Предчувствия и свершения. Книга 1. Великие ошибки

ПРИСТРАСТИЯ

В 1780 году в Париже много говорили о замечательном событии — двух научных трудах, вышедших одновременно. Один был политико-юридический трактат «План уголовного законодательства». В нём мелькнула молния, за которой не мог не последовать гром: развивалась мысль о том, что законы созданы богатыми и в интересах богатых, что право владения вытекает из права жизни и что бедные имеют право на восстание против своих угнетателей.

Франция шла к революции, и этот труд привлёк внимание как бедных, мечтавших о ней, так и богатых, обладавших деньгами и властью и не желавших утратить всё это. Политики, рабочие, художники, юристы, учёные спорили и обсуждали «План», потому что идеи революции разделили людей на два лагеря.

Второй труд, хотя он был немного дальше от интересов большинства французов, тоже вызвал заметный резонанс. В то время были широко распространены идеи энциклопедистов, и каждый образованный человек хотел обладать как можно более широкими познаниями. К тому же вопрос, которому был посвящён этот труд, претендовал на разгадку природы теплоты, а это стало одной из центральных проблем науки.

Теплота действительно одно из самых главенствующих явлений природы, наиболее сильное, деятельное, вездесущее. Она царит всюду. Химик сталкивается с ней, производя и изучая различные реакции. Метеоролог наблюдает её в атмосферных явлениях. Механик видит в ней основного поставщика силы в паровых машинах. Она сопровождает электрические и магнитные явления. И хотя люди самых разных профессий бились над разгадкой широко известного явления, полным пониманием его никто в то время похвастаться не мог.

Пэр Франции Лаплас, пивовар Джоуль, писатель Вольтер, циркач, музыкант, физик Юнг, военный министр Румфорд уделяли внимание этой проблеме. Многие так увлеклись ею, что изменили свои жизненные планы.

Вот почему каждая работа, претендующая на новое слово в этой области, воспринималась как сенсация, как важнейшее событие не только в среде учёных.

В труде по физике, о котором так много говорили в Париже, впервые была развита полная теория теплорода.

Революционный дух обеих статей не был случайностью. Их автором являлся один и тот же человек — практикующий в Париже врач, один из будущих лидеров французской буржуазной революции 1789 года Жан Поль Марат.

Якобинец, депутат Конвента, друг Робеспьера, Друг народа, как называли Марата трудящиеся Франции, был разносторонней личностью. Он родился в семье преподавателя иностранных языков и в молодости изучал новые и древние языки, что дало ему возможность читать в подлиннике произведения античных авторов. Шестнадцати лет Марат ушёл из дому и пустился странствовать по свету. Получив широкое образование, он стал философом, публицистом, филологом, врачом, физиком. Писал научные труды, памфлеты и эссе, лечил, спорил, пропагандировал бунтарские идеи, призывал к восстанию.

Если бегло полистать страницы жизни этого неистового человека, мы узнаем историю судьбы, полной лишений, скитаний, преследований. Мы поймём, что Марат жил такой напряжённой жизнью, что его грешно обвинять в том, что теория теплоты оказалась незрелой, непродуманной, неубедительной. Она явилась, как видно, результатом недостаточного углубления в суть вопроса.

Марат действительно первым создал полную теорию теплорода. Но… сам теплород был накануне изгнания со сцены науки. Современники и даже соотечественники Марата уже разрабатывали теории более зрелые, близкие к истинному пониманию природы теплоты.

За истину надо бороться. Марат выбрал борьбу за истину социальную, за равноправие. Ясно, что в бурный период подготовки, свершения и защиты революции Марат не мог по-настоящему заниматься наукой. В 1789 году он поглощён изданием революционной газеты «Друг народа», в 1790-м становится членом Клуба кордельеров — много выступает, пишет статьи с требованием низвержения Людовика XVI и ареста королевских министров. После разгрома типографии «Друга народа» монархистами Марат долго болеет, скрывается. Роковой 1793 год — он предан жирондистами, над ним свершается суд Революционного трибунала. Спасённый народом, он снова отдаётся служению Конвенту, участвует в ниспровержении Жиронды и способствует установлению якобинской диктатуры. И наконец — 13 июля 1793 года — трагическая гибель в возрасте пятидесяти лет от кинжала Шарлотты Корде. Какой же отрезок жизни Марат мог отдать проблеме теплоты?

1773 год. Марату тридцать лет, он издает двухтомное сочинение «Философский опыт о человеке».

1774 год. Он издает памфлет «Цепи рабства», выдающееся политическое произведение, направленное против абсолютизма, в защиту революционной диктатуры. Всё это — ещё не физика.

Только где-то позднее Марат размышляет над загадкой теплоты. Но не позже 1780 года. Потому что вышедшая в этом году статья явилась завершением, а не началом исследований Марата в области теплоты. И потому, что после восьмидесятого года научные интересы Марата принимают новое направление — об этом речь впереди. Но и в эти несколько лет — между 74-м и 80-м годами — он посвящает теплороду лишь часть своего времени, ибо в 1776 году переезжает в Париж и интенсивно занимается медицинской практикой.

Замечательно, что дореволюционная — недолгая, нерегулярная, непрофессиональная — научная работа получила тем не менее высокую оценку. Шотландский университет в 1775 году, когда Марату исполнилось 32 года, присваивает ему звание доктора медицины, а Дижонская и Руанская академии присуждают ему премии за ряд работ по физике.

Конечно, ценой такой небольшой дозы времени, усилий, раздумий невозможно было решить вопрос, над которым до Марата думали, и без особого успеха, многие великие умы: Аристотель и Роджер Бэкон, Кеплер и Эйлер, Декарт, Ньютон, Галилей…

Учёные давно бились над разгадкой тайны теплоты. Они установили ряд фактов, но не смогли достичь понимания природы тепловых явлений… То побеждало предположение, что теплота связана с особым веществом — теплородом, своеобразным флюидом, рассеянным по всей природе. То учёные склонялись к мысли, что теплота — это состояние тела. Но все эти мнения были чисто умозрительными, а само понятие теплоты — расплывчатым, неопределённым. Одни отождествляли теплоту с огнем, поэтому часто путали теплород с флогистоном, столь же гипотетической огневой жидкостью. Другие считали источником теплоты огонь — это мнение восходило к давним временам, когда философы ионийской школы объявили огонь одним из основных элементов, составляющих природу, её первоосновой.

