14. Знание – сила - Изобретение науки. Новая история научной революции - Дэвид Вуттон - RutLib.com

Книга: Изобретение науки. Новая история научной революции

14. Знание – сила

Я никогда бы не поставил физиологию так высоко, как теперь, если бы думал, что она может лишь научить человека понимать природу, но не управлять ею, и что она служит лишь для того, чтобы приятными догадками услаждать его разум, не повышая его силу.

Роберт Бойль. Размышления (1663)

§ 1

Каковы взаимоотношения между научной революцией и промышленной революцией, между революцией математиков и революцией механиков? Заявление, с которого начинается эта книга, – о том, что научная революция стала самым значительным событием со времен неолитической революции, – зависит от ответа на этот вопрос. Если научная революция была событием лишь в мире идей, ее значение довольно ограниченно, но если она открывает путь к власти над природой, то промышленную революцию можно рассматривать просто как продолжение научной революции, распространение процедур, языка и культуры новой науки на более широкие социальные слои техников и инженеров. Нет никакого сомнения, что Бэкон и его последователи стремились преобразовать мир при помощи новой науки. В середине XVIII в. «История Королевского общества» Берча начиналась с эпиграфа, цитаты из Бэкона: «Натурфилософия, как я ее понимаю, не соскальзывает в возвышенные и утонченные спекуляции, но практически применяется для облегчения неудобств человеческого состояния». Девиз Французской академии наук, основанной в 1666 г., «Naturae investigandae et perficiendis artibus» («Исследование природы и совершенствование техники»), в 1699 г. был изменен на более звучный, «Invenit et perficit» («Прогресс через открытия»).

Теперь нам легко найти проявления наивного энтузиазма у некоторых первых ученых: например, Амброзио Саротти, который приехал в Англию со своим отцом Паоло, венецианским послом (1675–1681), а после возвращения домой организовал научное сообщество, проводившее эксперименты с вакуумом. Через год он с гордостью объявил коллегам: «Если бы с начала времен все люди объединились и каждый год делали бы то, что вы одни сумели сделать за этот год, то теперь жили бы так счастливо, как в земном раю». И это несмотря на то, что они не открыли ничего полезного. Неудивительно, что не все были убеждены в полезности новой науки. Джонатан Свифт написал третью книгу «Путешествий Гулливера» (1726) с единственной целью – отрицания этой полезности. В то же время его нападки свидетельствовали, что он сомневался в своей правоте и пытался определить природу врага. Лапута – это летающий остров, которым управляли ученые, настолько одержимые математикой, что не обращали внимания на мир, который их окружает: они прибегали к услугам пажей с пузырями, которые хлопали их по губам и ушам, чтобы напомнить о том, когда нужно слушать, а когда говорить. Но на земле, в Бальнибарби, колонии лапутян, была создана академия в подражание той, что существовала на летающем острове, и ученые в ней преследовали практические цели в высшей степени непрактичными методами, такими как извлечение солнечных лучей из огурцов и получение ткани из паутины. И только губернатор не одобрял все эти изобретения:

Он рассказал мне, что на расстоянии полумили от дома у него была отличная мельница, которая работала водой, отведенной из большой реки, и удовлетворяла потребности как его семьи, так и большого числа его арендаторов. Около семи лет тому назад к нему явилась компания прожектеров с предложением разрушить эту мельницу и построить новую на склоне горы, по хребту которой они собирались прорыть длинный канал в качестве водохранилища, куда вода будет подниматься при помощи труб и машин и приводить в движение мельницу, так как ветер и воздух, волнуя воду на вершине, сделают ее будто бы более текучей и при падении по склону ее понадобится для вращения мельничного колеса вдвое меньше, чем в том случае, когда она течет по почти ровной местности. Его превосходительство сказал, что, будучи в несколько натянутых отношениях с двором и уступая увещаниям друзей, он согласился привести этот проект в исполнение; после двухлетних работ, на которых было занято сто человек, предприятие развалилось, и прожектеры скрылись, свалив всю вину на него; с тех пор они постоянно издеваются над ним и подбивают других проделать такой же эксперимент, с таким же ручательством за успех и с таким же разочарованием напоследок.

Свифт не указал, какие именно «машины» использовались, но, вне всякого сомнения, он имел в виду паровые машины, которые обычно применялись для подъема воды. Таким образом, Свифт считал новую науку абсолютно непрактичной и в то же время одержимой практичностью. Такое сочетание нельзя назвать невозможным – примером тому может служить Саротти – однако оно может поставить в тупик.

Со времен Свифта историки науки не слишком углубили наше понимание связи между наукой и техническим прогрессом. Естественно, сторонники марксизма хотели доказать, что новая наука была результатом новых социальных отношений. В 1931 г. русский историк Борис Гессен (он был казнен в 1936 г., в начале сталинского Большого террора) утверждал: «Наука развивалась вместе с буржуазией. Буржуазии для развития ее промышленности нужна была наука, которая исследовала бы свойства физических тел и проявления сил природы». Но не только марксисты предполагали, что новая наука мотивировалась возможным практическим применением: Роберт К. Мертон в своем классическом исследовании 1938 г. «Наука, техника и общество в Англии XVII в.» (Science, Technology and Society in Seventeenth-century England) подчеркивал роль пуританства в поощрении полезного знания и вслед за Гессеном утверждал, что целью науки XVII в. действительно были практические приложения, хотя и отрицал марксистские допущения Гессена.

Тем не менее авторы ряда исследований (самым влиятельным из них считается работа Альфреда Руперта Холла) заявляли, что им удалось показать: независимо от намерений ученых, на практике новая наука не оказывала почти никакого влияния на технический прогресс. Показательным примером считалась паровая машина Уатта (1765). Уатт сконструировал свою новую машину в Глазго, где Джозеф Блэк предложил теорию «скрытой теплоты» (ок. 1750). Впоследствии Блэк сотрудничал с Уаттом и внес вклад в конструкцию новой машины. Был ли Уатт знаком с понятием скрытой теплоты, когда задумывал свою машину, и помогли ли ему теоретические знания? Он настаивал, что нет, и историкам приходится (нехотя) верить ему на слово. Теперь часто цитируется фраза Лоуренса Джозефа Хендерсона (вероятно, произнесенная в 1917): «Наука больше обязана паровой машине, чем паровая машина науке». В конце концов, Сади Карно разработал удовлетворительную теорию паровой машины только в 1824 г., через сто лет после появления первой машины Ньюкомена и через шестьдесят лет после Уатта. Холл считал, что мы не сильно погрешим против истины, если скажем, что «инженерное дело ничем не обязано науке вплоть до конца XVIII в. Томас Кун противопоставлял науку и технику по крайней мере до 1870-х гг.

Можно предположить, что специалисты по истории техники стремились поставить под сомнение это несоответствие теории и практики – но поначалу эти же люди изучали историю науки. Самая серьезная атака на традиционные взгляды была предпринята совсем недавно, причем с неожиданной стороны: ее начали современные исследователи истории экономики в период промышленной революции, подчеркивавшие значение квалификации и технических новшеств в том, что они называют «экономикой знаний».

В данном вопросе современные специалисты по истории экономики правы (как мы вскоре убедимся). Те же, кто настаивает на ключевой роли науки в промышленной революции, должны ответить на простой и ставший уже классическим вопрос: какую роль наука играла в изобретении паровой машины? Но сначала нужно расшифровать простое, на первый взгляд, понятие практического знания. Главный вопрос здесь связан со временем: сколько времени следует ждать, прежде чем объявить теоретическое открытие или техническое достижение бесполезным для практики? Должна ли, как предполагал Холл, новая наука быть современной по отношению к технике, которая создана на ее основе?

