| |
 |
Название шкалы не сокращается до R, как можно было бы ожидать, потому что существует еще шкала температуры по Реомюру, которую разработал французский физик Рене Антуан Фершо де Реомюр в восемнадцатом веке, и буквой R обозначается именно она. На шкале Реомюра точка замерзания воды - 0оК, а точка кипения воды – 80оR. Шкала Реомюра никогда не пользовалась особой популярностью, и сейчас представляет сугубо исторический интерес.
Когда температура и содержание тепла стали легкоизмеримыми явлениями, ученые радостно приняли их под свое крыло, и стали по-новому смотреть на энергию. С наступлением девятнадцатого века энергия перестала рассматриваться, как нечто, неотрывное от движения. Усиленное внимание к механической энергии привело к замечательным достижениям в семнадцатом и восемнадцатом столетиях, но теперь требовалось нечто большее.
Паровая машина ясно продемонстрировала, что тепло может совершать работу так же, как и падающее тело, и что теплоту, соответственно, можно считать одной из форм энергии. Магнетизм тоже был признан одной из форм энергии (собственно, в некоторой степени это было ясно уже в средние века), а проводимые в восемнадцатом веке эксперименты с электричеством показали, что оно тоже является формой энергии.
Само слово «энергия» в науку ввел в 1807 году английский физик Томас Янг. Наиболее важные из его исследований касались света – еще одной из форм энергии. За несколько десятилетий термин «энергия» расширился до его сегодняшнего понимания и стал означать все, что может производить работу.
Многие ученые стали понимать, что закон сохранения энергии казался нечетко соблюдаемым просто потому, что при оценке не учитывались некоторые из ее форм, в первую очередь – тепло. Так, например, стало ясно, что потери механической энергии при трении сопровождаются выработкой тепла, а значит, вполне возможно, что потери механической энергии уравновешиваются производством энергии тепловой?
В этом отношении выдающимся экспериментатором был английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, занимавшийся изучением того, сколько тепла может произвести тот или иной объем работы. Если закон сохранения энергии действительно верен, то при точном учете всех ее форм заданный объем работы должен приводить к образованию одного и того же количества тепла, вне зависимости от того, какая форма энергии использовалась при совершении работы.
Джоуль начал свои измерения в 1840 году и продолжал их на протяжении целого поколения. Он производил тепло путем пропускания электрического тока через проволоку, путем наливания воды в тонкие стеклянные трубки, взбивая лопастями сначала воду, потом масло, потом ртуть, путем трения чугуна, путем пропускания электричества напрямую через раствор, путем вращения проволочной спирали между полюсами магнита…
И каждый раз он подсчитывал количество совершенной работы и количество произведенной при этом теплоты, и обнаруживал, что одно и то же количество работы, вне зависимости от источника энергии, всегда приводило к образованию одного и того же количества теплоты. Таким образом Джоуль разработал «механический эквивалент теплоты». Оказалось, что одной калории тепла соответствует примерно 41 800 000 эргов работы. В честь Джоуля его именем назвали единицу в 10 000 000 эргов, так что мы можем сказать, что 1 калории соответствует 4,18 джоуля.
Джоулю в 1840-х гг. казалось ясным, что следует признать, что в реальном мире энергия действительно сохраняется, если учитывать все без исключения ее формы. По крайней мере, ему не встретилось ни одного случая, где энергия бы не сохранялась. И в течение того же самого десятилетия то же самое поняли и двое немецких ученых – Юлиус Роберт фон Майер и Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц.
Сегодня именно Гельмгольцу принято отдавать пальму первенства в отношении точной и однозначной формулировки принципа сохранения энергии. Этот принцип ученый изложил в книге, изданной им в 1847 году. Согласно изложенному в книге, энергию невозможно ни создать, ни уничтожить, она может только переходить из одной формы в другую. Иными словами, общее количество энергии во вселенной неизменно, и никогда не было и не будет иным; нельзя сделать его ни на йоту больше и ни на йоту меньше.