Самой долговечной и устойчивой оказалась вера в теплород, жидкость, способную переливаться из одного тела в другое и превращать твёрдые тела в жидкие, жидкие –

в газообразные. В старых научных трудах можно встретить равенства типа: лед + теплород = вода. Вода + теплород = водяной пар.

Мысль о том, что нагревание связано с добавлением какой-то жидкости, заполняющей пространство между частицами тела, находила подтверждение в повседневности. Например: циркач соскальзывает по канату, и канат от трения нагревается — ясно, что ноги сжимают канат и выдавливают из промежутков между его атомами теплород, словно воду из мокрой тряпки. Удобное, наглядное, правдоподобное объяснение. Поэтому-то теплород держался в науке вплоть до начала XIX века, даже после того, как были поставлены убедительные опыты, опровергающие эту теорию. Такая ситуация не исключительна в науке. Скорее, типична. Учёным трудно расставаться со своими пристрастиями, с точкой зрения, в которую они уверовали. Нелегко рассыпать логическую схему аргументов и доказательств, в которую они вжились.

Кроме того, простое объяснение всегда предпочтительнее сложного, пусть строжайшим образом обоснованного. Это своеобразный закон простоты. Недаром в науке всегда ценится самое простое решение. Конечно, оно должно быть ещё и истинным.

Мы начали эту историю с того момента, когда Марат, выбрав концепцию теплорода из всего набора прежних гипотез и опираясь на свои опыты, которые убедили его в том, что нагретые тела тяжелее холодных, облёк свои выводы в законченную, как ему казалось, неуязвимую форму научной теории.

Если бы Марат проявил больше экспериментального искусства, терпения, осмотрительности! Он мог бы, должен был бы прийти к иному выводу. Это сделал Румфорд и своими опытами доказал, что Марат ошибается: вес тел при нагревании ничуть не меняется. Румфорд ещё не имел основания «отменить» теплород, но получил право на сомнение. Если теплород и существует в природе и принимает участие в превращении состояния тел, то это вещество без веса — сделал осторожный вывод Румфорд.

Это был один из первых робких выпадов против теплорода.

Кинжал и гильотина обрывают спор

В том же 1780 году, когда Марат вынес свою теорию теплорода на суд общественности, два его соотечественника сделали куда более решительный шаг к истине, предположив, что «теплота — это vis viva (живая сила), происходящая из-за неощутимого движения молекул тела».

Эти два соперника Марата (не только научные, но и политические), исследователи огромного дарования, сыграли важнейшую роль не только в низвержении гипотезы теплорода, но и в истории своей страны и мировой науки.

Находившийся в командировке в Париже в 1781 году русский академик астроном Лексель в письме своему другу, секретарю Петербургской академии наук Эйлеру дал их любопытные словесные портреты.

Об одном из них, старшем, он пишет: «… молодой человек очень приятной наружности, прекрасный и трудолюбивый химик. У него красивая жена, любительница литературы и председательница на собраниях академиков, когда они пьют чай после академических заседаний…»

Через тринадцать лет этому приятному молодому человеку, члену Французской академии наук, отрубят голову как врагу народа, но он успеет прославить родину своими «Физико-химическими этюдами», «Трактатом о теплоте»; ниспровержением флогистона, установлением закона сохранения масс, химической формулы воды, основ теории горения, созданием новой химии, основанной на понятии химических элементов, и его имя — Лавуазье — история поставит рядом с именами Ломоносова и Дальтона.

О другом Лексель пишет так: «Он автор прекрасных, замечательных произведений и сам это слишком хорошо знает, имеет он также познания и в других науках, но мне кажется, что он ими злоупотребляет, желая решать всё в академии. К тому же он очень упрям. Его желчное, порой отвратительное настроение происходит, быть может, от чрезмерной бедности…» Это — о крестьянском сыне и будущем маркизе, графе империи, пэре Франции и министре внутренних дел, члене Сената, члене Французской академии наук и всех академий Европы. Это — об авторе гениальной «Небесной механики», где изложена одна из первых (вслед за Кантом) космологических гипотез; учёном, занимавшемся теорией приливов и отливов, исследовавшем устойчивость Солнечной системы, измерившем ускорение Луны, рассчитавшем движение спутников Юпитера, авторе «Опыта философии теории вероятностей» — о Лапласе.

Эти два учёных со столь обширными и полярными интересами объединились в борьбе против теплорода.

Vis viva, живая сила, увы, тоже оказалась одной из ошибок науки, но это уже было ближе к истине. Считая теплоту результатом движения молекул и называя её живой силой, Лавуазье и Лаплас предложили её количественное определение как суммы произведений масс всех молекул тела на квадрат их скорости.

Они конструируют прибор для определения степени нагревания, калориметр, и в результате серии экспериментов находят очень точный для их времени метод измерения линейного коэффициента расширения твёрдых тел при нагревании. Это важный шаг, так как ещё не очень ясна связь между теплотой тела и его температурой. Ведь раньше температура и теплота вообще не различались. В XVII веке даже не возникало сомнения в тождественности этих понятий. Считалось, что термометры измеряют абсолютное количество теплоты. Кстати, и по сей день начинающие изучать физику не сразу чувствуют отличие понятий температуры и теплоты. Трудность усвоения этого различия — отголосок исторической ситуации. Она напоминает о том, что вопрос этот очень сложен. То, что сегодня трудно понять студенту, раньше с трудом давалось маститым учёным, которые не изучали, а впервые постигали природу теплоты.

