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

2.1. Поиск общей причины неудач с ppm. «Закон сохранения силы»

Последние два века описанного в гл. 1 периода истории ppm (XVII и XVIII вв.) характерны тем, что многие даже достаточно серьезные ученые верили, в то, что вечный двигатель можно создать. Даже постоянные неудачи многочисленных изобретателей не могли поколебать их веру в ppm, несмотря на труды Стевина, Галилея, Герике, Торричелли, Паскаля, Бойля, Ньютона и Лейбница, которые уверенно отрицали возможность его создания.

Теоретики иногда оказывались даже позади некоторых практиков, которых собственный опыт приводил к мысли о бесперспективности работы над ppm.

Подытоживая сложившуюся ситуацию, механик Я. Леупольд в сочинении «Театр машин» («Theatrum machina-rum»), вышедшем в 1724 г., написал, что всегда на практике вместо perpetuum mobile получается perpetuum stabile (вечное равновесие, неподвижность).

Этот интересный феномен нельзя объяснить просто тем, что ученые «меньшего калибра» были далеки от идей своих великих современников и предшественников и не понимали их. Главная причина находилась глубже. Дело было в том, что положение о невозможности ppm, которое высказывали ведущие физики и философы, не подкреплялось никаким общим физическим законом, действовавшим в любой области. Пользуясь частными законами — моментов сил или равновесия тел на наклонной плоскости, можно было показать неработоспособность конкретного механического ppm. Законы гидравлики тоже позволяли доказать, что такой-то определенный гидравлический двигатель действовать не будет. Однако сторонники ppm всегда могли возразить: «А я сделаю другой, который будет!» Все прошедшие неудачи за редкими исключениями (Леонардо, Стевин) связывались не с принципиальной невозможностью ppm, доказательств которой не было, а только с частными ошибками или недоработками, которые в дальнейшем, казалось, можно устранить. Дело мало менялось от того, что многие великие умы от Декарта до Ломоносова постепенно подготавливали фундамент общего закона природы, вообще запрещающего ppm. А пока всегда оставалась надежда «просочиться» в щель между частными законами, найти такие явления и конструкции, где они не действуют. Только единый закон, распространяющийся на все явления природы, мог создать сплошной научный фронт, непроницаемый для любого ppm-1. Таким законом стал в XIX в. закон сохранения энергии. Когда он утвердился, «доэнергетическая» физика кончилась и с ней пришел конец[16] вечному двигателю первого рода.

Становление закона сохранения энергии и самого понятия «энергия» проходило долго и с трудом. Борьба — именно борьба, и очень тяжелая — за утверждение этого закона проходила по разным направлениям, но с непременным участием вечного двигателя.

В истории иногда наблюдаются парадоксальные ситуации, когда нечто не существующее (и даже не могущее существовать в принципе) оказывает существенное влияние на весьма реальные события. Интересный пример такого влияния — вечный двигатель. М. Планк писал: «…поиски perpetuum mobile имели для физики столь же важное значение, какое имели для химии попытки искусственного получения золота, хотя в обоих случаях наука воспользовалась не положительными, а отрицательными результатами соответствующих опытов» [1.6].

Формирование представления об общем законе сохранения, управляющем всеми формами движения материи, началось очень давно. Уже у античных авторов можно найти мысль о неуничтожимости не только материи, но и ее движения. Римлянин Тит Лукреций Кар (95-55 гг. до н. э.) в знаменитой поэме «О природе вещей» писал:

Из этих строк видно, что древние понимали (конечно, в общих чертах), как механическое движение переходит в тепловое движение частиц тела.

Идея о некоторой постоянной силе, передаваемой от одного тела к другому, сохранилась и в средние века. В своеобразной форме ее отразил, например, средневековый философ Жан Буридан[17] (1300-1358 гг.). Он назвал такую силу impetus (натиск, напор) и выразил ее переход от одного тела к другому так: «В то время, как движущее движет движимое, оно запечатлевает в нем некую силу (impetus), способную двигать это движимое в том же направлении…, безразлично, будет ли это вверх, вниз, в сторону или по окружности». Несмотря на некоторую «ученую» тяжеловесность этой фразы, ее в принципе правильный смысл ясен.

О взглядах Леонардо да Винчи на сохранение движения мы уже упоминали раньше. Далее, начиная с XVI в., идея о сохранении движения (ограниченная, естественно, только механическим движением) и невозможности его возникновения из ничего (т. е. невозможности ppm-1) постепенно развивалась и укреплялась в сознании ведущих физиков. Предоставим слово им самим.