Возьмем, например, баллистику. Изначально Галилей надеялся, что такие его открытия, как закон (как мы его теперь называем) падения тел, а также параболическая траектория снарядов совершат революцию в артиллерии. Когда его ученик Торричелли приступил к практическим опытам с пушечными ядрами с целью проверить теории Галилея, выяснилось, что траектория отличается от параболической: он утверждал, что теория верна, но ее нельзя применять при больших скоростях, поскольку никто не знает, как правильно учитывать сопротивление воздуха (как оказалось, ее можно применять к снарядам, летящим на небольшое расстояние с низкой скоростью). В конечном итоге революцию в баллистике совершили Робинс и Эйлер в период с 1742 по 1753 г. благодаря открытию звукового барьера и пониманию того, как влияет на траекторию вращение снаряда (вызванное намеренно, с помощью нарезки ствола; ядра Торричелли кувыркались в полете). В результате были выведены уравнения для надежного вычисления траекторий. Физика Галилея мыслилась как практическая, но не нашла применения в самой, казалось бы, очевидной области. Тем не менее его идеальная параболическая траектория стала важной предпосылкой для гораздо более сложного анализа реальных траекторий, выполненного Робинсом и Эйлером. Теория Галилея была практической – просто потребовалось целых сто лет, чтобы это понять. В 1780-х гг. для юного Наполеона, обладавшего исключительными математическими способностями, задачи, перед которыми спасовал великий Торричелли, были всего лишь школьными упражнениями – естественно, в Военной школе.

Или возьмем задачу, которая занимала Галилея бо́льшую часть его сознательной жизни: вычисление долготы в открытом море. Угол к северу или югу от экватора (широту) вычислить легко, если знать дату, – по высоте Солнца над горизонтом в полдень. Угол к западу или востоку определить гораздо сложнее, поскольку отсутствует надежная точка отсчета. Галилей выдвигал предположение, что в качестве универсальных часов можно использовать затмения лун Юпитера (которые он открыл в 1610). Имея надежные таблицы, предсказывающие эти затмения, можно определить время, которое показывают эти мировые часы; сравнение местного времени (например, прошедшего после полудня) с временем места, для которого составлены таблицы, позволяет без труда вычислить угол к востоку или западу от точки отсчета. Теория была красивой. Рассчитать движение спутников Юпитера оказалось непросто, но Галилей и его соратники упорно работали, и Галилей даже сконструировал маленькую механическую модель, которая позволяла определить положение спутников без сложных вычислений; его расчеты были бы еще точнее, знай он, что следует учитывать скорость света, поскольку время затмения также зависит от расстояния от Юпитера до Земли.

Но главная трудность была чрезвычайно простой: как смотреть в мощный телескоп на крошечный, удаленный объект и проводить надежные наблюдения на судне, которое прыгает по волнам? Галилей изобрел мощный бинокль, прикреплявшийся к голове, поскольку трудно удерживать телескоп в неподвижности на раскачивающемся корабле, а также нечто вроде кресла на шарнирах для наблюдателя (в шарниры был вмонтирован компас). Проблема вычисления долгот была широко известна: правительства разных стран предлагали огромные вознаграждения тем, кто сумеет ее решить. Галилей хотел добиться бессмертной славы именно этим открытием, а не другими; он пытался претендовать на награду испанских властей, но безрезультатно (его ученик Кастелли отправился в плавание, но был сражен морской болезнью), а в последние годы жизни вступил с тайные переговоры с голландцами в надежде, что они воспримут его идеи и применят на практике, но переговоры закончились неудачей.

Или Галилей был прав? В 1679 г. семья Кассини (они эмигрировали из Италии во Францию, где стали знаменитыми как астрономы и картографы) использовала луны Юпитера для вычисления долготы, но не на море, а на суше. Эти измерения позволили им пересчитать площадь Франции (которая оказалась на 20 процентов меньше, чем предполагали), а также определить форму земного шара (хорошая новость для последователей Ньютона и сокрушительный удар по картезианцам). Галилей оказался прав: спутники Юпитера были перспективным способом измерения долготы. Просто потребовалось шестьдесят лет, чтобы воплотить его предложение на практике, причем только на суше.

Существовали и альтернативные предложения, как вычислить долготу. Долгое время все питали надежду, что определить координаты морякам поможет отклонение магнитной стрелки компаса. Несмотря на усилия нескольких поколений, надежда оказалась иллюзорной, поскольку и магнитное склонение, и магнитное наклонение непредсказуемо меняются. В конечном итоге лучшим оказалось самое простое решение: все, что требовалось, – это взять в путешествие надежный и точный прибор для измерения времени и сравнивать разницу между местным временем (например, местным полуднем) и временем в точке отсчета (например, на Гринвичском меридиане).

Галилей был убежден, что ему удалось доказать, что маятники способны показывать точное время, и он изобрел маятниковые часы (хотя не изготовил их; он уже ослеп, когда заинтересовался этим вопросом, а у его сына, который пытался ему помочь, отсутствовали необходимые навыки). Гюйгенс, не знавший о работе Галилея, изготовил первые маятниковые часы (1656) и уточнил закон движения маятника (1673). Тем временем Роберт Гук, Гюйгенс и Жан де Отфей в период с 1658 по 1674 г. придумали способы управления маховиком (который был изобретен в XIV в. и обладал большей устойчивостью, чем маятник, что делало его более пригодным для мобильных измерителей времени) с помощью пружины, так что маленькие или наручные часы стали надежными измерителями времени. Тем не менее задача конструирования часов для мореплавания была еще далека от решения: такие часы должны оставаться точными независимо от температуры, влажности и качки. Это удалось Джону Харрисону, который в 1735 г. сконструировал первый надежный морской хронометр. Но неужели открытия Галилея, Гука и Гюйгенса тут не сыграли никакой роли? Конечно, сыграли, но их было недостаточно. Для решения задачи потребовалось больше ста лет, но на протяжении всего столетия это решение постоянно приближалось.

Разумеется, часы не были изобретением XVII в. Как мы уже видели, первые механические часы датируются концом XIII в., а их механизм из зубчатых колес был позаимствован от водяных и ветряных мельниц. Водяные мельницы, известные еще древним грекам и римлянам, в те времена не получили широкого распространения, но в процессе средневековой предшественницы промышленной революции, приблизительно в конце 1-го тысячелетия н. э., они появились повсюду. В Книге Судного дня мы находим сведения о том, что в 1086 г. в Англии насчитывалось более шести тысяч водяных мельниц. За ними довольно быстро последовали вертикальные ветряные мельницы: первые, о которых сохранились достоверные сведения, были построены в Уидли, в Йоркшире, в 1185 г. Учитывая тот факт, что самая высокая концентрация средневековых водяных мельниц наблюдалась в Англии, вряд ли можно считать совпадением, что именно в этой стране появились первая вертикальная ветряная мельница и первые механические часы. В качестве источника энергии пар победил воду и ветер только после 1830 г.; в придуманной Свифтом Лапуте, как и в Англии XVIII в., энергия пара не заменяла энергию воды, а дополняла ее.

Тем не менее считалось, что именно изобретения Галилея, Гука и Гюйгенса подготовили почву для появления зубчатых механизмов времен промышленной революции. До середины XVII в. шестерни размечались и вырезались вручную. Гук спроектировал первую машину для изготовления одинаковых шестерен, что сделало возможным массовое производство машин и механизмов. Для того чтобы изготовить свои машины, инженеры XVIII и XIX вв. должны были стать часовщиками (например, Ричард Аркрайт сотрудничал с часовщиком Джоном Кеем, когда в 1769 г. конструировал прядильный станок), а качество их продукции значительно повысилось в результате революции в часовом деле, которая произошла после 1656 г.