Лавуазье ведёт исследования процессов горения. Он пытается установить механизм горения и его связь с повышением температуры тела. Он ставит остроумно задуманный опыт. Помещает в замкнутом сосуде алмаз и нагревает его с помощью солнечных лучей, сфокусированных специально изготовленной линзой. Чтобы сжечь алмаз, нужно получить мощный узкий луч света, и Лавуазье трудится над невиданной линзой: её диаметр достигал 33 дюймов, более трёх четвертей метра, что было рекордом для того времени.

Сначала Лавуазье со всей тщательностью откачал из сосуда воздух. Потом попытался лучом сжечь алмаз. Но в безвоздушной среде алмаз не сгорал, как долго ни продолжалось накаливание. Правда, при этом он постепенно терял свою благородную прозрачность и темнел. Когда после окончания опыта Лавуазье вынул из сосуда тёмное вещество, в которое превратился алмаз, то обнаружил, что оно не сохранило и несравненной твёрдости алмаза.

Тогда Лавуазье заполнил сосуд воздухом и поместил туда новый алмаз. Под лучом солнца алмаз сгорел. После остывания оказалось, что давление воздуха в сосуде уменьшилось и в нём появился новый газ. Это был углекислый газ.

Так Лавуазье доказал, что для горения нужен не флогистон, а «субстанция, извлеченная из атмосферного воздуха». Этот опыт был поставлен в 1772 году, а через два года два других химика — англичанин Пристли и швед Шееле — почти одновременно открыли газ, который назвали «дефлогистрованным воздухом». Так люди узнали о кислороде.

Теория горения, окончательное ниспровержение флогистона — всё это Лавуазье изложил в своём замечательном труде «Физико-химические этюды» и продолжил в «Трактате о теплоте» совместно с Лапласом. Этот труд вышел в 1777 году, за три года до обнародования Маратом его теории теплорода.

За эти годы Лавуазье и Лаплас высказывают мнение о существовании особого вида энергии — химической энергии, — мысль для их времени безумная или гениальная. Они исходили из аналогии между живым организмом и печью и утверждали, что человек «сжигает» свою пищу в кислороде, получая столько же тепла, как если бы ту же пищу сжигали в печи. В результате этого процесса выделяется тепло, необходимое для жизнедеятельности организма.

Лаплас и Лавуазье предложили и метод экспериментальной проверки своей догадки. Если верно, что пища, соединяясь с кислородом, в процессе сгорания образует воду и углекислый газ, можно измерить количество вдыхаемого человеком кислорода или выдыхаемого углекислого газа и определить количество сожженной пищи.

Этот опыт поставил в 1779 году Кроуфорд, правда,

не на человеке, а на морской свинке. Покормив её, он измерил её теплоотдачу. Потом затопил печь углем. Отпустив ей то же количество кислорода, он убедился, что печь даёт столько же тепла, что и свинка.

Эти опыты были так эффектны, что они повторялись множество раз, со всё более высокой точностью — результаты совпадали до 1 процента — иллюстрируя ненужность такого пособника в делах горения, как теплород.

… Обсуждали ли Марат, Лавуазье и Лаплас свои точки зрения? Наверно, личный контакт помог бы им разобраться в противоречиях, обострил бы мышление, мобилизовал внимание.

Столкновение мнений — очень острый момент в процессе научного творчества. Нередко в научный спор вмешиваются привходящие обстоятельства, личные склонности, политические убеждения, особенности характера — всё вплетается в спор и влияет на его исход. Конфликт мнений возможен и при интерпретации работ уже ушедших из жизни учёных, и история знает немало случаев злоупотреблений и искажений, допущенных из-за того, что один из партнёров уже не может отстоять свою позицию.

Но когда все участники дискуссии живы, подданные одной страны, жители одного города, — что может помешать им обменяться мнениями? Совместно обдуманные и поставленные опыты… Тщательно проверенные результаты… их сравнение, интерпретация — всё это, несомненно, помогло бы выяснить, кто прав и чья идея ближе к истине…

Но до 1780 года, когда Марат, по существу, подвёл итог своим исследованиям в области теплоты, они не общались. И Марат, владевший математикой несравненно хуже, чем Лаплас и Лавуазье, чисто психологически склонялся к наглядной теории теплорода, соответствовавшей всему опыту, накопленному к этому времени наукой и подкреплённому его собственными экспериментами. Конечно, трудно предположить, что Марат не был знаком с механическими теориями теплоты, сводившими тепло к движению незримых частиц. Но эти теории должны были казаться ему, реалисту, слишком умозрительными, связанными с жизнью непрочными узами математики, от которой он был весьма далёк.

Что же мешало Марату, Лавуазье и Лапласу найти общий язык впоследствии, когда они встретились на общественном поприще? Ведь у них не только общие научные интересы, но и в революции они на одной стороне баррикады. Это правда, но не полная правда.

Как политические деятели эти три выдающихся человека единодушны только в начале революции. Позже их политические убеждения расходятся. Марат — неистовый революционер. Он — за углубление, за непрерывность борьбы. «Он не считал революцию завершённой, а хотел, чтобы она была объявлена непрерывной», — писали Маркс и Энгельс.

Лавуазье же, Лаплас и многие другие учёные хотели её скорейшего завершения.

Несмотря на различие политических позиций, судьбы Марата и Лавуазье схожи: оба погибли в ходе революции. Неистовый революционер Марат пал от кинжала аристократки. Осторожный Лавуазье был казнён как противник революции.

Лишь Лаплас, который был моложе однолеток Марата и Лавуазье на шесть лет и дожил до 78-летнего возраста, смог полностью проявить свои возможности. Он стал эпохой французской науки послереволюционного периода, эпохой мировой науки. Но его интересы так обширны, что работы в области теплоты лишь небольшая, не самая важная их часть.

Флюиды, месмеризм и смутные предчувствия

Не только смерть помешала Марату и Лавуазье найти общий язык. Их научные интересы, встретившись ненадолго, разошлись. Марат, опубликовав работу по теории теплорода, уже через три года пишет другу о новом увлечении — на сей раз электрическими флюидами.