Д. Кардано (1501-1576 гг.): «Нельзя устроить часы, которые заводились бы сами собою и сами поднимали гири, движущие механизм».

Г. Галилей (1564-1642 гг.): «Машины не создают силу; они только ее превращают. Кто надеется на другое, тот ничего не понимает в механике».

Р. Декарт (1596-1650 гг.): «Я принимаю, что во всей созданной материи есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает».

«Мне пришлось видеть много квадратур круга, вечных двигателей и разных других мнимых доказательств, которые оказались ложными».

Х. Гюйгенс (1629-1695 гг.): «И если бы изобретатели новых машин, напрасно пытающиеся построить вечный двигатель, пользовались этой моей гипотезой (о невозможности системы тел изменить положение своего центра тяжести без внешних сил. В.Б.), то они легко бы сами осознали свою ошибку и поняли бы, что такой двигатель нельзя построить механическими средствами».

И. Бернулли (1667-1748 гг.): «Ничтожная часть позитивной причины не может исчезнуть, не производя взамен такого действия, при помощи которого эта потеря может быть восстановлена. Таким образом, ничего из сил не исчезает, хотя бы по видимости такое исчезновение и имело место».

Г. Лейбниц (1646-1716 гг.): «Принцип равенства причины и следствия, т. е. принцип исключенного вечного двигателя — основа моего вычисления живой силы. Согласно этому принципу живая сила сохраняет свою неизменную тождественность.

В течение этих действий (поднятия груза на определенную высоту, сжатия пружины для сообщения определенной скорости) не происходит ни малейшей прибыли, ни малейшей убыли живой силы. Конечно, часть живой силы (этой частью никогда нельзя пренебрегать) поглощается неощутимыми частицами самого тела или других тел…

Мнение, которое я здесь защищаю, не основывается, конечно, на опытах по ударам тел, но на принципах, которые сообщают смысл самым опытам. Эти принципы позволяют высказывать суждения о случаях, еще не проверенных экспериментом. Единственный источник этих принципов есть равенство причины и следствия»[18].

М.В. Ломоносов (1711-1765 гг.): «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оной от себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает»[19].

Две последние цитаты показывают, что у Лейбница и особенно у Ломоносова представления о законах сохранения приобретают наиболее обобщенный характер.

Важно еще отметить, что уже у Лейбница принцип сохранения выходит за пределы простого механического движения тел; он говорит и о «поглощении силы неощутимыми частицами тела», т. е. о тепловой форме движения. У Ломоносова эта мысль была развита еще дальше («Рассуждение о природе тепла и холода» — 1744 г.).

Ломоносов был противником господствовавшей в то время теории теплорода — некоей «невесомой материи», добавление которой в тело сообщало ему тепло. Он придерживался мнения, что теплота есть результат движения «нечувствительных частиц» (т. е., говоря современным языком, молекул). Из этого непосредственно следовало, что формулировка о сохранении движения распространяется и на тепловое движение. Закон сохранения энергии не мог утвердиться, пока теория теплорода не была отвергнута; пока он существовал, невозможно было объяснить переход механической работы в тепло; идея этого перехода была ясна и Лейбницу, и Ломоносову.

Интересно, что ломоносовскую кинетическую теорию тепла отвергали именно по этой причине даже в первой половине XIX в.

В солидном немецком физическом словаре Геллера упоминалось о теории тепла Ломоносова, но она критиковалась не за ее действительные недостатки (Ломоносов учитывал только вращательное движение молекул), а за ее главное достоинство — за то, что она опровергала теорию «теплорода».

Работы Лейбница и Ломоносова завершают первый период развития учения о законе сохранения энергии — его идейную подготовку. В течение этого периода сформировалось в основе правильное представление о «сохранении силы» и переходе ее от одного тела к другому и из механической формы в тепловую. Нужно было сделать следующий, решающий шаг: найти количественные связи между формами движения, измерить их и распространить на все известные его формы. Но это требовало не только постановки соответствующих экспериментов и правильного осмысления их результатов, но и в первую очередь ниспровержения теории теплорода, ставшей тормозом дальнейшего движения науки. Решить эту задачу удалось только в XIX в.; первыми были С.Карно, Р.Майер и Д.Джоуль. Именно их работы определили окончательное установление закона сохранения энергии.

