Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

Введение

В газете The Evening News — городском издании Сан-Хосе (Калифорния) — 16 июля 1901 года была опубликована новость, озаглавленная «Нехватка кислорода». Говорилось в ней следующее: «На недавней лекции лорд Кельвин выразил свою тревогу по поводу растраты кислорода, вызванной современными промышленными процессами. Он предположил, что если положение дел не изменится, то примерно через 500 лет количество этого газа, оставшееся на Земле, будет недостаточным для поддержания жизни. [...] В соответствии с расчетами лорда Кельвина, при сохранении современных тенденций кислорода и топлива хватит примерно до 2400 года. Следовательно, если к этому времени человеческий род не вымрет из-за отсутствия топлива, то вполне возможно, что он погибнет от удушья».

Лордом Кельвином был Уильям Томсон, профессор кафедры натурфилософии в Университете Глазго. Его современников довольно сильно поразила мысль о гипотетической нехватке кислорода, с которой человечество может столкнуться. Однако предсказание лорда Кельвина, совершенно справедливое в части истощения запасов углеводородов, не было таковым для кислорода. Ученый считал единственным источником необходимого для жизни газа фотосинтез, но он не знал подробностей этого процесса и в целом не был знаком с циклом выработки кислорода, так что его прогноз оказался ошибочным. И это не единственный случай, когда лорд Кельвин ошибался. Но что же роднит все его прогнозы? Это, без сомнений, стойкое желание ученого применять законы физики к любым научным и техническим проблемам. Независимо от правоты лорда Кельвина, его стремление формулировать задачи и подходить к их решению с физико-математической точки зрения превратило ученого в значительную фигуру в современной ему науке. Он был одним из наиболее выдающихся физиков в истории, хотя многое в его деятельности действительно довольно спорно.

Жизнь лорда Кельвина протекала в викторианскую эпоху. Современник королевы Виктории (1819-1901) - ученый был на пять лет ее моложе и пережил ее почти на семь лет - был свидетелем и участником бесчисленного количества фактов, примечательных для науки в целом и для физики в частности. Как физик-математик и инженер, он решительно повлиял на развитие механистической картины мира, преобладавшей в течение XIX века, и был свидетелем ее блеска. Ученый сосредоточил свои усилия на применении этой модели к различным областям физики, особенно к термодинамике и электромагнетизму. Некоторые его работы в этой области были основополагающими, поскольку давали ответ на главные вопросы термодинамики, а также помогли другим уточнить и довести до совершенства свои теории, как в случае с Максвеллом и его уравнениями электромагнитного поля.

Участие лорда Кельвина в создании механических моделей можно оценить по одной из его знаменитых Балтиморских лекций, прочитанной в 1884 году. Томсон говорил: «Моя цель - показать, как создать механическую модель, которая отвечала бы условиям, необходимым для физических явлений, которые мы рассматриваем - какими бы они ни были. Когда мы рассматриваем упругость твердых тел, я хочу иметь модель этого. Если мы рассмотрим колебания света, я захочу смоделировать, что именно происходит при этом. Мы хотим понять все о явлении, но понимаем только часть. Мне кажется, что для того чтобы проверить, понимаем ли мы каждое физическое явление, нужно ответить на вопрос: можем ли мы создать его механическую модель? [...] Я никогда не чувствую себя удовлетворенным, если не могу себе представить механической модели изучаемого явления. Если я могу представить себе такую модель - значит, понимаю вопрос, если не могу - значит, я не понимаю его...»

К концу жизни Томсон, несколько ошеломленный, наблюдал, как его подход переживает кризис и разваливается: в эти годы наука как раз избавлялась от понятия эфира как среды для переноса света, тепла и других форм энергии. И понимание этого позволяет пролить свет на некоторые комментарии ученого в то время. Например, в дискуссии, которая началась в 1896 году, на торжествах по случаю юбилея его работы в Университете Глазго, лорд Кельвин утверждал: «Только одно слово характеризует упорные усилия, которые я настойчиво прилагал в течение 50 лет, чтобы способствовать развитию научного знания, и это слово — провал». Однако это утверждение не отвечает высокомерию, с которым Томсон, например, вел громкую полемику с геологами и биологами-дарвинистами относительно возраста Земли.