Механические часы предоставляют нам прекрасную возможность для сравнения, поскольку мы можем увидеть, как реагировали на них другие культуры, когда знакомились с часами путешественников из Европы. Японцы вскоре начали сами изготавливать часы (точно так же, как ружья), а китайцы не проявили интереса к определению времени по часам и не стали заниматься их изготовлением, хотя еще в XI в. Су Сун изобрел сложные водяные часы для астрономических измерений. С их точки зрения, часы были довольно забавным, но бесполезным предметом роскоши – нечто вроде музыкальной шкатулки. (Точно так же китайцы не торопились перенимать плоды революции в военном деле, хотя порох изобрели в Китае.) Таким образом, распространение механических часов в средневековой Европе вовсе не было неизбежным.

В XIV и XV вв. часы быстро завоевывали популярность: во-первых, европейцы уже привыкли к механике (водяные и ветряные мельницы), во-вторых, движение круглых шестеренок в миниатюре отражало движение небес в системе Птолемея (первые часы часто указывали астрономическое время – фазы Луны, знаки зодиака), а в-третьих, часы представляли собой обезличенный механизм для координации совместных действий (чтение молитв в монастырях и соборах, открытие и закрытие рынков в городах и деревнях). Эгалитарные общины (города, монастыри и церковные приходы, выбиравшие своих глав) управлялись по часам – в отличие от деспотий. Для часов выделялись видные места в монастырях, соборах и муниципалитетах, но в королевские дворцы они пробивались с трудом. (Даже в наше время в кампусе моего университета, построенном в 1960-х гг., видное место занимает башня с часами, но ее цель – не сообщать время, а создавать ощущение дисциплинированного, равноправного сообщества.) Эти факторы – культурный, технический, концептуальный и политический – отсутствовали в Китае, и поэтому китайцы восхищались часами, но не пользовались ими.

Совершенно очевидно, что часы укрепили представление о Вселенной как о сложном механизме, и последователи Коперника считали, что на небе и на земле действуют одни и те же законы. В 1605 г. Кеплер, вдохновленный работами Гильберта о магнетизме, писал:

Моя цель – показать, что небесная машина – не некое божественное живое существо, а скорее часовой механизм (а тот, кто верит, что у часов есть душа, приписывает славу творца творению), поскольку почти все из ее многочисленных движений вызываются простейшей материальной силой, так же как все движения часов вызываются весом гири. Я также покажу, как это физическое описание подчиняется математике и геометрии.

Но в Средние века и в эпоху Возрождения часы были несовершенными, и приходилось не только каждый день поднимать приводящие их в движение гири, но и регулировать ход, и только усовершенствованные часы Гюйгенса дали возможность представить Вселенную как идеальный механизм, наподобие часового, но не нуждавшийся в уходе со стороны божественного часовщика. Новый образ, дополнивший декартовский образ «автомата», появился уже в 1662 г., через шесть лет после изобретения маятниковых часов. Вот цитата из Саймона Патрика, защитника новой науки:

Изогоническая карта магнитного склонения Галлея, опубликованная в 1701 г. Каждая линия на карте подобна линии уровня, но указывает не одинаковую высоту, а одинаковое магнитное склонение. Галлей организовал две экспедиции, чтобы выполнить измерения для этой карты, и надеялся, что это откроет путь к использованию магнитного склонения для вычисления долготы

Несомненно, это обязанность философии – выяснить процесс этого божественного искусства в великом автомате мира, наблюдая, как одна часть приводит в движение другую и как эти движения различаются в зависимости от величины, формы, положения каждой части, начиная с первых пружин…

Часовой механизм, ставший источником плодотворной метафоры, поощрял научную революцию, а также способствовал совершенствованию сложных зубчатых механизмов, создавая условия для промышленной революции, но сам не был ни продуктом этих революций, ни необходимой предпосылкой для них, поскольку существовали и другие разновидности зубчатых механизмов.

Можно привести еще один пример отложенной пользы в техническом прогрессе. Первые инженеры, например Леонардо, много времени уделяли гидравлическим устройствам, и их примеру последовал Галилей со своими учениками. Галилей консультировал работы по осушению земель, его ученик Кастелли давал советы папским властям по использованию рек и опубликовал объемный трактат по этому вопросу (Della misura delle acque correnti, 1628). Его ученик Торричелли совершил прорыв в теории, сформулировав закон (1643), который мы теперь называем законом Торричелли и который позволяет определить скорость потока, зная высоту напора воды (или высоту напора воды, зная скорость потока), а также произвел практические измерения потока реки Кьяна, притока Арно. Ученик Галилея Фамьяно Микелини, который сменил его на должности философа великого герцога, также опубликовал работу по гидравлике (Trattato della direzioni de’ fiumi, 1664).

Тем не менее прошло сто лет, прежде чем в Англии Джон Смитон, опираясь на труды Торричелли, приступил к разработке систематической программы экспериментов с моделями водяных колес, чтобы выявить наиболее эффективную конструкцию и понять, как можно усовершенствовать каждую из них: какого размера должно быть колесо и как быстро оно должно вращаться? Насколько глубоко должны погружаться в воду лопасти? К своему удивлению, Смитон обнаружил, что наливные колеса (на которые вода льется сверху) в два раза эффективнее подливных (в которых вода течет вдоль нижней части), хотя теория говорила о том, что разницы быть не должно (правда, Дезагюлье справедливо предположил, что на практике наливные колеса будут эффективнее), и он затруднялся объяснить, почему они ведут себя по-разному. Поэтому Смитон сформулировал несколько эмпирических правил для конструирования водяных колес; он сыграл важную роль в переходе от подливных к наливным колесам или, где это было неудобно, к среднебойным колесам (в которых вода подается на колесо на половине его высоты). И после этого – только после этого – мы можем сказать, что работа Галилея и его учеников по изучению потока воды наконец принесла плоды в виде усовершенствованной практической техники.

Модель колеса «подливной» конструкции Джона Смитона. Колесо диаметром два фута. Из «Экспериментального исследования», 1760

Пример водяных колес представляет особый интерес, поскольку эти устройства совершенствовались очень медленно на протяжении почти тысячи лет. Путем проб и ошибок строители мельниц узнавали, что нужно делать, а что нет, но быстрый прогресс требовал систематических экспериментов, которые стали возможными лишь после того, как экспериментальный метод получил новый интеллектуальный статус. Сам Смитон изучал юриспруденцию, а затем работал учеником механика, прежде чем стал инженером (он первым стал называть себя «гражданским инженером» – в противовес военным – и основал общество гражданских инженеров) и членом Королевского общества. Он соединял теоретические и практические знания, как Гук в конструировании часов. И естественно, он отвечал на вызовы экономики, которая требовала все больше энергии. Смитон строил паровые машины, порты, мосты и каналы (в том числе Колдер-Навигейшн, комплекс каналов и шлюзов, который делает реку Колдер судоходной).

Что же мешало выполнить эксперименты Смитона в 1680-х или даже в 1580-х гг.? Работа Смитона зависела от двух интеллектуальных предпосылок. Во-первых, все знали, что работа с масштабными моделями может вводить в заблуждение, поскольку механизмы нормального размера часто ведут себя иначе. Понятийный аппарат для анализа этой проблемы предоставил Галилей в своем труде «Две новые науки», и Смитон принял во внимание один аспект, тот факт, что в масштабных моделях трение обычно больше, чем в механизмах нормального размера, – он искусно измерил величину трения в своих моделях, а затем учел ее. Во-вторых, работа Смитона опиралась на систематическое применение закона Торричелли. К этим двум предпосылкам можно добавить и третью: при вычислении эффективности водяного колеса путем сравнения работы на входе и на выходе Смитон пользовался законом сохранения энергии Ньютона. В этом смысле его работа была постньютоновской. Однако он мог сравнивать результаты разных типов водяных колес и без измерения абсолютной эффективности. Более того, при определении силы Смитон устранился от конфликта между последователями Ньютона и последователями Лейбница по поводу определения «силы» (теперь конфликт разрешен разделением момента и кинетической энергии): для успеха его работы разрешать конфликт было не обязательно.