Важную роль сыграло уточнение и разграничение учеными-механиками двух основополагающих понятий — сила и работа. Термин «работа» впервые был введен французским ученым-механиком Ж. Понселе в 1826 г. («Курс механики в приложении к машинам»), чему предшествовало установление этого понятия (правда, под другими названиями — «сила», «действие», «момент действия», «механический эффект») как меры производительности машин. Им уже широко пользовались во второй половине XVIII в. Например, в курсе механики Котельникова (1774 г.) дано четкое определение величины «действия», впоследствии названного работой: «Действие махины или действующия посредством ея силы равно тягости, умноженной на пройденный ею путь». Еще более общее представление о работе (когда направление силы не совпадает с направлением движения) содержится в книге французского инженера, ученого и политического деятеля Великой французской революции Лазара Карно[20].

В сочинении «Опыт о машинах вообще» (т. е. в курсе прикладной, механики), вышедшем в 1783 г., он показал, что значение момента действия (т. е. работы) определяется произведением силы на путь и на косинус угла между ними.

После того как термин «работа» окончательно установился (в XIX в.), исчезла и двойственность понятия «сила». Теперь под силой понималось только воздействие, вызывающее движение тела в определенном направлении.

Так или иначе, в механике «закон сохранения силы» (а затем работы) не подвергался сомнению среди серьезных ученых. Уже во второй половине XVIII в. Парижская Академия наук в 1775 г. приняла официальное постановление о том, что она «не будет рассматривать никакой машины, дающей вечное движение».

В литературе обычно это решение цитируется очень кратко. Между тем в части, относящейся к ppm[21], содержатся интересные мысли [2.7].

«…Создание вечного двигателя абсолютно невозможно: даже если трение и сопротивление среды не уменьшают длительности воздействия движущей силы, она не может произвести равного ей эффекта. Причина этого состоит в следующем: если мы хотим, чтобы эффект, производимый силой конечной величины, действовал бесконечное время, необходимо, чтобы произведенный эффект был бесконечно мал.

Предположим, что тело, которому сообщили движение, при отсутствии трения и сопротивления способно сохранить это движение постоянно; но при этом не идет речь о других телах. Это вечное движение возможно было бы только в этих условиях (которые, впрочем, не могут существовать в природе); оно было бы совершенно бесполезно по отношению к другим объектам, предлагаемым обычно творцами вечного движения…» Здесь (правда, применительно только к механическому движению) закон сохранения «силы» и вытекающая из него невозможность вечного двигателя первого рода выражены совершенно четко. И далее:

«…Такой способ исследования, несомненно, дорого обходится; он уже разрушил много семей. Часты случаи, когда механик, который мог бы занять достойное место, растрачивал на это свою славу, время и талант. Таковы принципы, на которых основано решение Академии: постановляя, что она больше не будет заниматься этими вопросами, Академия заявляет о своем мнении о их бесполезности для сведения тех, кто будет ими заниматься.[22] Часто говорят, что, занимаясь химерическими проблемами, люди открывали полезные истины. Такая точка зрения была бы обоснованна в те времена, когда метод поиска истины был неизвестен во всех областях. В настоящее время, когда он известен, наиболее верный способ поиска истины — искать ее».

Эта часть решения звучит и теперь вполне современно. Здесь указано не только на бесполезность занятий химерическими проектами и пагубность их для самих изобретателей. Обращено внимание на необходимость применять, говоря современным языком, правильную методологию научного поиска. Нынешним ученым изобретателям ppm неплохо было бы вдуматься в умные слова, сказанные французскими академиками более 200 лет назад.

При всей важности и дальновидности решения Парижской Академии в нем не упоминалось о других формах движения и особенно о тепловой; вопрос об их связи с механическим движением оставался открытым. Соответственно оставалась и «щель» для идеологии, разрешающей ppm. Блестящие прозрения Лейбница и Ломоносова имели общий, философский характер. Развитие техники (паровые машины и другие тепловые двигатели, например машина Стирлинга [1.28, 1.29]) требовало осмысления процессов превращения тепла в работу и работы в тепло, точного их количественного анализа.

Первым правильно поставил (и в основе решил) задачу определения теплового эквивалента работы французский военный инженер Николай Леонар Сади Карно (1796— 1832 гг.), сын Л. Карно. Он опубликовал в 1824 г. ставшую впоследствии знаменитой небольшую книжку «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» [1.13]. В ней С. Карно заложил основы не только теории тепловых машин, но и второго закона термодинамики. Мы еще вернемся к труду Карно в следующей главе, когда займемся ppm-2. Здесь же нас интересуют взгляды Карно на ppm-1 и его вклад в «закон сохранения силы», из которого вышел закон сохранения энергии — первый законтермодинамики.

