Закон сохранения энергии: Роберт фон Майер и Джеймс Прескотт Джоуль

В 1838 году Роберт фон Майер, немецкий врач и естествоиспытатель, получил степень доктора медицины. В этом же году в качестве судового врача он на торговом корабле отправился в Батавию. До 1942 года это был главный город Нидерландской Индии на острове Ява, сейчас мы называем его Джакартой. Во время этого путешествия фон Майер сделал открытие, перевернувшее всю его жизнь.

В тропиках часть команды серьезно заболела, и фон Майер избрал одним из методов лечения популярное в те времена кровопускание.

На рейде в Батавии фон Майер произвел немало кровопусканий и заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что попал на артерию». Отсюда он сделал 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 казалось невероятным, но так было не у одного, а у всех пациентов».

Другими словами, фон Майер пришел к заключению, что в тропиках, где жарко и для поддержания температуры тела нужно меньше энергии, не весь кислород отдается тканям – то есть окислительные процессы идут при значительно меньшем потреблении кислорода. Этот вывод стал результатом многих часов размышлений. Перед фон Майером встал вопрос: как изменится количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу? Если бы количество теплоты не изменилось, 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, значит, работа и тепло должны быть каким-то образом связаны и 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». Это уже фактически была формулировка закона сохранения энергии.

Тому же фон Майеру принадлежит перенос закона сохранения энергии на астрономические тела: он утверждал, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должно сопровождаться химическими превращениями или механической работой на самом 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». Автору этих слов не было в то время и тридцати. В письме к другу, психиатру Вильгельму Гризингеру, он писал, что для своего закона у него есть доказательство от противного – факт невозможности существования перепетуум мобиле, «вечного двигателя».

Фон Майер сформулировал свои выводы во вполне конструктивной для физиков того времени форме, однако, несмотря на это, ему так и не удалось опубликовать их в физических журналах. В ведущем на тот момент журнале Annalen der Physik und Chemie его статью отклонил главный редактор журнала Иоганн Поггендорф. Тот имел определенные основания достаточно негативно отнестись к работе Майера: 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 фон Майером за свой счет. Но на его статью в журнале не обращали внимания целых двадцать лет, вплоть до 1862 года, когда ее обнаружил немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус.

В работе 1851 года «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» фон Майер впервые пытался защитить свой приоритет. Он признал, что открытие сделано им случайно (и было связано с наблюдениями на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета». Он ссылался на статью 1842 года, цитировал ее, приводил значение механического эквивалента теплоты, разъяснял собственные взгляды на воздействие и особенности того, что позднее назвали энергией.

То, что возможно получить тепло за счет выполнения механической работы, с убедительностью было установлено еще опытами Бенджамина Румфорда и Хэмфри Дэви, произведенными в конце XVIII века. Эти опыты свидетельствовали, что тепловая и механическая энергия – одно и то же. Что, вероятно, экспериментально можно найти механический эквивалент теплоты, то есть определить количество работы в механических единицах, эквивалентное тому же количеству теплоты в тепловых единицах.

Эксперименты, в которых за счет механической энергии создавалась теплота, следовали один за другим. Среди ученых, успешно занимавшихся этой проблемой, конечно, первым следует назвать английского физика Джеймса Джоуля. Он выбрал целью своей жизни доказательство того, что теплота – это форма энергии.

Страсть к науке выдающегося физика-экспериментатора 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. Он делал это для того, 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 фон Майером. Таким образом, именно усилиями фон Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее первое экспериментальное доказательство кинетического характера тепла – этой некогда загадочной и таинственной субстанции. Это открытие дало возможность подтвердить переход одного вида энергии в другой. Но вопрос о приоритетном споре в этой сфере закрыт не был. Кроме этих двух ученых был еще и третий!

С утверждением, что энергия может переходить из одного вида в другой, в 1847 году выступил Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц, которого тоже называют среди тех, кто открыл закон сохранения энергии. В отличие от своих предшественников, Гельмгольц смог связать закон сохранения энергии с невозможностью существования вечного двигателя. Все виды сил (позднее получившие название видов энергии) Гельмгольц свел к двум большим типам: живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (тому, что мы сейчас называем энергией потенциальной). Гельмгольц сформулировал закон сохранения этих сил в следующем виде: «Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действием 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». Звучит, конечно, довольно туманно, но при желании все же разобраться можно.

Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером естественных наук. К тому же Гельмгольц неоднократно признавал приоритет фон Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой фон Майера он знаком не был, а работы Джоуля знал недостаточно.

Что же касается фон Майера и Джоуля, то их спор о приоритете вскоре вышел за рамки чисто научного. В своих сообщениях фон Майер обращал внимание на то, 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».

Фон Майер пишет: «Я убежден, что Джоуль сделал свое открытие о теплоте и силе, не зная моих работ, 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: закон эквивалентности тепла и живой силы, с его численным выражением, опубликовал впервые я (в 1842 г.)». Однако в работах Джоуля и Гельмгольца имя фон Майера не встречается – ни в отчете Джоуля о превращениях энергии, опубликованном в журнале Парижской академии Comptes rendus («Доклады») в 1847 году, ни в упомянутой выше работе Гельмгольца «О сохранении силы», появившейся годом позже.

Но фон Майер не был склонен уступать свое право на приоритет. Спокойный тон его заявлений не может скрыть той глубокой душевной травмы, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и «невежеством окружающей среды». А его еще и обвинили в попытке присвоить чужие заслуги…

Последующая жизнь фон Майера была весьма непростой. В течение двух лет умерли двое из его троих детей. Местные ученые дразнили его, называя сумасшедшим философом. Его травили в газетах – скромного и честного ученого обвиняли в мании величия. Закончилось все тем, что в 1850 году фон Майер выбросился из окна своей спальни. Физически он пострадал не сильно, но последующие три года провел в психиатрической клинике.

И все же его спасли физика и самолюбие. Фон Майер нашел в себе силы ответить недругам уже упомянутой нами отдельной брошюрой Bemerhungen u¨ber das mechanische Aequivalent der Wa¨rme («Замечания о механическом эквиваленте теплоты»), вышедшей в 1851 году. По словам Оствальда, «это сочинение было написано кровью Майера, что исчерпало его последние силы». Осенью у фон 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.

Последние годы жизни фон Майера все же несколько примирили его со светом, он смог вкусить заслуженной славы, пусть и не в полной мере. В 1871 году он получил медаль Лондонского королевского общества, позднее его наградила Французская академия наук. Фон Майер стал почетным доктором родного университета в Тюбингене.

Незадолго до его смерти в 1874 году вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под названием «Механика тепла». Фон Майер не был физиком, но смог представить обобщенное понимание закона сохранения, распространив его на явления жизни и космос. Именно это смущало и физиков, именно это рассматривалось научным сообществом как абстрактные метафизические размышления, не более. Куда понятнее для этого сообщества являлись эксперименты Джоуля или работы всемирно известного ученого, каким уже в то время был Гельмгольц. Никто не спорит – слава этих исследователей вполне заслужена, и сомневаться в ней было бы глупо. Однако «ученый мир» состоит не из одних великих деятелей науки.