Из некоторых замечаний, находимых в трудах Майера, можно сделать вывод, что это этот принцип принял еще в 1842 году. И он пошел еще дальше, чем Гельмгольц, причем в том аспекте, который крайне важен для нас в рамках нашей книги. Майер решил, что источником всей энергии, которая есть на Земле, являются солнечный свет и тепло. Более того, он решил, что источником энергии, которую тратят все живые существа, включая человека, тоже является исключительно солнечное излучение. Из этого следовало, что закон сохранения энергии распространяется не только на неживые, но и на живые объекты.
Этот вывод Майера является крайне важным. Человечество всегда считало, что между живой и неживой природой – пропасть. Именно с описания этой пропасти я и начал книгу. До девятнадцатого века законы, выводимые учеными для описания деятельности вселенной, распространялись либо на живые существа, либо на неживую природу, но никогда – и на то, и на другое вместе. Планеты двигаются в некоем строго определенном и неизменном порядке, а живые существа – по своему усмотрению. Камень всегда падает вниз, дым – всегда поднимается вверх, но человек может и лечь и подпрыгнуть, как сам того пожелает. С другой стороны, человек или мышь могут поддаться страху или гневу, а кирпич – нет.
И вот впервые родилось предположение о том, что закон природы – закон сохранения энергии – применим в равной степени к живой и к неживой природе. Это был важнейший шаг к пониманию жизни как таковой; возможно, вообще первый шаг к тому, чтобы сделать изучение живой ткани чем-то большим, нежели просто описание.
Но, кажется, мы уходим в сторону от цели данной книги, как я описал ее в первой главе. Я писал о том, что понятия работы и энергии помогут нам найти более четкую, чем интуитивная, границу между живой и неживой природой. А сейчас мы, кажется, движемся в обратном направлении – стирая эту границу вообще.
Но не сдавайтесь! Изучение энергии в девятнадцатом веке подразумевало не только открытие закона ее сохранения, и мы это скоро увидим.
Глава 5
Тепловые потоки
Принятие представления о сохранении энергии стало в некоторой степени фундаментальной переменой в системе взглядов человека на вселенную, переменой, даже сейчас не полностью пронизавшей весь образ мысли человека. Люди всегда верили, что вера может двигать горы; что с помощью волшебной палочки феи или лампы Аладдина можно построить дворец во мгновение ока; что сапоги-скороходы могут за считанные минуты переносить своего владельца через леса и горы…
А теперь все эти картинки исчезают, стоит лишь задать простой вопрос: где взять на это энергию?
Если уж нам приходится разбить радужные мечты и настоять на том, что все сводится к балансу поступления и потери энергии, то давайте уж убедимся, что мы действительно имеем на это право. Иными словами, насколько мы можем быть уверены в действенности закона сохранения энергии? Можем ли мы доказать, что он действительно существует?
Если честно – нет. По крайней мере, на данный момент. Убедительных причин, которые однозначно не позволяли бы создавать или уничтожать энергию, никто еще не сформулировал. Мы можем утверждать лишь, что ни в одном из тщательнейших наблюдений, ни в одном из самых разнообразных экспериментов, от Джоуля до наших дней, не было зафиксировано ни одного случая, когда энергия возникала бы ниоткуда или исчезала в никуда.
Пока не будет отмечен хоть один такой случай, и пока на практике допущение, что закон сохранения энергии действует, приносит неоценимую пользу в неисчислимом количестве сфер деятельности, ученые от него не откажутся. Они не могут доказать существование этого закона, но уверены в нем, как мало в чем другом.
Лишь однажды глубокая убежденность в существовании закона сохранения энергии была поколеблена. Это произошло в 1896 году, когда было открыто явление радиоактивности. Именно тогда обнаружилось, что некоторые элементы, например, уран, непрерывно производят энергию, казалось бы, ниоткуда.
Однако уже в 1905 году физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн опубликовал новую, в огромной степени фундаментальную, теорию строения вселенной (ныне обычно именуемую «специальной теорией относительности»), где все прояснилось за счет того, что в расчет была включена и масса.