О ppm С. Карно писал в своей книге:

«Если бы это было возможно, то стало бы бесполезно искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале; мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы бесконечно черпать». И далее: «…могут здесь спросить: если доказана невозможность ppm для чисто механических действий, то сохраняется ли это при употреблении тепла или электричества; но разве возможно для явлений тепла или электричества придумать какую иную причину, кроме какого-либо движения тел, и разве эти движения не должны подчиняться законам механики?».

Что касается «сохранения силы» при взаимных превращениях тепла и работы, то позиция С. Карно была четко сформулирована в его более поздних записях:

«Тепло — не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел возникает повсюду, где происходит уничтожение движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один вид движения, то другой, но никогда не исчезает. По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла».

Если заменить во всем тексте слова «движущая сила» на «энергия», а в последней фразе — на «работа», то формулировка Карно целиком может быть помещена в современный учебник физики. Карно не только сформулировал здесь закон сохранения энергии, но впервые дал числовой коэффициент для пересчета тепла в работу и наоборот. Это был качественный скачок, переход на новый уровень знаний, значение которого нельзя переоценить. Дальше мы увидим, с каким трудом эти истины входили в сознание людей.

Насколько правильно С. Карно подсчитал тепловой эквивалент работы? Анри Пуанкаре в 1892 г. писал: «Можно ли яснее и точнее высказать закон сохранения энергии? Заметим также, что значение эквивалента, вычисленного Карно в 2,7 ккал на единицу работы, за которую он принимает 1000 кГм, соответствует 370 кГм/ккал, что недалеко от истины (427 кГм/ккал)…».

Однако открытие Карно осталось неизвестным его современникам; он не успел его опубликовать. В 1832 г. С. Карно умер, заболев холерой. Только в 1878 г. его брат опубликовал записки, в которых содержался цитированный отрывок, вместе со вторым изданием книги «О движущей силе огня».

Это открытие Карно не оказало влияния на дальнейшее развитие учения о сохранении энергии; главные события, связанные с его установлением, произошли раньше — в 40-е и 50-е годы XIX в. Тем не менее приоритет С. Карно не подлежит сомнению.

Однако как основоположник закона сохранения энергии в историю вошел (с полным правом на это) другой человек, по существу «шедший вторым» — немецкий врач Роберт Майер (1814-1878 гг.). Он впервые опубликовал свой расчет механического эквивалента тепла в 1842 г. (полученная им цифра — 365 кГм/ккал — была немного менее точна, чем у Карно).

Р. Майер, как и многие другие первооткрыватели, принял на себя первые удары противников нового закона. Он понимал проблему энергетических превращений глубже и шире, чем его современники — физики, занятые той же задачей. Это было и хорошо, и плохо. Хорошо потому, что (хотя и не сразу) дало возможность закону сохранения энергии утвердиться в наиболее общей форме. Плохо потому, что работы Майера в значительной степени именно по этой причине долго «не доходили» до его современников и не были оценены по достоинству. Он прожил дольше Карно, но судьба его тоже была трагичной.

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.

Заслуги Джоуля были увековечены присвоением его имени единице энергии — джоуль (Дж).

После опубликования работ Джоуля к середине XIX в. закон сохранения энергии (как тогда писали — «силы» или «движения») победил окончательно; дальше речь шла уже о расширении сферы его приложений, уточнении, установлении однозначной терминологии и, наконец, ознакомлении с ним сначала научных работников и инженеров, а затем и всех образованных людей. Доведение этой работы до конца означало и конец ppm-1. Основополагающий вклад в эту работу сделали Г. Гельмгольц (1821-1894 гг.), У. Томсон-Кельвин (1824-1907 гг.), У.Ренкин (1820-1872 гг.) и Р. Клаузиус (1822-1888 гг.). Все попытки опровергнуть или ограничить закон сохранения энергии были обречены на неудачу. Однако для окончательного утверждения и распространения, превращения его в общепринятый фундаментальный закон было необходимо провести то самое установление точных понятий и терминов, о котором говорилось выше. Ведь даже слова «энергия» в первоначальной формулировке закона не было.

2.2. Утверждение закона сохранения энергии. Революция в понятиях и терминах

В предисловии к английскому изданию «Капитала» Ф. Энгельс писал: «В науке каждая новая точка зрения влечет за собой революцию в ее технических терминах» [1.4].