Таким образом, совершенно очевидно, что эксперименты Смитона были невозможны в 1580-х, но вполне возможны в 1650-х гг., а также вполне ожидаемы после того, как все больше людей понимали идеи, изложенные в «Началах» Ньютона. Работу с моделями тоже нельзя было назвать новшеством: Дезагюлье изготавливал модели паровых машин в 1720-е гг., причем он был явно не первым. Однако только в середине XVIII в. Смитон и Уатт стали использовать модели для определения производительности механизмов. Те, кто считает, что современная наука произошла от эмпирических опытов ремесленников и мастеров, должны учитывать необыкновенно медленную эволюцию водяных колес до внедрения научного метода Смитона. Чтобы систематически и сознательно применять научный метод, как это делали Смитон и Уатт, необходима более или менее надежная теория и уверенность, что эксперименты, несмотря на свою трудоемкость, открывают путь к серьезному успеху. В 1750-х г. теория была не нова – в отличие от уверенности. Источником такой уверенности служила программа знакомства широкой публики с новой наукой с помощью публичных лекций и книг учеников Ньютона, и прежде всего Дезагюлье.

В конечном счете современная наука разрешила две самые трудные практические задачи, которые сама перед собой поставила: вычисление траектории снарядов в реальных условиях и измерение долготы. Ученые XVII в. не смогли решить их, но подготовили почву для своих преемников в XVIII в., которым это удалось. Кроме того, в середине столетия Смитон и Уатт улучшили эффективность использования воды и пара, которые приводили в движение машины. В краткосрочной перспективе важнее оказались достижения Смитона, в долгосрочной – Уатта. В 1726 г., когда эти практические задачи еще не были решены, сомнения Свифта в пользе науки звучали разумно; но в 1780 г. или даже в 1750 г. защищать такую позицию было бы гораздо труднее. Как это ни странно, историки застряли в мире Свифта, а когда они читают такие тексты, как работы Смитона, то воспринимают их наивно, словно это отражение планов поиграть с моделями, а используемая в них терминология банальна; они по-прежнему не замечают того факта, что именно новая наука выявила взаимосвязь между высотой напора воды и скоростью пара.

§ 2

Первым великим практическим успехом новой науки стала паровая машина Ньюкомена 1712 г. – вероятно, именно ее высмеивал Свифт, когда писал о мельницах, построенных там, где нет рек. Но важно рассматривать достижение Ньюкомена в перспективе. К 1800 г. в Британии было изготовлено только 2200 паровых машин: приблизительно две трети из них были машинами Ньюкомена, а четверть – машинами Болтона и Уатта. В период с 1760 по 1800 г. использование энергии воды (в основном благодаря работам Смитона) в два раза превышало использование энергии пара. Великая эра пара еще не наступила: когда Мэри Шелли в 1818 г. опубликовала своего «Франкенштейна», ее представление об ужасающей силе новой науки практически не включало пар (единственное упоминание о «чудесном действии пара» было добавлено, скорее всего, Перси Шелли при передаче книги в печать), хотя в 1804 г. Блейк уже писал о «темных сатанинских мельницах» (вероятно, он имел в виду Albion Flour Mills, первую крупную фабрику в Лондоне, построенную в 1786 г. и использовавшую паровую машину Болтона и Уатта). В 1807 г. пароход Фултона начал выполнять регулярные рейсы между Нью-Йорком и Олбани, в 1819 г. судно «Саванна», оснащенное и парусами, и паровой машиной, пересекло Атлантику, а в 1829 г. по рельсам помчался паровоз Стефенсона «Ракета». В 1836 г. уже можно было сказать, что пар стал признаком «новой эпохи в истории мира». Он «неизмеримо» расширил возможности человечества.

В 1712 г. промышленная революция и эра пара были еще делом далекого будущего, а в 1836 г. стали реальностью. Они появились благодаря новой культуре технических знаний, таким людям, как Уатт и Смитон, а также высоким зарплатам в Англии (поскольку многие новые изобретения приносили прибыль только в экономике высокой заработной платы). Паровая машина не сделала промышленную революцию неизбежной – она сделала ее возможной. Экономика высокой заработной платы существовала и раньше (например, после эпидемии чумы) – но без промышленной революции. Конечно, многие изобретения, сыгравшие важную роль в промышленной революции, – например, прядильный станок Аркрайта – ничем не были обязаны науке, но без усовершенствованных водяных колес Смитона и без эффективных паровых машин Болтона и Уатта не могли бы работать фабрики, на которых изготавливалось это новое оборудование.

Чтобы понять роль паровых машин, можно обратиться к аналогии с методами варки кофе. Одни люди делают это с помощью воды, по каплям стекающей в фильтр с молотыми кофейными зернами, – они используют силу тяжести. Другие предпочитают кофеварку эспрессо, где вода пропускается через молотый кофе с помощью пара – пар в кофеварке находится под высоким давлением, и поэтому необходим предохранительный клапан. А некоторые применяют вакуумный метод, когда вода втягивается в расположенный выше сосуд с помощью пара (при низком давлении, поскольку требуется только компенсировать вес воды), а затем, когда при охлаждении пар конденсируется, в сосуде создается вакуум, и вода всасывается в него через молотые зерна. Вакуумный метод использует атмосферное давление.

Паровая машина была продуктом науки XVII в., экспериментировавшей с вакуумом, а также с давлением воздуха и пара. Простой пример использования давления воздуха – это пневматическое оружие, которое в XVII в. называли «ветряным». Мерсенн описывал такое устройство в 1644 г., и в этом же году этот термин впервые встречается в английском языке; Бойль опубликовал описание одной из конструкций в 1682 г. Принцип действия у него следующий: с помощью мехов в сосуд накачивается воздух, а затем сжатым воздухом выталкивается стрела или пуля. Для создания высокого давления можно также использовать пар в замкнутом пространстве. Этот принцип использовал делла Порта в 1606 г., а в 1625 г. Саломон де Косс придумал паровой фонтан. Он работал так же, как наплитная кофеварка эспрессо: давление пара в камере с одним выходом выталкивает воду в верхний сосуд, а затем наружу. Закон Бойля предлагал теоретическое объяснение, как давление может быть использовано для создания мощной силы, если найдется способ обуздать эту силу и извлечь из нее пользу.

Однако существовала и альтернатива конструированию разных механизмов, использующих высокое давление. Эта альтернатива – механизм низкого давления – основана на работе фон Герике с воздушным насосом. Фон Герике показал, что если откачивать воздух из цилиндра, то атмосферное давление вталкивает поршень в цилиндр, причем с такой силой, что удержать его не могут несколько сильных мужчин. В 1680 г. Гюйгенс придумал другой способ приручить атмосферное давление. Он использовал взрыв, чтобы вытеснить воздух из цилиндра через клапан; затем, после охлаждения горячих газов, поршень втягивался вниз, поднимая груз.

Эта идея была подхвачена Дени Папеном, врачом, который начал научную карьеру в качестве помощника Гюйгенса и проводил эксперименты с воздушным насосом. Затем он переехал в Англию: для протестанта Папена жизнь во Франции становилась все более некомфортной. Здесь он работал помощником Бойля; по свидетельству самого Бойля, Папен придумал многие эксперименты, опубликованные в книге «Продолжение новых экспериментов» (на латыни 1680, на английском 1682) и выполнил их все. На самом деле книгу написал вовсе не Бойль, а Папен. В 1680 г. Папена избрали членом Королевского общества (по своему социальному статусу он был не просто техническим помощником), но его материальное положение оставалось шатким (его освободили от уплаты взносов). С 1681 по 1684 г. он работал в Венеции, потом вернулся в Англию, но в 1687 г. снова уехал: сначала занял должность профессора математики в Марбурге (где поссорился со своими коллегами, которые не видели нужды в профессоре математики, и с единоверцами, которые отлучили его от церкви), а с 1695 г. служил инженером у ландграфа Гессенского в Касселе. Там, на реке Фульда, он успешно испытал примитивную подводную лодку.