Электрические флюиды или жидкости были сродни теплороду, их наличием в телах пытались в то время объяснить электрические явления. Оба флюида входили в число «невесомых» материй, о которых речь впереди.

О подробностях своих занятий Марат не пишет, зато с восторгом рассуждает о перспективах электрических методов лечения. Он говорит о намерении «заняться электричеством в области медицины, наукой, которая так сильно интересует общество». Он критикует премированную работу аббата Бертелона, который «выдаёт электричество за универсальное средство от всех болезней», и пишет о своей работе, получившей премию Руанской академии, предложившей конкретную тему: «Определить степень и условия, при которых можно рассчитывать на электричество в лечении болезней».

Этот интерес возник у Марата не случайно. Во всём мире всеобщее внимание возбуждали идеи французских материалистов о материальности психических процессов.

Физиологи, химики, физики, врачи старались постигнуть суть не только таких жизненных процессов, как кровообращение, пищеварение, дыхание. Научная мысль уже работала над раскрытием физической природы ощущений. Правда, каждое открытие на стыке живой и неживой природы ещё пугало самих учёных и воспринималось как проявление чуда, мистики, как намёк на таинственного посредника где-то «за сценой».

Когда итальянец Гальвани подключил в электрическую схему мёртвую лягушку и её лапка задергалась под влиянием электрического разряда, об этом событии обыватели судачили с ужасом. Не много понимал поначалу и Гальвани, воспринимая всё как случайность.

Но с исторической точки зрения это уже не было неожиданностью.

Гальвани приступил к своему опыту тогда, когда даже в светских гостиных обсуждали различного рода флюиды, драматический шёпот ясновидцев повествовал о «животных эссенциях», которые, протекая по нервам, переносят ощущения к мозгу и вызывают сокращение мышц.

Историк науки Льоцци, характеризуя атмосферу того века, пишет о странной смеси материализма и мистики, дерзости и суеверий. «На фоне этого океана необоснованных гипотез, путаных идей, ошибочных аналогий, смутных предчувствий начались исследования Луиджи Гальвани».

Много толков вызвали работы американского физика Франклина, целью которых было установить не только природу молнии, но и влияние её на живые организмы. В результате опытов родилось убеждение, что существует связь электрических явлений с живой природой.

В поведении электрических скатов, угрей, сомов учёные угадывали примеры связи электрических явлений с биологией, с психикой.

Естественно, врачи и физиологи с надеждой обратили внимание на электрические методы лечения. Опыты Марата по лечению электричеством заинтересовали Франклина, Лавуазье и многих других учёных и врачей.

Расхождения с Лавуазье и Лапласом по поводу взглядов на природу теплоты отошли у Марата на второй план. В своем письме к другу Марат, описывая новый метод наблюдения в тёмной комнате «материи огня и электричества», жалуется на невнимание к своей работе Академии наук, которая не нашла нужным проверить его опыты. (Значит ли это, что члены Французской академии наук не приняли всерьёз и работы Марата по теплороду?)

Марату явно не везет с выбором научных тем. В его новое увлечение электрическими методами лечения вплетается досадное обстоятельство, которое дискредитирует выбранное Маратом научное направление. В его работах чувствуется вера в психические флюиды. А с этим академия уже имела дело, рассматривая деятельность модного врача Месмера. Он ловко использовал новые теории об электрических, магнитных и других флюидах и объявил об открытии по примеру животного электричества «животного магнетизма».

«Животный магнетизм, — уверял Месмер, — может переноситься без помощи тел и отражаться, как свет». Месмер предлагал свой метод лечения как универсальное средство от всех болезней, объявлял себя спасителем рода человеческого, устраивал сеансы «месмеризма», собирал кучу денег от восторженных почитателей.

20 000 франков — вот размер пожизненной пенсии, которую назначил ему одураченный властелин Франции.

Разоблачением «месмеризма» занялась Академия наук. Была создана комиссия (в её составе был и Лавуазье). Обследовав вопрос, комиссия дала уклончивый ответ. Не отвергая возможности «животного магнетизма» (ведь такая гипотеза не противоречила, а, наоборот, была в духе мировоззрения этого времени, созвучна тенденции материализовать психические процессы), комиссия писала в своём отчёте, что не обнаружила неизменного, то есть воспроизводимого действия флюидов в проверенных ею фактах. Академики не отважились прямо назвать месмеризм жульничеством.

Но работы по психическим флюидам перестали афишировать. Так Марат со своим увлечением электрическими флюидами попал в сомнительную компанию приверженцев разного рода невесомых субстанций.

И всё-таки Марат не жертва обстоятельств. Он сам был повинен в своих заблуждениях и неудачах. Не он один был в плену ложных представлений. И Гальвани верил поначалу во флюиды, но преодолел этот этап с честью — создал новую главу в науке о физиологическом электричестве. Вольта начинал с признания флюидов, а кончил эпохальным открытием — создал первую электрическую батарею, которая «действует непрерывно, то есть заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой, одним словом, — писал он, — этот прибор создаёт неуничтожаемый заряд, даёт непрерывный импульс электрического флюида».

Потрясение от изобретения искусственного «электрического органа», сходного с электрическим органом у ската, многие физики склонны сравнивать с впечатлением от создания через 142 года атомного котла.

Гальвани и Вольта — пример учёных, наделённых удивительной, безошибочной интуицией. При ложной исходной позиции они пришли к истинным результатам.

Лаплас и Лавуазье также не избегли увлечения магнитными и электрическими флюидами. Вместе с Вольтой они в 1782 году проделывают — сначала в Париже, потом в Лондоне — опыты по получению электричества, которое возникает, по словам Вольты, «от простого испарения воды и различных химических реакций». Этими опытами они вторглись ещё в одну неизведанную, полную загадок область науки — метеорологию. Она тоже была пронизана предчувствиями, пристрастиями. Процессы испарения и конденсации воды, то, что сегодня для учёных открытая книга, в ту пору были тайной. Учёные не стыдились верить в то, что роса падает со звёзд или поднимается от земли и опадает на листьях, что за подобные явления ответствен особый флюид, нечто среднее между эфиром и теплородом — тепловой эфир.