Естественно, что такое событие, как установление радикально новой точки зрения на энергетические превращения, не могло не вызвать и революцию в терминах. Но дело было настолько серьезным, что не могло ограничиться только терминами; упорядочению терминов должно было предшествовать упорядочение понятий. Об этом хорошо в свое время сказал А. Лавуазье, считавший, что каждая наука состоит из ряда фактов, представлений о них (т. е. понятий) и слов, их выражающих (т. е. терминов). Действительно, даже в работах Г. Гельмгольца, не говоря уже о Майере и Джоуле, отсутствовали такие привычные для нас термины, как «энергия» и «работа»; понятия «сила» и «теплота» использовались совсем не в том смысле, который соответствует их однозначной научной трактовке.

В начальной стадии формирования нового закона некоторая расплывчатость в понятиях и терминах вполне естественна; но по мере расширения сферы его применения любая нечеткость в них становится тормозящим фактором. Без ее устранения закон сохранения энергии не мог бы стать всеобщим достоянием и исправно «работать» во всех областях науки и техники.

Применительно к закону, установленному С. Карно, Р. Майером и Д. Джоулем, необходимо остановиться на двух основополагающих понятиях, связанных с терминами «энергия» и «теплота» (или «тепло»), а также несколько расширить представление о понятии, относящемся к термину «работа». Без этого дальнейший разбор вопроса о вечном двигателе достаточно полно провести нельзя.

Начнем с понятия «энергия». Впервые оно появилось еще у Аристотеля как обозначение некоего деятельного начала; но оно имело тогда чисто философское значение и никакие количественные оценки здесь не предполагались.

Ввел этот термин в физику и придал ему точный смысл английский механик Т. Юнг (1773-1829 гг.) в «Лекциях по естественной философии» (1807 г.). Это было сделано им применительно к «живой силе» (произведению массы тела на квадрат его скорости), т. е. только к механическому движению; но первый шаг к широкому использованию термина состоялся.

В дальнейшем, после работ основоположников закона сохранения, общий термин «энергия» стал постепенно вытеснять в литературе все другие как единственный для обозначения общей меры движения материи. Особенно большую роль тут сыграли уже упоминавшиеся У. Ренкин и У. Томсон-Кельвин.

Соответственно все законы сохранения движения, независимо от того, в какой форме они проявлялись — механической, тепловой, электромагнитной, химической или биологической, стали частными случаями общего фундаментального закона природы — закона сохранения энергии. После этого уточнились и приобрели однозначный смысл понятия «работа» и «теплота» («тепло»). Если термин «работа», как мы уже говорили, сравнительно быстро приобрел четкий смысл[25], то термин «теплота» долго сохранял остатки влияния теории «теплорода». Живучесть этого влияния (как и многих других старых представлений) оказалась просто необычайной. До сих пор сохранились такие термины, перешедшие из XVIII в., как «теплоемкость», «теплопередача», «тепловой резервуар», «тепловой аккумулятор»; совсем недавно еще употреблялся термин «теплосодержание», замененный на «энтальпию». Все они связаны с теплотой, как с чем-то содержащимся в теле, т. е. по существу с «теплородом». Замена теории теплорода на «механическую теорию тепла» не изменила вначале этой терминологии. Энергию хаотического движения молекул тела, связанную с его температурой, по инерции продолжали называть теплотой, хотя это нечто совсем иное — часть внутренней энергии тела.

Чтобы исключить ошибки при анализе энергетических преобразований, нужно совершенно четко представлять разницу между внутренней энергией, содержащейся в каком-либо теле, и энергией, подводимой к нему (или отводимой от него). Энергия второго вида существует только тогда, когда передается от одного тела к другому. Передача энергии может происходить в двух формах: теплоты и работы. Таким образом, общность теплоты и работы определяется тем, что они представляют собой количественную меру передаваемой энергии. Но между ними есть и существенная разница. Работа — это передача энергии в организованной форме, при которой каждая частица совершает движение (если не считать колебаний) по определенной траектории[26]. Если, например, происходит передача механической энергии посредством пары зубчатых колес, то каждая молекула как ведущей, так и ведомой шестерни совершает движение, связанное с этой системой, строго по окружностям. Если с помощью ворота поднимается груз, то все его частицы двигаются по прямым, и т. д.

Напротив, передача энергии в форме теплоты совершается хаотическим движением частиц. При контакте двух тел с разными температурами молекулы тела, имеющего более высокую температуру, «раскачивают» молекулы более холодного тела так, что средняя скорость первых уменьшается, а вторых увеличивается. В результате определенное количество энергии передается от первого тела ко второму.

