Великий закон природы и его авторы
Великий закон природы и его авторы
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.
Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером физической науки. Что же касается отношения его к работам предшественников Майера и Джоуля, то Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы Джоуля знал недостаточно.
Что же до Майера и Джоуля, то возник спор о приоритете, который вскоре вышел за рамки чисто научного. В своих работах Майер указывал, что закон сохранения энергии, «а также численное выражение его, механический эквивалент теплоты, были почти одновременно опубликованы в Германии и Англии». Он указывает на исследования Джоуля и признает, что Джоуль «открыл безусловно самостоятельно» закон сохранения и превращения энергии и что «ему принадлежат многочисленные важные заслуги в деле дальнейшего обоснования и развития этого закона». Он пишет: «Я убежден, что Джоуль сделал свое открытие о теплоте и силе, не зная моих, и признаю, что многочисленные заслуги этого известного физика внушили мне большое к нему уважение; тем не менее я полагаю, что могу с полным правом подтвердить, что закон эквивалентности тепла и живой силы, с его численным выражением, опубликовал впервые я (в 1842 г.)»[73]. Однако в работах Джоуля и Гельмгольца его имя не встречается: ни в отчете Джоуля о превращениях энергии, опубликованном в журнале Парижской академии «Доклады» («Comptes rendus») в 1847 году, ни в появившейся годом позже упомянутой выше работе Гельмгольца «О сохранении силы».
Но Майер не склонен уступать свое право на приоритет, но спокойный тон его заявлений не может скрыть глубокой душевной травмы, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и «невежеством окружающей среды», по словам К. А. Тимирязева. Кроме того, его обвинили в попытке присвоить чужую заслугу. Последующая жизнь Майера была очень тяжелой. В течение двух лет умерли двое из его трех детей. Местные ученые дразнили его, называя сумасшедшим философом. Его травили в газетах — скромного и честного ученого обвиняли в мании величия. Кончилось все тем, что в 1850 году Майер выбросился из окна своей спальни. Он не сильно пострадал физически, но последующие три года провел в психиатрической клинике. С негодованием писал К. А. Тимирязев о тех, кто преследовал Майера и искалечил его жизнь «за то только, что он был гениальным ученым в среде окружающей его жалкой посредственности»[74].
Майер нашел в себе силы ответить недругам упомянутой выше отдельной брошюрой «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» («Bemerhungen ?ber das mtchanische Aequivalent der W?rme»), вышедшей в 1851 году. По словам Оствальда, «это сочинение было написано кровью Майера, исчерпав его последние силы». Осенью у Майера обнаружилось воспаление мозга, после чего его поместили сначала в частную лечебницу, а затем в казенную психиатрическую больницу. Научную деятельность он смог возобновить лишь в 1862 году.
В последние годы жизни Майер вкусил немного славы. В 1871 году он получил медаль Лондонского королевского общества, позднее его наградила Французская академия наук. Он стал почетным доктором своего родного университета в Тюбингене. Незадолго до смерти, в 1874 году, вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под заглавием «Механика тепла». Майер не был физиком, но зато дал обобщенное понимание закона сохранения, распространив его на явления жизни и космос. А это смущало физиков и рассматривались ими как некие метафизические размышления. Куда понятнее им были эксперименты Джоуля или работы всемирно известного ученого, каким был уже в то время Гельмгольц. Именно этим ученым и приписывают чаще всего приоритет в открытии одного из основополагающих законов природы.