Лавуазье, Лаплас и Вольта, исследуя процессы испарения, конденсации, электризации воды, видят в этом не мистику, а новый облик событий: связь электрических, химических и тепловых явлений. Они выходят — каждый в своей области — на дорогу нового мировоззрения.

Вольта и Гальвани, как мы уже знаем, начинают новую эру в электричестве. Лавуазье приходит к совершенно новому пониманию основ химии.

Произведя анализ и синтез воды, исследовав состав воздуха, Лавуазье опроверг старый взгляд на первичную структуру Вселенной. Нет, в основе природы лежат не «начала» — вода, воздух, огонь, — неделимые первовещества. Вода, воздух и другие газы, считавшиеся раньше «чистыми» веществами, — это сложные соединения. Лавуазье и другие химики ввели понятие химических элементов. Соединяясь между собой, эти элементы создают всё многообразие веществ Вселенной.

Так был открыт новый период в истории химии, начавшийся ещё с предчувствий Ломоносова, продолженный Лавуазье и Дальтоном, введшим в науку важнейшее понятие атомного веса, период, завершившийся гениальным творением Менделеева — Периодической системой химических элементов.

Пушки кипятят воду

Заблуждение Марата не может быть объяснено уровнем знаний в его время — скорее, недостатком интуиции. Революционер, беспощадно боровшийся с реакционерами в политике, оказался рутинёром в исследовании. Его теория теплорода вела науку обратно к схоластическим построениям натурфилософии, вела в то время, когда большинство физиков стремилось покончить с «невесомыми», в частности с теплородом. Теория теплорода сыграла роль первого камня, упавшего с высокой горы и повлекшего за собой лавину: возбудила волны, смывшие древний лёд флюидов, державших науку в длительной спячке средневековья.

— Теплород — жидкость? — вопрошал с трибуны Дэви, популярный химик, блестящий оратор, славившийся своими дерзкими, крамольными, не принятыми в его время научными взглядами. — Но почему в таком случае эта «жидкость» не ведёт себя в экспериментах так, как полагается вести себя всякой порядочной жидкости?

И он обвинял защитников теплорода в том, что они «ставят не на ту лошадь».

Когда Дэви слышал об опытах, якобы обнаруживших теплород, электрические или магнитные жидкости, то называл это шаманством и архаизмом. Молодёжь ломилась на его лекции. Этот англичанин, сын резчика по дереву, открыватель «веселящего газа», как назвали поначалу закись азота, увлёк своими блестящими лекциями не одну быстро воспламеняющуюся голову.

Однажды его услышал молодой переплётчик Фарадей, который так захотел стать химиком, что решил для начала сделаться слугой Дэви.

Фарадей пойдёт дальше учителя, дальше своего века. Он приблизится в понимании теплоты, электричества, магнетизма к позиции Лапласа, Эйнштейна, почувствовав в разнообразных явлениях природы единую сущность. Но к этому он придёт значительно позже, когда термодинамика накопит достаточно информации.

А пока, в молодые годы, он, восхищаясь Дэви, его бунтарством, с восторгом учился у него и помогал в самый трудный, начальный период борьбы с теплородом.

Дэви не только учил, он и созидал. Он отваживался на неожиданные толкования природы теплоты. Он выдвинул теорию, которая теперь называется кинетической теорией тепла. Колебательное и вращательное движение частиц вещества — вот причина повышения его температуры, учил Дэви.

Он прославился не только как автор этой революционной теории, но как смелый экспериментатор, объединивший возможности химии и физики, этих двух важнейших путей познания природы.

Окончательной победы кинетической теории теплоты Дэви не дождался. Быстро отгорев, он странным образом завершил свои дни. Опубликовав в 1806 и 1807 годах знаменитые лекции, создавшие ему славу величайшего химика Европы, и получив в 1812 году титул барона, он сошёл с высот науки до уровня завсегдатая светских гостиных. Его голоса уже не слышат в студенческих аудиториях, под научными статьями никто не видит его имени. Дэви — в плену «света» и своей богатой жены. В сопровождении жены и Фарадея он отправляется в длительное путешествие по Европе. Несколько лет о нём ничего не известно — он угасает. Вдруг слава ненадолго вновь осеняет Дэви светом лампы, которую он изобретает для углекопов по заказу рудничной компании. Но затем, вплоть до кончины — 28 мая 1829 года, — он как учёный больше не существует.

Однако мысль толковать теплоту как форму энергии была высказана, подхвачена, и отмахнуться от неё уже невозможно.

Но что значит мысль без доказательства?

Решительное слово в развитии нового взгляда на теплоту принадлежит человеку, необычайная жизнь которого, трудолюбие, широта интересов сделали его активным действующим лицом в борьбе с теплородом.

… Румфорд уже был Румфордом, когда молодой Дэви поступил в руководимый им институт — Королевский лондонский институт — на амплуа профессора химии. Прошло уже много лет с тех пор, как некий Бенжамен Томпсон, противник борьбы за независимость, бежав из Америки, обосновался в Европе. Немало лет прошло и с тех пор, как, поступив на службу к баварскому курфюрсту, Томпсон проявил столько разнообразных талантов, что получил от Карла Теодора пост военного министра и титул графа Румфорда — в честь города в Нью-Гэмпшире, где он родился. За плечами у Румфорда была реорганизация немецкой армии, основание многих мануфактур, разработка проектов экономичного городского отопления. Его разносторонние таланты принимали иной раз «заземлённый» характер, и он увлекался составлением рациональной диеты, конструированием таких оригинальных очагов и печей, что стал знаменитостью в этой области. Он был занимательным человеком, галантным кавалером и, когда в 1803 году попал в Париж, пленил вдову Лавуазье и женился на ней. Ещё в бытность в Баварии он обдумал и осуществил ставший знаменитым опыт с оружейными стволами, нанёсший чувствительный удар теории теплорода. В 1778 году он провёл ряд опытов над силой пороха и заметил, что пушечный ствол от холостых выстрелов нагревается сильнее, чем от выстрелов снарядами, хотя следовало бы ожидать обратное: ведь при стрельбе снарядами горячий газ дольше остаётся в соприкосновении со стенками орудия, и если верить, что именно теплород переносит тепло, то в таком случае большее его количество успеет перетечь в ствол.