Таким образом, и теплота, и работа — это энергия в передаче, в переходе. Если процесса перехода нет — нет ни теплоты, ни работы. Они существуют только в процессе передачи от одного тела к другому, но не могут «содержаться» в них. То, что теплота переходит от одного тела к другому, вовсе не означает, что она сначала содержалась в одном, а потом стала содержаться в другом теле. Просто внутренняя энергия тела, к которому была подведена теплота, выросла, а того, от которого теплота была отведена, соответственно снизилась. Превращение работы в теплоту означает, следовательно, что система, получившая энергию в форме работы от какого-либо тела, превращает его сначала во внутреннюю энергию, а затем отдает ее другому телу в форме теплоты. Так, затрачивая механическую работу на вращение мешалки, погруженной в жидкость, мы увеличиваем внутреннюю энергию этой жидкости: она нагревается, так как получает энергию в форме работы. Затем, давая жидкости охладиться до прежней температуры, мы можем отвести эту энергию в форме теплоты.

Примерно таким образом граф Румфорд в 1799 г. проводил свой знаменитый опыт, показывающий превращение работы в теплоту при сверлении пушек. Энергия, подводимая в форме механической работы вращения сверла, отводилась водой, которая при этом нагревалась от температуры Т₁ до температуры Т₂ (Т₂ > Т₁). Внутренняя энергия воды (обозначим ее U) возрастала при этом от U₁ до U₂. Затем вода остывала снова до температуры Т₁, отдавая энергию в форме теплоты Q окружающей среде. Если охладить воду до прежней температуры, то ее внутренняя энергия остается такой же, как и вначале; количества теплоты Q и работы L будут равны. Если же охладить воду до какой-либо промежуточной температуры Т₃, более высокой, чем Т₁, то количество отводимой теплоты будет меньше, так как часть подведенной энергии остается в виде прироста ΔU внутренней энергии воды.

Таким образом, закон сохранения энергии будет выражаться классической формулой, связывающей теплоту и работу:

L = Q + ΔU. (2.1)

Затраченная работа может как идти на увеличение внутренней энергии тела ΔU, так и отводиться в виде теплоты Q. Если ΔU = 0, то Q = L. Формула (2.1) и выражала закон сохранения энергии в его наиболее простой форме. Возникла и наука, которая специально рассматривала взаимные превращения теплоты и работы, — термодинамика.

Термодинамика в начале своего развития рассматривалась только как наука о взаимных превращениях теплоты и работы[28]. По мере дальнейшего развития, она постепенно охватывала и другие энергетические превращения, связанные с электрическими, магнитными, химическими, а также квантовыми явлениями. Соответственно расширялись и понятия работы L и внутренней энергии U. Таким образом, сфера действия первого закона термодинамики охватила по существу все области энергетических превращений и стала соответствовать по своему содержанию закону сохранения энергии.

Поэтому в дальнейшем мы будем использовать термин «первый закон термодинамики» как синоним термина «закон сохранения энергии». Так будет удобнее в дальнейшем при рассмотрении второго закона термодинамики и сопоставлении его с первым.

Изложим коротко некоторые формулировки и положения, связанные с первым законом термодинамики, которые понадобятся в дальнейшем при анализе новых ppm.

Существует целый ряд одинаково правильных формулировок первого закона термодинамики. Нам важно выбрать из них такую, которая в наибольшей степени была бы удобна для разоблачения ppm-1. С этой точки зрения, казалось бы, наиболее подходит самая близкая к нашей теме: «Вечный двигатель первого рода невозможен». Однако при всей четкости и категоричности такой формулировки она не говорит о том, как определить, что то или иное устройство именно и есть вечный двигатель. Ведь прежде, чем запретить, нужно знать что запретить!