Папен развил идею Гюйгенса. Он сконструировал устройство, состоявшее из цилиндра с небольшим количеством воды, который нагревался пламенем горелки. Вода превращалась в пар, вытесняла воздух и толкала поршень в верхнюю часть цилиндра, где с помощью пружины срабатывал стопор. Затем нагрев прекращали, пар конденсировался и поршень запасал энергию; как только стопор убирали, поршень под давлением воздуха опускался в нижнюю часть цилиндра. В сущности, это было пневматическое оружие, приводимое в действие атмосферным давлением, только роль пули играл поршень. Папен представил, что несколько таких поршней, вращающих шестерни, могут приводить в движение корабли, и таким образом удастся сэкономить на гребцах (гребные суда все еще широко использовались, особенно в Средиземноморье и на реках); он также считал, что подобная машина может применяться для откачки воды из шахт, если поблизости отсутствует река, служащая источником энергии для насоса. К сожалению, у него не было механизма, следившего, чтобы цилиндры быстро запасали и отдавали энергию или (в данном случае) отдавали энергию в определенном порядке.

Паровой насос Джованни Баттисты делла Порты. Из Tre libri de’ spiritali, 1606

Фонтан де Косса, приводимый в действие паром. Из La Raison des forces mouvantes, 1615

В этот период Папен экспериментировал с разными паровыми машинами, и кульминацией этих экспериментов стала карета на паровом двигателе, которая ездила у него во дворе. Он даже предположил, что наступит время, когда машины с паровым двигателем обгонят кавалерию. Недоброжелатели, высмеивая его, говорили, что он работает над созданием летающий машины, и он признавался, что такая мысль действительно приходила ему в голову. Папен изобрел – это был его личный вклад в войну против Людовика XIV (который изгнал из Франции протестантов, в том числе самого Папена) – пушку, стрелявшую гранатами на 90 ярдов со скорострельностью двести выстрелов в час (или даже пятьсот, как он утверждал позже). Конструкция была простой: с помощью рычага в цилиндре опускался поршень, создавая вакуум, а когда поршень отпускали, он резко поднимался, выталкивая гранату в направлении врага. Другими словами, это была адаптация его атмосферной паровой машины, а если точнее, то возвращение к более ранней идее пневматического оружия, приводимого в действие атмосферным давлением.

В марте 1704 г. Папен все еще работал над атмосферным паровым двигателем. Каких успехов он добился? Ответ на этот вопрос можно найти в блокноте, принадлежавшем Роджеру Норту, английскому юристу, музыканту и литератору. В нем Норт описал и нарисовал двухцилиндровую атмосферную паровую машину, которая, по его словам, существовала «только в виде модели». В то время слово «модель» имело два значения: одно из них совпадало с современным, но чаще использовалось другое – графическое представление, схема или рисунок. Фраза «в виде модели» встречалась крайне редко, но афиша, опубликованная в 1651 г., указывает в названии краткое описание христианской доктрины «в виде модели»: настенная карта. Так что Норт, вероятно, видел не рабочую модель и даже не макет, а рисунок – отсюда его утверждение, что он видел машину только в виде модели. Когда именно он видел этот рисунок, точно определить невозможно: самая первая запись в блокноте относится к 1701 г., и это дает нам приблизительную дату. Вероятно, это та самая паровая машина, которая приводила в движение карету, ездившую по двору Папена.

Устройство, нарисованное Нортом, представляет собой усовершенствование атмосферной машины Папена; теперь цилиндры были снабжены автоматическим клапанным механизмом и работали поочередно (в 1676 г. Папен изобрел воздушный насос с точно такой же конструкцией). Приводной механизм явно напоминает то, что проиллюстрировал Папен, когда в 1695 г. опубликовал отчет о своих экспериментах на французском языке. В нем утверждалось, что образцом послужил механизм часов, хотя в данном случае зубчатое колесо отодвигается от рейки по завершении рабочего хода, а не наоборот: реечный механизм с храповиком важен потому, что это далеко не лучший способ вращения оси с помощью поршня (кривошип гораздо эффективнее). В первом воздушном насосе Бойля применялся реечный привод поршня (в паровой машине Папена, наоборот, поршень приводит в движение реечный механизм), но отсутствовал храповик, который позволяет рейке возвращаться в исходное положение без поворота колеса. Возможно, эта конструкция – работа одного из последователей Папена, но скорее всего, самого Папена; очевидно, он отправил рисунок своей последней паровой машины кому-то из английских друзей, и рисунок показали Норту. Однако у нас нет никаких свидетельств, что Папен работал над атмосферной паровой машиной после 1704 г.; ничего не известно и о распространении его машины, которую нарисовал Норт. Усовершенствования, придуманные Папеном в период с 1695 по 1704 г., ни на что не повлияли, и без рисунка Норта мы бы о них не узнали. Таким образом, реальный вклад Папена заключался не в этом.

Запись в блокноте Роджера Норта с рисунком двухцилиндровой паровой машины и реечного механизма, с помощью которого цилиндры вращают ось. Из Британской библиотеки, Add. MS 32504

§ 3

В 1698 г. Томас Севери, военный инженер и член Королевского общества, получил патент на паровой насос, в котором для подъема воды использовалось и атмосферное давление, и давление пара (высказывались подозрения, что он просто скопировал конструкцию Эдварда Сомерсета, маркиза Уорчестерского (ум. 1667), который придумал насос, приводимый в действие паром). Пар впускался в цилиндр, который затем охлаждали водой. При конденсации пара вода через трубку всасывалась в цилиндр. Затем клапан закрывался, вода нагревалась и пар выталкивал воду из цилиндра. Таким образом, машина Севери всасывала и выпускала воду, подобно мехам, но всасывание вызывалось конденсацией, а выпуск – расширением пара. В ней не было движущихся частей, за исключением клапанов. Поскольку всасывание выполнялось под действием атмосферного давления, насос не мог поднять воду больше чем на 30 футов, но выпускать воду он мог на любую высоту – это определялось силой давления пара. Поэтому Севери предложил устанавливать такие насосы на дне шахты и использовать их для откачки воды на поверхность. На практике устройство использовалось для питания роскошных фонтанов, а не для осушения шахт, поскольку Севери не сумел изготовить котлы и цилиндры, выдерживающие достаточно высокое давление.

Новость о насосе Севери достигла ушей ландграфа Гессена, и Папену поручили сконструировать паровой насос высокого давления. По всей видимости, первые попытки не принесли успеха, и за советом по улучшению конструкции насоса пришлось обратиться к Севери. Но затем Папен успешно применил паровую машину для подачи воды в декоративный фонтан (фонтаны Людовика XIV в Версале сделали декоративные фонтаны предметом соревнования среди монархов и аристократов). Одна из его машин взорвалась (хотя Папен изобрел предохранительный клапан) и едва не убила ландграфа, а котел другой машины лопнул во время зимних морозов. Насос Папена часто называют, и не без основания, усовершенствованным насосом Севери, хотя Папен утверждал, что изобрел его самостоятельно. Существенное отличие от насоса Севери заключалось в том, что насос Папена поднимал воду только в цикле расширения, и в нем вода, использующаяся для работы системы (она превращалась в пар, который затем конденсировался), отделялась от перекачиваемой воды с помощью поплавка (похожего на цилиндр, но не использовавшегося в качестве приводного механизма); таким образом предотвращались потери тепла на нагрев воды, которую качал насос. Более того, для охлаждения цилиндра применялись брызги воды, что ускоряло конденсацию пара.

Недовольный жизнью в Гессене, где ландграф не оказывал его исследованиям той поддержки, на которую он рассчитывал, Папен решил вернуться в Англию. Рассказывали, что он построил лодку с паровым двигателем, погрузил на нее свои пожитки и поплыл по Фульде, надеясь таким образом добраться до Англии. К сожалению, он преодолел только 15 миль до слияния с Везером; дальше находился участок реки, на передвижение по которому имела монополию местная гильдия лодочников. Папен пробовал добиться исключения, но безуспешно. Лодочники решительно стали на защиту своих прав, захватили судно Папена и уничтожили его. В результате появление транспортных средств с паровыми двигателями задержалось почти на столетие.