В 1900 году он прочел лекцию под названием «Облака XIX века над динамической теорией тепла и света». В ней лорд Кельвин говорил о двух проблемах, требовавших решения: «Красота и ясность динамической теории, которая устанавливает, что тепло и свет - это способы движения, сейчас затуманены двумя облаками. Первое родилось с волновой теорией света, и им занимались Френель и доктор Томас Юнг; оно подразумевает вопрос: как Земля может двигаться через упругое тело, каковым, по сути, является эфир? Второе - это доктрина Максвелла — Больцмана относительно распределения энергии».

Первый вопрос касается уже упомянутого отказа от эфира как категории, необходимой для объяснения движения света. Вторая проблема сосредотачивается на так называемом излучении черного тела. Два этих вопроса — далеко не второстепенные неудобные мелочи; оба этих «облака» стали отправной точкой для двух теорий, которые произвели революцию в физике начала ХХ века: речь идет о теории относительности и квантовой теории. «Думаю, что скоро мы узнаем о великих откровениях», - написал лорд Кельвин одному из своих коллег за несколько месяцев до смерти.

Одержимость устаревшим механицизмом была не единственной ошибкой лорда Кельвина, выступавшего также против электромагнитной теории Максвелла, радиоактивности и других открытий, произошедших после 1865 года. Его поведение в течение последней трети жизни напоминало поведение маньяка, не желающего принимать ни одно научное новшество, относительно которого он имел сомнения, предубеждения или которое просто не укладывалось в рамки привычных для него теорий. На самом деле сегодня лорд Кельвин представлен в физике довольно скудно: о нем напоминают лишь абсолютная температурная шкала (шкала Кельвина) и единица измерения (кельвин). Любопытно, что эти понятия начали использоваться только в 1954 году, спустя долгое время после смерти ученого.

Значительная часть материалов о лорде Кельвине, которые публикуются сегодня, посвящена исключительно ошибкам, которые он совершал, как уже упомянутое мнение об уменьшении количества кислорода на планете. Вновь и вновь историки науки вспоминают его слова — действительные его слова: «Летательные аппараты, которые тяжелее воздуха, невозможны», «У радио нет будущего», «Рентгеновские лучи — это выдумка», «У меня нет ни малейшей веры в воздушную навигацию, отличную от воздушных шаров, и надежды на хорошие результаты в каком-либо из испытаний, о котором мы слышали», «Нет ничего нового, что может быть открыто в физике сейчас; все, что осталось,— это проводить все более и более точные эксперименты» ... Кажется, сложно найти другого человека, настолько далекого от реальности, но почему же тогда королева Виктория решила пожаловать Томсону дворянский титул?

Возможно, ответом станет деятельность ученого до того, как ему исполнилось приблизительно 40 лет, — и когда он проявлял научную смелость, неожиданную для автора приведеиных выше изречений. Примерно в середине XIX века были сформулированы теории о свете, теплоте, электричестве и магнетизме — классических дисциплинах физики, — и участие в этом Томсона было основополагающим. Не будет большим преувеличением сказать, что в течение двух последних третей XIX века ни одна дискуссия в физике не проходила без его участия. Авторитет Томсона среди его европейских коллег был исключительно высок, и многие считали его самым блестящим ученым последних десятилетий.