Поэтому более удобна другая формулировка: «При любых превращениях в системе[29] входящий в нее поток энергии всегда равен выходящему». Об этом хорошо сказано в «Фейнмановских лекциях по физике»: «…можно взять какое-то число и спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним». Здесь «число» — это значение энергии. Дня того чтобы определить, существует такое равенство или нет[30], нужно составить энергетический баланс — подсчитать все потоки входящей энергии (обозначим их знаком ' — вход) и выходящей (обозначим их знаком ʺ — выход). Чтобы не ошибиться и не пропустить какой-нибудь из них, окружим наш двигатель воображаемой оболочкой — контрольной поверхностью (она показана на рис. 2.5, штриховой линией). Потоки энергии обозначены стрелками. На входе в общем случае это может быть поток теплоты Q' и поток энергии, которую вносит входящее вещество (например, пар, вода, топливо и т. д.). Энергия в потоке вещества обозначается буквой Н. На выходе нужно учесть выходящую теплоту Q, поток энергии, выносимый отработавшим веществом Нʺ, и, наконец, работу Lʺ. Первый закон утверждает, что входящая энергия W' т. е. сумма Q' + Нʺ, обязательно должна быть равна выходящей Wʺ, т. е. сумме Qʺ + Hʺ + Lʺ (если, конечно, внутри двигателя энергия не накапливается и не расходуется, ΔU = 0):

W' = Q' + H' = Qʺ + Нʺ + Lʺ = Wʺ. (2.2)

Поскольку по первому закону все виды энергии эквивалентны, легко подсчитать значения каждой из этих величин в одних и тех же единицах (калориях, джоулях или киловатт-часах).

Из уравнения (2.2) следует, что отводимая работа в точности равна сумме изменений энергии рабочего тела и теплоты:

Lʺ = (Q' — Qʺ) + (H' — Нʺ). (2.3)

Подсчитав их, мы найдем работу двигателя, равную Lʺ.

Из первого закона термодинамики следует, что получаемая работа не может быть ни меньше, ни больше Lʺ.

Первый случай (W' > Wʺ) нас здесь не интересует, хотя он — тоже нарушение закона сохранения (энергия исчезает), но второй (энергия берется «ниоткуда») как раз и соответствует ppm-1. Такое устройство существовать не может.

Мы взяли для анализа общий, сложный случай — с теплотой и потоком вещества (в дальнейшем он понадобится тоже). Однако все рассмотренные в гл. 1 двигатели проще — они не связаны ни с тем, ни с другим[31]. Дня них уравнения (2.2) или (2.3) будут выглядеть более просто, так как (Q = 0 и H = 0, а следовательно, и W' = 0. Тогда и

Wʺ = Lʺ = 0, (2.4)

и работа этих устройств должна быть равна нулю. Если же изобретатель утверждает, что L ≠ 0, то это будет только воображаемое, в реальности не могущее действовать устройство, противоречащее условию (2.4), т. е. ppm-1 (рис. 2.5, б).

Таким образом, первый закон термодинамики позволяет не вникать в детали устройства для того, чтобы определить — будет двигатель работать или нет. Нужно просто «заключить» его внутрь контрольной поверхности и подсчитать, сколько всего входит энергии (W) и сколько выходит (Wʺ), и если выходит больше, чем входит (Wʺ > W'), то дискуссия закончена. Налицо нарушение закона природы: получение энергии из ничего. Вечный двигатель первого рода невозможен.

Естественно, что все, о чем говорилось выше, относится к любой технической или биологической системе: выходящая за определенный отрезок времени энергия Wʺ должна быть равна входящей W'. В каждую из них, разумеется, нужно включить все потоки энергии, независимо от их вида. Кроме того, в общем случае нужно учесть и накопление (или расходование) внутренних запасов энергии ΔU:

Wʺ = W' — ΔU. (2.5)

Сказанное можно пояснить простым примером. Возьмем такую биологическую систему, как медведь. Осенью он поглощает с пищей (H’ = W') большее количество энергии, чем расходует (с теплотой Qʺ и работой Lʺ). Поэтому он накапливает с жировыми запасами энергию ΔU. Следовательно, осенью его энергетический баланс активный: W_ОС = Н'_ОС > Wʺ_ОС = Lʺ_ОС + Qʺ_ОС. Однако зимой, во время спячки в берлоге, он вообще не получает энергию извне (W' = 0); расход энергии включает работу Lʺ = 0 (на дыхание, изменение позы и сосание лапы — он очень мал) и теплоту Qʺ = 0 для поддержания микроклимата в берлоге. Весь этот расход энергии Wʺ = Lʺ + Qʺ компенсируется уменьшением ее запасов ΔU. Следовательно, энергетический баланс для этого периода будет иметь вид 0 = Wʺ + ΔU или Qʺ + Lʺ = — ΔU. Чтобы он соблюдался, величина ΔU должна быть отрицательной: запас внутренней энергии будет уменьшаться.