Дело в том, что, масса сама по себе также представляет собой сохранное явление. Этот факт ученые с большим удивлением обнаружили только в конце восемнадцатого века. Неискушенному наблюдателю кажется, что, например, горящая свечка постепенно тает, и ее масса исчезает. А когда железо ржавеет – оно, наоборот, набирает вес, и это кажется примером «появления» массы. Такие выводы вполне возможно сделать, если упустить из виду переход твердого или жидкого вещества в газ, или, в противоположном случае – поглощение газов из атмосферы.
В 1770-х гг. французский химик Антуан Лоран Лавуазье возвел в систему применение количественных измерений к химическим экспериментам, и полученные им результаты быстро убедили прочих химиков в необходимости взвешивать и измерять все, что только можно взвесить и измерить. Проводя реакции горения и ржавления в замкнутых емкостях, Лавуазье доказал, что если учитывать массу газов, которые производятся в результате горения, или поглощаются в результате ржавления, то каких-либо заметных изменений массы реагентов не происходит!
Таким образом был провозглашен «закон сохранения массы», гласящий, что масса может переходить из одной формы вещества в другую, но не может быть ни создана, ни уничтожена. Иными словами, общее количество массы во вселенной всегда одинаково.
Законы сохранения массы и энергии формулируются схожим образом, и всю вторую половину девятнадцатого века эти два закона считали аналогичными, но независимыми друг от друга обобщениями.
И только Эйнштейн в 1905 году сумел показать, на основе немногих базовых принципов, что массу можно рассматривать, как одну из форм энергии. По его теории, выходило, что крайне малое количество массы соответствует весьма большому количеству энергии. Этот принцип выражен в знаменитой формуле Эйнштейна, e=mc2, где е – это энергия, m – масса, а с – скорость света. Из этой формулы видно, что 1 грамм массы соответствует примерно 21 500 000 000 000 джоулей энергии.
Таким образом, энергия, высвобождаемая при проявлениях радиоактивности, перестала быть загадкой. Стало ясно, что она появляется за счет потерь массы, столь малых, что приборы того времени не могли их зафиксировать. С тех пор появились гораздо более точные приборы, и с их помощью теория Эйнштейна обрела документальное подтверждение.
Высвобождение энергии при взрыве атомных бомб и выработка ее в ядерных реакторах тоже происходит за счет потерь массы. Еще важнее, что таким же образом объясняется и способность Солнца на протяжении множества веков выплескивать в пространство энергию в огромных количествах. Этот вопрос очень интересовал Гельмгольца, и в итоге ученый пришел к предположению, что Солнце постепенно сжимается, таким образом потенциальная энергия его уменьшается, и переходит в тепло и свет. Такая картина не лишена логики, но если бы она соответствовала реальности, то в истории солнечной системы пришлось бы предположить некоторые факты, которых быть не могло в принципе; астрономы эту теорию принимать отказались.
Когда же выяснилось, что солнечный водород можно превратить в гелий с некоторой потерей массы, а следовательно – с высвобождением большого количества энергии, то феномен солнечного излучения (равно как и как и феномен излучения звезд вообще) стало возможным объяснить, исходя из закона сохранения энергии.
Сейчас уже понятно, что говоря «энергия», мы включаем в это понятие в том числе и массу; чтобы это стало очевидным, зачастую говорят о «законе сохранения массы-энергии».
Таким образом открытие радиоактивности, сперва пошатнувшее закон сохранения энергии, в конечном итоге еще прочнее утвердило его в более стойком и незыблемом виде.
На самом деле, практики интуитивно использовали этот принцип еще задолго до того, как физики сумели убедительно доказать его на экспериментальном материале. Еще в 1775 году парижская академия наук отказалась рассматривать какие бы то ни было проекты устройств, о которых заявлялось, что они будут производить энергии больше, чем потреблять. Такое устройство, если бы его существование было возможным, могло бы производить работу и вместе с тем продолжать работать за счет энергии, производимой им же самим. Получился бы пресловутый «вечный двигатель». И сейчас патентное бюро США не будет рассматривать вопрос о патентовании устройств, включающих в себя «вечный двигатель», если только податель заявки не предъявит действующую модель своего изобретения. Надо ли говорить, что такого ни разу до сих пор не произошло?
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