Опыт вступил в противоречие с теорией теплорода,

и если бы Румфорд продолжил исследования в этом направлении, может быть, история термодинамики пошла бы в ином ритме. Но Румфорд в то время не закончил задуманный цикл экспериментов, а продолжил их лишь через двадцать лет.

Надо сказать, что, несмотря на столь разные увлечения, отклонения в сторону, доминирующей страстью Румфорда была проблема теплоты. И упоминание о его занятиях вопросами кухни и пищи не случайно. Именно с их помощью Румфорд внёс в науку о теплоте важное наблюдение. Считалось, что жидкости проводят тепло лучше, чем твёрдые тела. Румфорд, наблюдая, как остывает густая пища, объявил о своём несогласии с этой точкой зрения. Поставив ряд экспериментов, он возбудил такой активный спор о процессах теплопроводности в различных веществах, что это вылилось в образование новой ветви науки о теплоте.

Его опыты всегда отличались простотой и связью с обычной жизнью, что не могло не шокировать кабинетных учёных. Так неожиданно и непосредственно, прямо на военном полигоне, Румфорд провёл и свой главный, простой и гениальный эксперимент, вошедший во все учебники физики. Наблюдая за сверлением стволов бронзовых пушек, Румфорд измерял количество выделяющегося при этом тепла. Он обнаружил, что тупое сверло хотя и плохо режет металл, но даёт много тепла. Пока лошади приводили в движение это сверло, можно было успеть вскипятить воду в котлах, установленных на пушках. Румфорд решил, что тепло будет выделяться безгранично долго, во всяком случае до тех пор, пока лошади, вращающие сверло, способны продолжать работу. Если бы здесь была замешана теплородная жидкость, она должна была бы давно иссякнуть.

С современной точки зрения этого наблюдения было бы достаточно для ниспровержения гипотезы теплорода: тепло получается в результате механической энергии, работа, совершаемая лошадьми, превращается в тепло.

Но в то время, когда гипотеза теплорода была привычной, требовались и другие аргументы.

Румфорд нашёл один из них, измерив теплоёмкость стружек, и установил, что она такого же порядка, как теплоёмкость сплошного металла.

Вывод был один: твёрдая, цельная пушка предоставляла теплороду столько же места, сколько и разрозненные мелкие стружки! Что могли возразить приверженцы теплорода?

Тени управляют миром

Они ничего возразить не могли, но тем не менее вера в теплород продолжала жить и после убедительных опытов Румфорда, продемонстрировавших получение тепловой энергии из механической. Вера в тепловую жидкость продолжала жить и после виртуозных опытов Джоуля, учёного-любителя, которого загадка теплоты вырвала из привычного круга дел, и он, променяв пивоварню на научную лабораторию, поставил целью жизни доказать, что теплота — это форма энергии.

Он был настолько поглощён загадкой теплоты, что даже во время медового месяца, который он проводил с молодой женой в Швейцарии, где много водопадов, задумал провести серию экспериментов. Водопады были ему полезны тем, что сами перемешивали воду в больших резервуарах.

Джоуль начинал день с того, что обходил водопады и измерял разность температур между их верхним и нижним уровнем, и мучил себя вопросами: какова зависимость между высотой водопада, энергией падающей воды и повышением её температуры внизу? Зависит ли повышение от массы воды, в какой день лучше проводить измерения — в ветреный или безветренный? И, убедившись, что это надо делать в безветренный день, задавался новыми вопросами: чем плох ветреный день, почему даже в тихий день предсказанную разность температур дают не все водопады и почему некоторые типы водопадов вообще не создают разности температур?

Работам по теплоте Джоуль посвятил сорок лет. В честь его заслуг в этой области имя Джоуля присвоено единице энергии. Он достиг цели жизни — многое узнал о тайнах теплоты. Но пристрастие к теплороду уцелело и после опытов Джоуля и других многочисленных экспериментов Майера, Фавра, Хирна, Вебера, Зильбермана, Ленца — всех тех, кто перекачивал один вид энергии в другой: механическую в тепловую, тепловую в механическую, химическую в тепловую или сначала в электрическую, а потом в тепловую, — иллюстрируя, что все эти виды энергии лишь разновидность одной, универсальной и неуничтожимой.

Популярный в XIX веке немецкий историк науки Розенбергер пишет: «Эти удивительные опыты никем не были опровергнуты, но тем не менее были забыты!» Как же объяснить этот странный, бескровный поединок науки с пристрастиями и косностью человеческого мышления?

Мода, хотя и временный, но закон. Он диктует свою волю целым поколениям. Так, на переломе XVIII–XIX веков в науке царила мода на «невесомые». Таинственная, неуловимая материя — теплород, эфир, электрическая и магнитная жидкости — была у всех на устах. Ничто так не подогревает интерес, как таинственность, противоречивость, неопределённость. А в области невесомых таинственности и неопределённости было хоть отбавляй. Интерес подогревался постоянными столкновениями между теми, кто добывал новые факты, — экспериментаторами, и теми, кто истолковывал факты, — философами. Многие философы прославились своими умозрительными построениями, буквально умственными замками, возведёнными на фундаменте невесомых.