Также следует вспомнить и бесчисленные достижения Томсона. Он ввел абсолютную температурную шкалу. В механике жидкостей известна теорема Кельвина о циркуляции. Он открыл так называемый эффект Томсона - термоэлектрическое свойство материалов, а вместе с Джоулем - термодинамический процесс, известный как эффект Джоуля - Томсона. В астрофизике используется временная шкала Кельвина - Гельмгольца - оценка времени, в течение которого звезда может светить, благодаря действию силы тяготения, сдавливающей ее массу с выделением тепла. Именами тех же людей названа неустойчивость в динамике жидкостей, которая объясняет, например, образование в атмосфере определенных типов облаков. Волны, которые формирует нос плывущего корабля, соответствуют так называемой модели Кельвина. Томсон открыл магнетосопротивление, и теорема Стокса о векторном исчислении появилась в первый раз в письме Томсона Стоксу, который позже использовал ее для формулировки одной из задач на экзамене 1854 года на премию Смита. Согласно Сильванусу Филиппу Томпсону, одному из биографов ученого, лорд Кельвин получил более 50 патентов в таких областях, как телеграф, компасы, навигационные приборы, динамо-машины и электрические лампы, электроизмерительные инструменты, электролитическое производство щелочей, клапаны для жидкостей и так далее. Наконец, Томсон активно участвовал в прокладке первого телеграфного кабеля через Атлантический океан.

Мы упоминали самые известные фразы лорда Кельвина - скептика, но нельзя оставить в стороне и другие изречения, в которых проявился его научный гений. В 1871 году в Эдинбурге, в связи с собранием Британской ассоциации развития науки, Томсон, который председательствовал на мероприятии, обратился к присутствующим с любопытными словами: «Наука стремится накапливать знания, следуя закону о сложных процентах. Каждое прибавление к знанию о свойствах материи предоставляет [физику] новые инструментальные средства для описания и толкования явлений природы, которые, в свою очередь, дают основания для новых обобщений, увеличивая постоянную стоимость в этом большом накоплении [натуральной] философии».

В лекции, прочитанной в Институте гражданских инженеров 3 мая 1883 года, ученый довольно точно выразил свою научную позицию: «Если ты можешь измерить то, о чем говоришь, и выразить это в числах, ты знаешь что-то об этом, но если не можешь выразить в числах, твое знание имеет скудный и неудовлетворительный характер».

Лорд Кельвин умер 17 декабря 1907 года в своем доме в Нетерхолле, в пригороде Ларгса (Шотландия). Похороны состоялись 23 декабря в Лондоне, на них присутствовали представители университетов и институтов всего мира. Ученый был похоронен в Вестминстерском аббатстве. На его могильной плите начертано: «В память барона Кельвина из Ларгса, инженера, натурфилософа, 1824-1907».

1824 26 июня в Белфасте родился Уильям Томсон. Его мать умерла в 1830 году.

1832 Семья переехала в Глазго, где отец Уильяма преподавал математику в университете. Там же учился и Томсон.

1841 Опубликовал первую научную статью, в которой защищал работу француза Фурье. Начал обучение в Кембриджском университете.

1845 Проводил исследования в лаборатории Реньо в Париже.

1846 Назначен преподавателем натуральной философии в Университете Глазго.

1851 Избран на роль фелло Лондонского королевского общества. Открыл явление, известное сегодня как эффект Томсона.

1852 Женился на Маргарет Крам (она скончается в 1870 году).

1864 Опубликовал расчеты, касающиеся возраста Земли. В следующем году участвовал в проекте прокладки подводного трансатлантического кабеля.

1866 Посвящен в рыцари. В следующем году совместно с Питером Тэтом опубликовал «Трактат о натуральной фпшософии».

1874 Заключил брак с Фрэнсис Анной Блэнди. Назначен президентом Общества телеграфных инженеров.

1881 Французское правительство предоставило Томсону титул командора ордена Почетного легиона. В 1889 году получил титул Великого Офицера.

1883 Награжден медалью Копли.

1884 Прочитал лекции в Балтиморе о молекулярной динамике и волновой теории света.

1890 Избран президентом Королевского общества, эту должность он занимал до 1894 года.

1892 Получил дворянский титул барона Кельвина из Ларгса.

1893 Возглавил международную комиссию по разработке плана гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде.

1896 Получил Большой Крест Королевского Викторианского ордена.

1898 Избран президентом Лондонского математического общества (на этом посту оставался до 1900 года).

1899 Ушел в отставку в качестве преподавателя Университета Глазго.

1906 Основана Международная электротехническая комиссия, первым президентом которой он стал.

1907 Умер 17 декабря в своем поместье в Нетерхолле. Похоронен в Вестминстерcком аббатстве.