теплоты следует искать в соответствующих двух агентах и выбирать между ними».

Дальше Р. Майер приводит некоторые популярные примеры. Он предполагает Солнце состоящим из одного угля и показывает, что при этом оно полностью сгорело бы за 4600 лет. Он переводит энергию вращения Солнца в тепло и показывает, что в этом случае ее хватило бы всего на 158 лет. Но «…совсем в ином виде представляется дело, если рассматривать Солнце как звено вселенной. По нашей солнечной системе пробегают, кроме известных доселе планет с их 18 спутниками, множество комет, которых, по знаменитому изречению И. Кеплера, в небесном пространстве больше, чем рыб в океане; и сюда же относятся астероиды, которым, судя по видимым нами падающим звездам и огненным метеорам, и числа нет. Поэтому со всех сторон медленно, но непрерывно к Солнцу должен притекать бесконечный поток весомого вещества и, сталкиваясь с ним, превращать механическую силу своего движения в теплоту».

Так выглядела первая формулировка метеоритной, или «динамической» теории Солнца.

При жизни Р. Майера его идеи не были широко известны просвещенному миру. И причина этого вовсе не в том, что сам доктор, по деликатному замечанию биографов, подвергался «продолжительному и, говорят, не совсем произвольному лечению холодной водой». (Такой метод был распространен в те годы в психиатрических лечебницах.) Просто его работ не знали. Но «идеи рождает время, и они носятся в воздухе». И потому скоро в Англии автором метеоритной гипотезы прослыл некий Дж. Ватерстон. Потом эта гипотеза подвергалась тщательной разработке В. Томсоном, который пришел в восторг от новой идеи связать излучение Солнца с потерей массы. Правда, было одно сомнение: «…если бы метеориты или подобные им тела стремились в подобающем количестве к Солнцу, то даже здесь у нас, за 150 миллионов километров от Солнца, ими кишел бы воздух; от их ударов Земля была бы раскалена докрасна; геологические пласты состояли бы в значительной степени из метеоритов; влияние их сказалось бы на движении Земли». Ведь метеоритного топлива требовалось нашему светилу порядочно. По расчетам того же Р. Майера, энергии падения Луны хватило бы Солнцу в лучшем случае на год для поддержания существующей интенсивности излучения. Нет, в таком откровенном виде эта гипотеза, пожалуй, не годилась.

В одной из своих популярных лекций немецкий медик и физик Г. Гельмгольц высказал любопытную мысль: если принять предположения П. Лапласа о том, что Солнце и его система произошли из туманности, причем процесс сжатия небесных тел не прекратился, а продолжается и поныне, то не может ли этот самый механизм сжатия восполнять потери на излучение? То есть не может ли механическая энергия сжатия переходить в тепловую?

Г. Гельмгольц произвел расчеты и получил интересные цифры. Сокращение диаметра Солнца всего на одну десятитысячную обеспечило бы покрытие тепловых потерь в течение более чем двух тысячелетий.

Против теории Г. Гельмгольца выступил инженер Карл В. Сименс, член гигантской фирмы «Сименс и Гальске», основанной его братом Эрнстом.

К. Сименс жил в Англии, где принял имя Вильяма, и был известен как сторонник и пропагандист всевозможных регенераторов к паровым машинам, регенеративных печей, регенеративных конденсаторов и прочее.

Экономный, как все немцы, В. Сименс не мог потерпеть того факта, что львиная доля солнечной энергии теряется в мировом пространстве и лишь ничтожная часть употребляется с пользой, нагревая планеты. Чтобы исправить положение, он предложил гипотезу, якобы объясняющую возвращение Солнцу истраченного тепла. Для этого он заполнил все мировое пространство газами, конечно, находящимися в разреженном состоянии. Каждое светило силой притяжения создает себе из этих газов атмосферу. Нижние слои ее состоят из тяжелых газов, верхние из легких, например из горючего водорода.

Теперь представим себе огромный солнечный шар, бешено крутящийся в пространстве. С экватора его под действием центробежной силы должны срываться огромные массы тяжелых газов и улетать прочь. Одновременно через полюсы к нему будут притекать потоки нового легкого и горючего газа, который, сгорая, возмещает потери Солнца на излучение. В. Сименс предлагает модель Солнца в виде некой регенеративной печи, в которой происходит восстановление жидкого вещества из продуктов сгорания… Странная с современных позиций гипотеза пользовалась успехом. Ф. Розенбергер, автор капитального труда «История физики», в 1892 году пишет: «Приведенные теории сохранения солнечной энергии (имеются в виду гипотезы Р. Майера, Г. Гельмгольца и В. Сименса. — А. Т.) не противоречат друг другу, не заключают в себе ничего невероятного и могут существовать рядом. В настоящую минуту самая живая из них теория Сименса, но наиболее грандиозная, без сомнения, майеровская, так как она соединяет нашу систему с прочими телами вселенной и обещает сохранение солнечной системы вплоть до всеобщего конца, т. е. до выравнивания энергии во всей вселенной».

Интересная цитата, если вдуматься. Некогда, занимаясь исследованием работы паровых машин, С. Карно пришел к выводу, что даже при отсутствии всякого трения ни одна машина, превращающая тепло в работу, не может иметь стопроцентного коэффициента полезного действия, КПД. Дело в том, что часть тепла, а значит и тепловой энергии, непременно от котла переходит к конденсатору, нагревая последний. Следовательно, часть энергии будет всегда теряться, повышая температуру конденсатора. Так будет происходить до тех пор, пока температура котла и конденсатора не сравняется. После чего машина перестанет работать. Отсюда С. Карно пришел ко второму принципу термодинамики, обобщенному в дальнейшем Р. Клаузиусом и В. Томсоном. Сегодня этот закон читается так: «В замкнутой системе любые процессы приводят к нарастанию энтропии». Энтропия — это мера обесценивания энергии.

Солнечная система тоже может служить иллюстрацией к этому закону. В соответствии со сформулированным принципом эволюция идет только в одну сторону. Следовательно, в конце всегда смерть. Но раз в промежутке существование, то должно было быть и начало, то есть рождение. Пусть рождение солнечной системы обязано проявлению космических сил. А если распространить второй принцип термодинамики на весь мир? Кто его создал? Похоже, что как ни верти, а без бога не обойдешься. Вот к какому выводу приводит нас безобидная цитата.

Против «тепловой смерти вселенной» выступали многие выдающиеся ученые XIX века. И сейчас страхи по этому поводу имеют чисто исторический интерес. XX век вообще положил конец умозрительным заключениям, выступавшим нередко в прошлом в качестве научных гипотез. Новое время предложило и новые методы. Чтобы двигаться дальше, нужно было прежде обобщить накопленную информацию. Непрерывное же выдвижение гипотез напоминало бег на месте.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.