Философы, физики, поэты спорили о тенях, правящих миром. Проблемой невесомых был озабочен даже Наполеон Бонапарт. Когда на приёме Наполеону представили философа Якоби, император задал ему только один вопрос:

— Qu'est ce que la matiere? (Что такое материя?)

Его так интересует этот вопрос, что, узнав о работах Вольты в области электрических флюидов, он приглашает итальянского учёного в Париж. 11 фримера X года (1801 год) во Французском институте Вольта демонстрирует свои опыты, и Наполеон, оставив государственные дела, присутствует на заседании. Вольта пишет брату: «Я сам… поражаюсь тому, что мои старые и новые открытия… вызвали столько энтузиазма. Оценивая их беспристрастно, я сам тоже вижу в них всё же некоторую ценность: они проливают новый свет на теорию электричества; открывают новые пути для химических исследований… Уже более года все газеты Германии, Франции и Англии полны сообщениями об этом. В Париже же они, можно сказать, вызвали фурор, потому что здесь к ним, как и к прочему, примешивается крик моды…»

… 18 сентября 1820 года Ампер провёл свой знаменитый эксперимент по взаимодействию проводников, обтекаемых электрическим током.

Сегодня даже школьники не очень-то удивляются, наблюдая, как два параллельных куска провода, по которым пропущен электрический ток, то притягиваются, то отталкиваются. Ясно, что в одном из проводов изменилось направление электрического тока.

Но когда Ампер произвёл этот опыт впервые, то присутствовавшие на заседании Французской академии наук были под большим впечатлением от непонятных движений электрических проводов. История передаёт, что Лаплас, усомнившись в увиденном, придирчиво допрашивал ассистента, помогавшего при опыте:

— А не вы ли, молодой человек, подталкивали провод?

Но, как всегда, были и такие учёные, которые не хотели видеть в опытах Ампера ничего нового. Один из них сказал ему:

— Ну что же, собственно, нового в том, что вы нам показали? Само собой ясно, что, если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, они должны действовать и друг на друга.

Ампер не нашёл что ответить. Присутствовавший при этом Араго вынул из кармана два ключа и сказал:

— Каждый из них тоже действует на магнитную стрелку, однако же они не действуют друг на друга.

Опыт Ампера развенчал магнитную жидкость, которой объясняли магнитные явления, и с тех пор авторитет невесомых начал заметно падать. Закатилась звезда и тепловой жидкости. Зрело понимание того, что природа — материальна, что энергия — форма существования материи, что есть разные формы этой энергии и они способны переходить одна в другую по строгому закону сохранения.

Многие учёные внесли свой вклад в формулировку понятия «энергия» и закона её сохранения. Первый и решающий вклад сделан, несомненно, Ломоносовым. Но следующим нужно назвать немецкого врача Майера, родившегося на целое столетие позже. Он рассмотрел двадцать пять проявлений закона сохранения энергии, охватив явления неживой и живой природы.

Майер прожил трудную жизнь. Судьба этого незаурядного человека интересна нам не только научным потенциалом, но поучительна драматизмом, жертвенностью во имя идеи. Пример этой жизни иллюстрирует, как трудно пробивает себе дорогу новое, как истине небезопасно выходить на поединок с укоренившимися заблуждениями, как почётна, но нелегка победа.

Первое начало

Майер был горяч и принципиален. Эта черта отличала его ещё в юности. За участие в студенческой сходке он был арестован и исключён из Тюрингенского университета, где слушал медицину и химию. После освобождения был вынужден эмигрировать, что задержало окончание его образования. Получив диплом, Майер уезжает в Индонезию в качестве судового врача. Один эпизод плавания круто меняет жизнь Майера. Пуская кровь заболевшему матросу, Майер обратил внимание на её необычайно алый цвет. Он даже подумал, что, вскрывая вену, повредил артерию! Местные врачи успокоили его: венозная кровь в жарких странах всегда приобретает алый цвет. «Некоторые мысли, — писал Майер впоследствии, — пронизавшие меня подобно молнии, это было на рейде в Сурабае, тотчас с силой овладели мною и навели на новые предметы».

Ещё один пример того, как широко известное явление, не привлекающее внимания большинства людей, даёт толчок воображению творческой личности. Майер понял: алый цвет венозной крови вызван тем, что в вены возвращается кровь, богатая кислородом. Значит, в тропиках человек потребляет меньше кислорода, ибо при жаре для поддержания нормальной температуры тела нужно меньшее количество тепла от сгорания поступивших в организм веществ. Эта мысль была как зерно, брошенное в землю.

Вернувшись в 1841 году на родину, он, подобно Ломоносову, пишет о том, что «силы» неуничтожаемы, так же как химические вещества. «Силы — это движение, электричество и теплота».

Майер излагает своё открытие в статье и посылает её Поггендорфу, знаменитому редактору наиболее авторитетного научного журнала того времени «Анналы физики». Поггендорф не счёл нужным напечатать эту статью. Он не вернул её автору, даже не ответил ему. Статья была найдена в архивах журнала и опубликована ровно через 40 лет. Теперь мы знаем, что статья была не закончена (в конце её значилось — «продолжение следует»). Понятие «сила» было определено весьма нечётко, но идея неуничтожаемости этих сил и понятие «разностей» как причины превращения «сил» были сформулированы достаточно чётко.

Через год Майер в другом журнале публикует новую статью, в которой мысль о существовании закона сохранения сил сформулирована ещё более чётко. Не зная о работах Ломоносова и Джоуля, он ссылается на опыты Дэви по плавлению льда за счёт тепла, выделяемого трением,

и на закон сохранения вещества в химических реакциях, как его сформулировал Лавуазье.

Удивительно красочно объяснение Майера:

«Паровые машины служат… для превращения тепла в движение или поднятия груза. Локомотив с его поездом может быть сравнён с перегонным аппаратом: тепло, разведённое под котлом, превращается в движение, а таковое снова осаждается на осях колёс в качестве тепла».

Майер продолжает свои исследования, возвращаясь к процессам обмена веществ в организме, но журнал, напечатавший его первую статью, отвергает вторую. Автору пришлось издать её за свой счёт отдельной брошюрой.