Рисунок Папена 1695 г. с изображением различных пневматических устройств. В системе слева используется водяное колесо, чтобы приводить в действие поршни, которые накачивают воздух, а они, в свою очередь, приводят в движение второй комплект поршней, которые поднимают и опускают ведро. Вверху в центре изображен цилиндр Папена, приводимый в движение атмосферным давлением: после конденсации пара выдвижение стержня, обозначенного буквой Е, приводит к опусканию цилиндра. Справа расположены два рисунка реечного механизма с храповиком.

Однако в основе истории о лодке с паровым двигателем лежит путаница. Папен действительно построил лодку без паруса и весел, и ее действительно уничтожили, но в движение ее приводила вовсе не паровая машина (что становится очевидным из переписки Папена). Папен построил колесное судно (причем не первым – Севери опередил его и в этом), но не пароход, потому что колесо вращалось вручную при помощи коленчатого рычага. Совершенно непонятно, почему эту историю часто пересказывают, не подвергая сомнению: в конце концов, если в 1707 г. можно было построить работающий пароход, то почему водный транспорт на паровых машинах появился только через сто лет? Один из авторов даже пришел к выводу о подлом заговоре. Но свидетельства, опровергающие этот миф, были опубликованы еще в 1880 г.

Паровой насос Папена. Из Nouvelle manière pour élever l’eau par la force du feu, 1707. Котел расположен слева, бак для воды, который необходимо наполнить, – справа; необходима постоянная подача воды в воронку, обозначенную буквой G. На рис. 2 изображена конструкция водяного колеса, которое должно приводить в движение насос. Сам насос представляет собой усовершенствованную машину Севери – с поплавком для разделения пара и перекачиваемой воды. Он снабжен двумя предохранительными клапанами Папена

Папен, потерявший все свое имущество при уничтожении лодки и разлученный с женой, прибыл в Англию в 1707 г. и предложил Королевскому обществу финансировать постройку средства передвижения с паровым двигателем. Это предложение передали Севери, который был не только единственным специалистом в этой области, но также обладателем патента, сформулированного настолько широко, что фактически подтверждал его права на любой паровой двигатель. Севери настаивал, что поплавок/поршень создаст слишком большое трение и поэтому конструкция неработоспособна. Ньютон, будучи президентом Королевского общества, отверг весь проект как слишком дорогой. Конечно, Ньютон мог быть предубежден против Папена, поскольку тот дружил с Лейбницем, конфликт которого с Ньютоном все усиливался. Королевское общество после нескольких лет охлаждения, когда из-за отсутствия денег проводилось лишь небольшое количество экспериментов, снова обратило свой взор к экспериментальной науке, но Папен ничего не добился.

Конечно, Ньютон был прав. Конструкция Папена была безнадежно дорогой. Причина понятна из рисунка машины Папена. Устройство требует подачи воды в механизм насоса, и источник воды должен находиться выше цилиндра. Если двигатель установить на судне, а воду брать из моря или реки, то двигатель должен располагаться ниже ватерлинии, что требует очень большого судна с очень глубокой осадкой. Папен это прекрасно сознавал – он предложил Королевскому обществу судно водоизмещением восемьдесят тонн, около 100 футов длиной и стоимостью «около четырехсот фунтов». Сколько это в современных ценах? 50 тысяч фунтов, если считать с использованием индекса розничных цен, и 725 тысяч, если использовать индекс средней заработной платы. Возможно, было бы нагляднее сравнить эту сумму с годовым жалованьем лукасовского профессора математики в Кембридже – она в четыре раза больше, то есть 400 тысяч фунтов в современных ценах.

Таким образом, иллюстрации XIX в., на которых Папен плывет на лодке с паровым двигателем, абсолютно неверны, поскольку на них двигатель установлен на палубе небольшого судна, а не большого океанского корабля, причем под палубой. Невозможно обойти и другую проблему: паровая машина Папена могла окупиться только при массовом производстве. Система была просто-напросто непрактичной. Папен, постоянно придумывавший новые проекты (например, он считал, подобно многим другим, что сможет сконструировать достаточно точные часы, пригодные для измерения долготы), не нашел никого, кто бы его поддержал. Его последние годы были омрачены неудачами и бедностью. Последний раз он подал о себе весточку 23 января 1712 г. «Положение мое, – пишет он, – печально». Мы не знаем, где, когда и как умер этот великий инженер и ученый.

§ 4

Всего через пять лет после неудачи Папена Ньюкомен построил первую коммерчески жизнеспособную паровую машину. Огромным преимуществом машины Ньюкомена была ее простота и скромные притязания. Она состояла из одного поршня, приводимого в движение атмосферным давлением. Опускаясь, поршень тянет за рычаг, который приводит в действие нагнетательный насос. Вес механизма насоса заставляет поршень оставаться в верхнем положении. Затем из цилиндра вытесняется воздух и заменяется паром. Пар конденсируется путем впрыскивания воды в цилиндр (Ньюкомен пришел к этому решению случайно), и атмосферное давление перемещает поршень вниз, после чего пар снова впускается в цилиндр при атмосферном давлении, которое уравновешивает давление на цилиндр сверху, и он поднимается под действием веса механизма насоса. Машина работала медленно, совершая около пятнадцати циклов в минуту. Устройство очень простое, как и первая паровая машина Папена 1690 г.: оно состоит из одного цилиндра и приводится в действие только атмосферным давлением. Машина Севери и вторая машина Папена для эффективной работы требовали создания высокого давления, но на практике не удавалось изготовить котлы и цилиндры, которые выдержали бы такое давление. С другой стороны, Ньюкомену, в отличие от Севери, пришлось сконструировать подвижный поршень, столкнувшись со всеми трудностями, связанными с трением и отсутствием герметичности.

Ньюкомен не получил формального образования. Он родился в 1664 г., жил в Дартмуте, в Девоне, торговал скобяными изделиями и был старостой местной баптистской церкви. Тем не менее практически в одиночку (нам известен только один его помощник, мистер Коули, стекольщик) он изобрел и изготовил новое техническое устройство. Как такое возможно? Нас это удивляет не меньше, чем современников. Не исключено, что он работал в полной изоляции, не зная о предшествующих достижениях. Это предположение следует сформулировать лишь для того, чтобы показать его неправдоподобность. Прежде всего, Ньюкомен не изобрел бы своей машины, если бы не знал о давлении атмосферы, поскольку именно оно используется в качестве движущей силы. Конечно, в 1712 г. знания об атмосферном давлении получили широкое распространение, и любое объяснение устройства барометра отсылало Ньюкомена к открытиям Торричелли и Паскаля. Тем не менее это был необходимый минимум.

Мы почти ничего не знаем о жизни и работе Ньюкомена до 1712 г., но, судя по тому, что он впоследствии рассказывал своим знакомым, два факта представляются очевидными. Во-первых, он начал работу над своей паровой машиной примерно в то же время, что и Севери, то есть не позже 1698 г. Во-вторых, он работал совершенно независимо от Севери. Тем не менее некоторые специалисты считают, что этого не может быть. Ньюкомен должен был использовать опыт Севери или Папена. Один из исследователей отважно заявлял, вопреки имеющимся свидетельствам, что Ньюкомен просто был наемным работником Севери. Другой, по его собственному выражению, «перед лицом фактов», предположил, что Ньюкомен и Севери могли встречаться в 1707 г. или чуть позже, когда, как нам известно, Севери посещал Дартмут – но это слишком поздно (не помогает даже ловкий трюк со сменой этой даты на 1705 г. – тоже слишком поздно). Ученый конца XVIII в. «разрешил» проблему предположением, что Гук (умерший в 1703) написал Ньюкомену, рассказав о первой паровой машине Папена. Эта история чрезвычайно живуча, хотя не существует документов, подтверждающих ее истинность, и об этом известно с 1936 г. Другой ученый утверждает, что «Томас Ньюкомен явно видел рисунки моделей Папена его машин и насосов, опубликованные в разных изданиях «Философских трудов» в период с 1685 по 1700 г., – умалчивая о том факте, что ни одна из публикаций Папена в «Философских трудах» не была посвящена энергии пара; все они были связаны с энергией воды или мускульной силой человека.

