Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

Майер подошел к закону сохранения с несколько неожиданной для физиков биологической стороны: как и Дарвин, он получил первый толчок к своим идеям из наблюдений во время дальнего морского путешествия. Ему как судовому врачу приходилось делать хирургические операции; он обратил внимание на то, что у жителей острова Ява венозная кровь оказалась намного светлее, чем у европейцев. Майеру было известно, что выделяемое живым организмом тепло получается в результате окисления пищи кислородом (первыми это установили еще А. Лавуазье и П. Лаплас). Размышляя об этом, Майер совершенно правильно пришел к объяснению: в жарком климате организм отдает, а следовательно, и вырабатывает меньше тепла, чем на севере. Соответственно артериальная кровь, переходя в венозную, должна отдавать меньше кислорода (т. е. меньше темнеть).

Развивая эту мысль, Майер связал процесс окисления пищи не только с выделением тепла организмом, но и с работой, которую он производит. Следовательно, и тепло, и работа возникают из одного и того же источника — пищи. Поскольку Майер, так же как и Лейбниц, исходил из принципа равенства причины и действия (causa aequat effectum), для него было очевидно, что теплота и работа могут взаимно превращаться. Более того, их количества при этом должны находиться в совершенно определенном соотношении.

При одном и том же количестве окисленной пищи сумма сил неизменна; сколько убавится работы, столько же прибавится теплоты (и наоборот). Оставалось только вычислить тепловой эквивалент работы.

Насколько далеко смотрел Майер, видно из таких, например, его строк:

«Изучать силу в ее различных формах, исследовать условия ее превращения (метаморфоз) — такова единственная задача физики, ибо порождение силы или ее уничтожение находится вне сферы мышления и действия человека.

Можно доказать a priori и во всех случаях подтвердить опытом, что различные силы могут превращаться одна в другую. В действительности существует только одна-единственная сила. Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и живой природе. Нигде нельзя найти ни одного процесса, где не было бы изменения силы со стороны ее формы».

Если учесть, что слово «сила» соответствует термину «энергия», то эта цитата звучит, как написанная сегодня.

Эти мысли Майера, которые нам представляются совершенно естественными и бесспорными, в то время (1840— 1842 гг.) казались, как это ни странно, не только парадоксальными, но и просто неграмотными. Нельзя забывать, что в умах ученых еще господствовала теория теплорода — представление о некоторой невесомой жидкости, которая не возникала и не уничтожалась, а только переходила от одного тела к другому, а «падая» с более высокого температурного уровня на нижележащий, могла производить работу подобно воде, крутящей колесо. Майер, однако, писал о теплороде крайне непочтительно.

«Выскажем великую истину: никаких нематериальных материй не существует. Мы прекрасно сознаем, что ведем борьбу с укоренившимися и канонизированными крупнейшими авторитетами гипотезами, что мы хотим вместе с невесомыми жидкостями изгнать из учения о природе все, что осталось от богов Греции…».

Не менее крамольные «антитеплородные» мысли С. Карно об эквивалентности тепла и работы, записанные в его дневнике, тогда не были известны; мало кто знал и о высказываниях Лейбница и Ломоносова. Все трудности борьбы с учеными и неучеными противниками пришлись на долю Майера.

Нужно еще учесть, что он отзывался о глупостях в трудах многих оппонентов (в том числе и своих коллег — врачей) не без юмора, а это редко прощают.

В 1841 г. Майер направил первую работу об идее сохранения силы в физический журнал «Annalen der Physik». Однако редактор журнала Поггендорф отказался ее публиковать. В том же году Майер написал новую статью под названием «Замечания о силах неживой природы», которую удалось опубликовать в другом журнале — «Annalen der Chemie und Pharmacie». В ней уже не только четко ставился вопрос о механическом эквиваленте тепла, но и приводилось его значение, вычисленное по известным в то время данным для теплоемкости воздуха при постоянном давлении ср и теплоемкости при постоянном объеме cv. Поскольку воздух, расширяясь при постоянном давлении, производит работу, а нагреваясь при постоянном объеме, не производит ее, разность количеств теплоты, затраченной на нагрев, эквивалентна произведенной работе. Майер получил цифру 365 кГм/ккал. В дальнейшем в работе «Органическое движение и обмен веществ» он уточнил это значение, определив его равным 425 кГм/ккал (что близко к ее истинному значению — 427 кГм/ккал).

Майер писал и об электрических, и о химических силах, распространяя и на них закон сохранения.

Заслуги Майера перед наукой так и не были оценены его современниками. Сначала вызывали отпор сами идеи Майера, а потом, как это часто бывает, оспаривался его приоритет.

Враждебная атмосфера, окружавшая Майера [23], привела даже к попытке самоубийства (1850 г.) и душевному расстройству; около года (1852-1853 гг.) он провел в больнице. О его состоянии можно судить по словам: «Или весь мой метод мышления аномален и негоден, тогда мне подходящее место в доме умалишенных. Или меня награждают презрением и насмешками за открытие важных истин».

Только незадолго до смерти заслуги Майера были в какой-то степени признаны; большую роль в этом сыграли английский физик Дж. Тиндаль и немецкий — Г. Гельмгольц. Уже после смерти Р. Майера в 1892 г. в г. Гейльбронне, где он родился, был воздвигнут памятник, а в 1893 г. было выпущено собрание его сочинений.

Оценивая вклад Р. Майера в науку, Ф. Энгельс писал в «Диалектике природы» о его революционизирующей роли: «Количественное постоянство движения было высказано уже Р. Декартом почти в тех же выражениях…, зато превращение форм движения открыто в 1842 г., и это, а не закон постоянства, есть как раз новое».

Судьба третьего основоположника закона сохранения энергии Д.Джоуля (1818-1889 гг.) не была столь тяжелой, как у С. Карно и Р. Майера. В отличие от склонного к философии и непочтительного к авторитетам Майера, он был практичным англичанином, прочно стоявшим на ногах, и даже богобоязненным. Идейной основой закона сохранения живой силы (т. е. энергии) он считал положение, что человек не может уничтожить то, что создано богом, и, напротив, создать то, что бог не создал. Относительно начала действия этого закона Джоуль писал даже так: «Проявления живой силы на нашей планете такие же, какими они были с момента сотворения мира, или, во всяком случае, со времени потопа».

Результаты многолетних работ Джоуля были основаны на тщательно проведенных экспериментах, конкретны, и спорить с ним было трудно [24]. Джоуль работал над энергетическими превращениями с 1843 г. — более 30 лет; за это время он изучил самые различные энергетические преобразования. Он провел классические опыты по точному определению теплового эквивалента работы, вращая грузами мешалку воды в калориметре и измеряя повышение ее температуры (те самые «сотые градуса»). Уже в 1843 г. он вслед за Майером четко сформулировал закон сохранения для трех видов «живых сил» (т. е. энергии) — механических, тепловых и магнитоэлектрических.

Одновременно с русским физиком Э. Ленцем (1804— 1865 гг.) и независимо от него он сформулировал закон, устанавливающий зависимость выделяемой в проводнике теплоты от силы тока и напряжения (закон Джоуля-Ленца). Джоуль провел исследования по всей цепи преобразований электроэнергии, начиная от гальванического элемента и кончая работой электромагнитных сил.