Здесь он анализирует 25 случаев превращения «движений», включая то, что мы теперь называем потенциальной и кинетической энергией, электрической, химической и тепловой энергией. Здесь он отрицает теплород, электрический и другие флюиды. «Не существует нематериальных материй, — пишет он. — Мы прекрасно знаем, что ведём борьбу с укоренившимися гипотезами, канонизированными крупнейшими авторитетами, что мы хотим вместе с невесомыми жидкостями изгнать из учения о природе всё, что осталось от богов Греции, однако мы знаем также, что природа в её простой истине является более великой и прекрасной, чем любое создание человеческих рук, чем все иллюзии сотворённого духа».

Далее он пишет: «Мир растений образует резервуар,

в котором закрепляются и накопляются в целях их использования быстро летящие солнечные лучи — источник экономических благ, с которым неразрывно связано физическое существование человеческого рода…» Он отвергает «жизненную силу» и выявляет роль кислорода при поглощении пищи и выделении мышцами тепла при механической работе. Это было бунтарство, вызов прежним взглядам, и Майер стал объектом бойкота по-старому мыслящих учёных.

Майер остро воспринимает непонимание и невнимание к его работам. Вскоре они перерастают в настоящую травлю, на которую, несомненно, повлияла и острая политическая обстановка периода «Бури и натиска», и сложная семейная ситуация. Приват-доцент Зейффер помещает в газете статью с грубыми издевательскими выпадами против Майера и его работ. Газета отказывается напечатать его ответ. Майер, незадолго до того с достоинством проведший полемику с Джоулем о приоритете в открытии эквивалентности теплоты и живой силы в её численном выражении, пытается покончить самоубийством, выпрыгнув из окна. Он остался жив, но вышел из больницы лишь через несколько месяцев.

Майер нашёл в себе силы ответить врагам в брошюре «Замечания о механическом эквиваленте теплоты», в которой подведён итог всей его деятельности.

В биографии Майера, написанной известным физиком Оствальдом, сказано: «Нужно думать, что это защитительное сочинение было написано кровью Майера, окончательно исчерпав его силы». Действительно, вскоре после появления брошюры он попадает в частную психиатрическую клинику, а затем в казенную психиатрическую больницу с ужасным режимом. Имеются сведения о том, что родственники поместили его туда насильно. Обстановка была такой, что через два года, когда он вышел из больницы, уже ходили слухи о его смерти в сумасшедшем доме.

Майер вновь вернулся к научной работе, но не прибавил новых существенных результатов к прежним достижениям. Впрочем, обстановка ему по-прежнему не благоприятствовала. Небезызвестный Е. Дюринг, давший повод к написанию труда Ф. Энгельса «Анти-Дюринг», сделал всё для того, чтобы противопоставить Майера Джоулю и Гельмгольцу, что ещё более осложнило положение Майера в научном мире.

Закончим краткий очерк работ скромного и великого Майера словами Ф. Энгельса: «Уже в 1842 году Майер утверждал «неуничтожимость силы», а в 1845 году он, исходя из своей новой точки зрения, сумел сообщить гораздо более гениальные вещи «об отношениях между различными процессами природы», чем Гельмгольц в 1847-м».

Судьба Майера не остановила молодых. Многие, вслед за Майером, занялись проблемой сил и энергии. Коллективные усилия привели к пониманию того, что прежние представления о механической работе, количестве теплоты и неопределённые высказывания о «химической силе», «электрической силе», «живой силе» и даже пресловутой «жизненной силе» следует заменить единым понятием «энергия».

Нам гораздо удобнее применять современный термин «энергия» при обсуждении опытов Джоуля, Майера и других учёных, доказавших с большой точностью, что механическая работа всегда превращается в тепло с одним и тем же переходным коэффициентом, что столь же постоянные коэффициенты связывают взаимные превращения других «сил», других форм энергии.

В результате подобных опытов в единую схему были объединены чрезвычайно непохожие между собой и внешне далёкие явления. Теперь о них знает каждый школьник: качание маятника сопровождается переходом кинетической энергии его движения, зависящей от скорости, в потенциальную энергию силы тяжести, зависящую от положения маятника. Колебание струны сопровождается переходом кинетической энергии её движения в потенциальную энергию упругости струны, зависящую от её деформации. В обоих случаях движение прекращается по мере того, как механическая энергия постепенно переходит в тепловую из-за трения в подвесе маятника или внутреннего трения в материале струны. Теперь точно измерены коэффициенты превращения электриче-ской энергии в тепловую при нагревании проводников из-за их сопротивления электрическому току и многие другие характеристики.

Объединение всех наблюдений и точных измерений такого рода привело к окончательному установлению и к точной формулировке закона сохранения энергии в качестве одного из основных законов природы, который называют также Первым началом термодинамики, или Первым законом термодинамики.

… События, которые составили эту главу, разумеется, не кончились на этом этапе. Ещё не была создана непротиворечивая теория теплоты, ещё не была окончательно понята связь между рядом открытий в области электричества, магнетизма, света, теплоты, которым был так богат этот этап развития науки.

Мы сделали лишь то, что делают телевизионные комментаторы, желая обратить внимание зрителей на детали какого-то важного события спортивных состязаний, — повторяют эпизод в замедленном темпе. Мы коснулись лишь событий, последовавших за статьёй о теплороде Марата, — переломного момента в истории борьбы с невесомыми материями. Отстаивая теорию теплорода, Марат привлёк к нему внимание столь мощных и разнообразных умов, что ускорил гибель теплорода, оказав тем самым науке огромную услугу. Мы замедлили в своей «съёмке» самый острый, начальный момент свержения с трона теплорода, за которым, конечно же, последовало много замечательных событий. И среди них те, которые не назовёшь иначе как авантюрные. Они подвели к великому рубежу познания — пониманию Второго начала термодинамики. Речь об этом — в следующей главе.