Машина Ньюкомена. Из книги Джона Теофила Дезагюлье «Курс экспериментальной философии» (1734–1744; взято из издания 1763). Слева расположен котел, от которого отходит вертикальный цилиндр с поршнем, соединенный с коромыслом

Машина Ньюкомена больше всего похожа на машины Папена. Известный историк Джозеф Нидэм вполне обоснованно заявил: «Я нахожу почти невозможным поверить, что Ньюкомен не знал о паровом цилиндре Папена». Но Папен изобрел и изготовил свою первую машину в Германии. Насколько нам известно, ни один англичанин ее не видел. Несколько раз Папен описывал ее на латыни и на французском, но ни разу на английском. Один-единственный абзац был посвящен ей в обзоре публикаций Папена в «Философских трудах» за 1697 г.:

Четвертое письмо демонстрирует метод осушения шахт в местах, где поблизости нет реки для выполнения этой работы [откачки воды с помощью водяного колеса]; столкнувшись с трудностями создания вакуума в цилиндре для этой цели с помощью пороха [как поступал Гюйгенс], он предлагает превращать в пар небольшое количество воды с помощью огня, приложенного ко дну цилиндра, в котором содержится эта вода, и этот пар поднимает вверх пробку [то есть поршень] в цилиндре на значительную высоту, после чего она (по мере того как пар конденсируется при охлаждении воды, когда убирают огонь) снова опускается под действием атмосферного давления, и ее используют для подъема воды из шахты.

Маловероятно, что Ньюкомен когда-либо имел доступ к «Философским трудам», но, даже если бы и имел, один этот абзац без сопутствующей иллюстрации не слишком облегчил бы его работу. Что касается усовершенствованной машины Папена, рисунок которой сделал Норт, она заинтересовала бы Ньюкомена, знай он о ней, однако эта машина, по всей видимости, была изобретена после того, как Ньюкомен приступил к экспериментам, и ее конструкция гораздо сложнее, чем у машины Ньюкомена, – и действительно, мы вправе сомневаться, смог ли Папен построить рабочий экземпляр.

Возможно, стоит перечислить все, что пришлось изобрести Ньюкомену, чтобы построить работоспособную паровую машину, или что ему понадобилось (еще до этого) для планирования экспериментов. Например, манжета и ручка насоса были просто применением уже существующих устройств, а испаритель представлял собой большой медный котел, который использовали пивовары. Но с остальным дело обстояло сложнее. Во-первых, несмотря на то что идея использовать цилиндр с поршнем принадлежала Герике, в Англии ни у кого не было опыта использования их совместно с паром. Во-вторых, Ньюкомену требовалось сделать поршень герметичным. Он применил для этого кожаную шайбу и слой воды, которая впрыскивалась в цилиндр. (Джон Морган изобрел насосы с цилиндрами в 1680-х гг., но обеспечивал герметичность совсем другими методами). В-третьих, было бы хорошо иметь манометр: первым прибором для измерения давления был барометр, но Бойль и Папен в 1682 г. описали усовершенствованный манометр в «Продолжении новых экспериментов» (Continuation of New Experiments). И самое главное, ему был необходим предохранительный клапан, который, в сущности, является разновидностью манометра: его изобрел Папен и использовал в своей конструкции 1707 г. (хотя, по всей видимости, не в той, которая взорвалась). Ньюкомен применил в своей машине одну из разновидностей предохранительного клапана Папена. Кроме того, Ньюкомену требовалось устройство, обеспечивающее автоматическое открытие и закрытие клапанов в поршне.

И последнее – требовалась еще одна предпосылка. Особенность машины Севери состоит в том, что она лучше работает в модели, чем увеличенная: по мере того как цилиндры становятся больше, их объем увеличивается быстрее, чем площадь поверхности, и охлаждение становится менее эффективным. Поэтому Севери, построив модель, мог ошибочно полагать, что совершил прорыв. Машина Ньюкомена в этом смысле вела себя иначе: по мере увеличения масштаба отношение мощности к силе трения становилось больше, поскольку объем цилиндра (определяющий мощность) растет быстрее, чем его окружность (от длины которой зависит трение). Впоследствии Дезагюлье вместе со своим другом изготовил модели машин Севери и Ньюкомена: несмотря на свои глубокие знания, Дезагюлье был поражен, когда машина Севери в модели превзошла машину Ньюкомена. По всей видимости, Ньюкомен с самого начала знал об этом эффекте масштаба – в противном случае он не стал бы продолжать опыты, когда первые модели продемонстрировали (как и должно было быть) очень низкую эффективность. Эти знания он должен был где-то получить.

Конечно, Ньюкомен мог все это (и не только это) изобрести сам; в конце концов, он работал над своей машиной четырнадцать лет, прежде чем представил ее на суд публики. Но следует принять во внимание, что совсем недавно попытка изготовить копию машины Ньюкомена в одну треть реальной величины столкнулась с огромными трудностями. Даже с учетом хорошего планирования, глубоких технических знаний, понимания того, каким должен быть конечный продукт, и абсолютной уверенности, что его можно заставить работать, потребовалось несколько месяцев настройки, чтобы машина заработала так, как нужно. В идеале Ньюкомену требовался источник информации, который предоставил бы ему все необходимые сведения, чтобы затем он мог сосредоточиться на сборке работоспособной машины. Этого было достаточно, чтобы занять все его свободное время на протяжении десяти с лишним лет.

§ 5

И такой источник существовал, причем вероятность столкнуться с ним у Ньюкомена была гораздо выше, чем с «Философскими трудами». Историки науки пропустили этот источник потому, что в нем не обсуждались паровые машины. О нем вообще забыли: ни одного упоминания в Google Scholar или в Thomson Reuters Web of Science. Может создаться впечатление, что за весь прошлый век ни один человек не прочел эту книгу, хотя автор ее хорошо известен, а, судя по числу сохранившихся экземпляров, первое издание хорошо продавалось. Речь идет о книге «Новое устройство для варки костей, продолжение» (A Continuation of the New Digester of Bones), опубликованной Дени Папеном в 1687 г.

Первое описание своего нового устройства для варки костей Папен опубликовал в 1681 г. В сущности, это была первая скороварка – герметичная пароварка. В скороварке вода превращается в пар под высоким давлением, и поэтому пища готовится при более высокой температуре, чем температура кипения воды, – гораздо быстрее. Или (в случае костей) обработка ведется до того момента, пока твердые части не превратятся в желе. (Устройство Папена занимает особое место в истории, поскольку в 1761 или 1762 г. Уатт проводил первые эксперименты с паром, присоединив шприц к предохранительному клапану котла и получив таким образом примитивную паровую машину.) Работы «Новое устройство для варки костей» и «Продолжение» часто издавались под одной обложкой, и вполне возможно, что Ньюкомен купил либо «Продолжение», либо обе книги в 1687 г. или в последующие десять лет, прежде чем приступил к работе над паровой машиной. Цель была проста: заработать на изготовлении и продаже устройства Папена, и, поскольку Папен разрешал всем его копировать, не защитив свое изобретение патентом, Ньюкомен мог беспрепятственно пытаться заработать на нем.

Краткое название ни в коей мере не отражает содержания книги Папена. Полное название более информативно: «Новое устройство для варки костей, продолжение: усовершенствования и новые применения как для моря, так и для суши, а также усовершенствования и новые применения воздушного насоса, испытанные и в Англии, и в Италии». То есть часть книги посвящена воздушному насосу (хотя специалисты, изучающие историю создания воздушных насосов, ее не читали), и в ней есть описание самой новой (и последней) модели. Насос Папена состоит из цилиндра и поршня, загерметизированного слоем воды, и Папен подробно объясняет, как этого добиться. Его метод совпадает с методом, который первоначально применил Ньюкомен – впоследствии он нашел более совершенный. Цилиндр, подобно поршню в паровой машине Ньюкомена, снабжен несколькими клапанами и впускными отверстиями, которые открываются и закрываются синхронно с движением поршня. (Папен был первым, сконструировавшим воздушный насос с автоматическими клапанами.) В нем есть один клапан, который закрывается под действием веса, но в данном случае это не предохранительный клапан; тем не менее Папен описывает работу такого клапана. Таким образом, здесь изложены основы конструкции паровой машины, поскольку ее устройство во многом совпадает с устройством воздушного насоса – именно благодаря этому совпадению три года спустя Папен смог изготовить первую паровую машину.

Воздушный насос Папена 1687 г. Из книги «Новое устройство для варки костей, продолжение»

Но «Продолжение» содержит кое-что еще. Книга знакомит читателя с рассуждениями, которые привели Папена к изобретению паровой машины. Вот что он пишет:

Среди применений этой машины [воздушного насоса] я также могу вспомнить силу, которую она способна прилагать, чтобы достичь больших результатов без неудобства тяжелых грузов: очень ровная и гладкая трубка может быть сделана очень легкой, но, лишенная воздуха, она выдержит давление атмосферы. Тем не менее пробка, плотно прилегающая к одному концу, будет с очень большой силой прижиматься к другому, по крайней мере если диаметр трубки достаточно велик: например, на пробку диаметром один фут будет оказываться давление около 1800 фунтов. Знаменитый мистер Гернике первым пытался применить эту силу, чтобы выстрелить свинцовой пулей [sic] из пневматического ружья, как можно видеть из описания, приведенного в его книге о пневматической машине. Я также приложил много труда, чтобы усовершенствовать его изобретение, что можно увидеть в «Философских трудах» за январь месяц 1686 года. Я вычислил, что свинцовая пуля диаметром в один дюйм, вытолкнутая таким способом из ствола длиной 4 фута, приобретет скорость около 128 футов в секунду, но если такую же скорость нужно придать пуле диаметром один фут, то ее следует изготовить из железа и сделать полой внутри, и тогда она будет весить около 37 с половиной фунтов; если же ее изготовить из свинца, она будет весить около 450 фунтов и, вылетая из ствола длиной 4 фута, приобретет скорость 32 фута в секунду… Конец ствола, через который вылетает пуля, должен быть закрыт чем-то достаточно прочным, чтобы выдержать давление атмосферы, и пуля пробивает его на своем пути, также теряя часть своей силы.

Папен описывает пневматическое ружье, приводимое в действие атмосферным давлением, но совершенно очевидно, что устройство, в котором пуля должна пробивать отверстие, чтобы выйти из ствола, не имеет практического применения.

Но это описание также соответствует поршню, движимому давлением атмосферы; Папен был в шаге от изобретения атмосферной паровой машины, но в данном случае вакуум создавался насосом, а не конденсацией пара. Тем не менее Папен неоднократно описывает, как с помощью воды, омывающей внешнюю поверхность сосуда с паром, добиться быстрой конденсации (хотя не использовал этот метод в своих паровых машинах) и, следовательно, создания вакуума. Если Ньюкомен читал книгу Папена, ему оставалось только сложить два плюс два – точно так же, как это сделал Папен при разработке конструкции паровой машины. Если Папен смог, то почему не мог Ньюкомен? Более того, в книге Папен знакомит читателя с проблемой масштаба: при увеличении размеров ружья оно становится менее эффективным, поскольку вес пули увеличивается быстрее, чем площадь сечения ствола. Если задуматься над этой проблемой, то можно понять, что при увеличении диаметра трубки увеличение веса пули будет частично компенсироваться уменьшением той части энергии, которая расходуется на трение.

История паровой машины Ньюкомена чем-то напоминает сюжет с запертой комнатой в детективном романе: в комнате обнаружен труп, но как вошел и вышел преступник и какое орудие убийства он использовал? У нас загадка такая: мы видим Ньюкомена в Дартмуте в 1698 г., но не понимаем, как к нему могли попасть сведения о паровой машине. Как и в детективном романе, если мы сможем найти одно решение, значит, загадка решена. Разумеется, нельзя исключать, что в 1687 г. Ньюкомен ездил в Лондон и встречался с Папеном; действительно, Папен объявлял, что каждую неделю в определенное время будет доступен для демонстрации своего устройства для варки, однако вскоре покинул страну. Но нам не обязательно воображать эту встречу. Имея экземпляр «Продолжения», Ньюкомен мог узнать почти все, что знал Папен о том, как приручить атмосферное давление и построить машину. Все части головоломки у него уже были, и оставалось понять, как соединить их для достижения новой цели – изготовления не ружья, а насоса. «Продолжение», содержавшее инструкции по изготовлению усовершенствованной модели устройства Папена для варки костей, было именно той книгой, которая требовалась провинциальному торговцу скобяными изделиями, в свободное время конструировавшему насос. Чего Ньюкомен никак не ожидал в ней найти, так это описания новой разновидности энергии, способной достичь больших результатов без неудобства тяжелых грузов. Я убежден, что именно из этой неожиданной встречи родилась паровая машина.

Дезагюлье в первом тщательном исследовании паровой машины утверждал, что все ключевые усовершенствования в ее конструкции были сделаны случайно:

Если читатель не знаком с историей нескольких усовершенствований паровой машины, после того как мистер Ньюкомен и мистер Коули впервые применили в ней поршень, он может вообразить, что должные средства разрешения упомянутых трудностей и препятствий были получены благодаря великой мудрости и знанию философии. Однако ничего подобного не происходило; почти все усовершенствования были сделаны случайно…

Дезагюлье тщательно подбирал слова. Он сказал, что усовершенствования были сделаны случайно, однако позволял читателю самому решить, требовало ли создание первой паровой машины с поршнем знания философии. Разумеется, для этого нужны как определенные знания в области теории, так и знакомство с уже существующими техническими решениями. По моему мнению, и то и другое содержалось в «Продолжении» Папена.

И действительно, объясняя работу машины Ньюкомена, Дезагюлье прибегает к необычному приему. Он просит представить машину, в которой «философ» использует воздушный насос для создания вакуума в поршне, а затем переходит к описанию реальной конструкции Ньюкомена, где пар конденсируется в поршне, создавая вакуум. Этот философ явно не Ньюкомен, но, мне кажется, Дезагюлье верно догадался о единственной правдоподобной версии изобретения машины Ньюкомена. Если Ньюкомену для создания паровой машины требовалось сложить два плюс два, то Дезагюлье, чтобы объяснить ее работу, было необходимо снова разъединить их и повторно изобрести атмосферное пневматическое ружье.

Историки давно спорят, каков вклад науки в промышленную революцию. Ответ: гораздо больше, чем они готовы признать. Папен работал с двумя величайшими учеными той эпохи, Гюйгенсом и Бойлем. Он был членом Королевского общества и профессором математики. Двадцать лет, с 1687 по 1707 г., он трудился над созданием работоспособной паровой машины, но в конечном счете потерпел неудачу. По моему мнению, Ньюкомен не продолжил дело с того, на чем остановился Папен, то есть с модифицированной машины Севери, а начал вместе с ним. В своей работе он опирался на самые передовые теории и самую сложную технику XVII в. Именно это создало предпосылки для промышленной революции. Сначала появилась наука, а за ней техника.

Назад: 13. Мир расколдовывается

Дальше: Заключение Изобретение науки