Первое начало термодинамики представляет собой мощное средство как научного познания природы, так и создания «второй природы» — техники. Дня уже существующих систем оно позволяет проверить правильность любых теорий или результатов экспериментов, связанных с энергетикой. Если баланс по теории или по измерениям не сходится, значит, где-то допущена ошибка. Дня вновь изобретенных систем проверка их энергетического баланса обязательна. Если W' ≠ ΔU + Wʺ, то система существовать не может. При W' > ΔU + Wʺ энергия в ней «уничтожается», а при W' < ΔU + Wʺ — «возникает» из ничего (ppm-1). Первый закон показывает, что все это абсолютно невозможно, или, как иногда говорят, запрещено.

Казалось бы, полное и безоговорочное утверждение закона сохранения энергии и его все более широкая популяризация должны были привести к сокращению потока вновь изобретаемых ppm-1. К тому же «его величество пар» снял на долгое время проблему универсального двигателя. Однако существенного влияния на большинство изобретателей ppm-1 все это до конца первой четверти XX в. не оказало. Штурм неразрешимой задачи продолжался.

2.3. Последние вечные двигатели первого рода

Приведем для начала некоторые статистические данные по ppm-1, относящиеся к интересующему нас периоду. Естественно, они носят отрывочный характер, но все же достаточно показательны.

По данным Британского патентного бюро за время с 1617 г. (год начала выдачи патентов) по 1903 г. было подано более 600 заявок на ppm-1. Но из них только 25 относятся ко времени до 1850 г.; все остальные были поданы позже[32]. Аналогичная картина наблюдалась и в других странах. Выходит, что как раз тогда, когда наука внесла в вопрос о ppm-1 полную ясность, произошла вспышка интереса к ppm-1.

Этот очередной парадокс с вечным двигателем объясняется просто. Мы уже видели, какое ожесточенное сопротивление идеи Майера и Джоуля встретили в научных кругах. Что же говорить об инженерах и других технических специалистах, и тем более о любителях, совсем далеких от науки?

Процесс распространения, внедрения и освоения новых представлений об энергии был довольно длительным. Ведь даже точные понятия об энергии, теплоте, работе и связанных с ними величинах окончательно установились только к середине XX в.[33] Даже к этому времени волна изобретений ppm-1 еще не сошла на нет (и вместе с тем поднялась новая — пошли изобретения ppm-2; об этом — дальше).

Вернемся, однако, к изобретателям ppm второй половины XIX и начала XX в.[34] Среди них были и честные энтузиасты, и проходимцы, не уступавшие самому Орфиреусу. Если говорить о тех, кто вполне искренне верил в возможность ppm-1 и работал над ним, то большинство их творений удивительно напоминает то, что уже было изобретено раньше. Но есть и плоды новых веяний, связанных, главным образом, с электричеством.

Во всех случаях изобретатели, как и их средневековые предшественники, непоколебимо верили в успех своих разработок. Об этом свидетельствует хотя бы то, что на многих из них были предусмотрены тормоза, чтобы двигатель не разнесло при слишком больших оборотах.

Подробно описывать большую часть изобретений ppm-1, повторяющих уже известные идеи, нет смысла. Приведем для примера только четыре их образца.

Третий пример (рис. 2.8) относится к концу XIX в.; этот двигатель тоже повторяет старую «капиллярно-фитильную» идею. Жидкость под действием сил поверхностного натяжения поднимется по фитилю, но эти же силы не дадут ей стекать в верхний резервуар.

Наконец, на рис. 2.9 показан гидравлический (поплавковый) двигатель, который был предложен американцем Г. Готцем. Двухколенная трубка круглого сечения заполнена двумя несмешивающимися жидкостями разной плотности (например, ртутью и водой). Трубы заполнены шарами, плотность которых такова, что они всплывают даже в более легкой жидкости. По мысли автора шары в правом колене будут постоянно (под действием веса тех трех шаров, которые находятся над жидкостью) проталкиваться в левое колено трубы и там всплывать. Очередной всплывший в левом колене шар должен сваливаться на колесо, приводя его в движение своим весом, и возвращаться в правое колено.

Из этой идеи опять, естественно, ничего не получится, так как тяжелая жидкость, несмотря на то, что ее уровень ниже, выталкивает шары с той же архимедовой силой, с которой это делает легкая жидкость. В обоих коленах уровни жидкости автоматически (как будто они знают закон сохранения энергии) установятся так, чтобы эти силы сравнялись и устройство не работало.

Разбор разных вариантов механических и гидравлических ppm-1, предложенных после установления закона сохранения энергии, можно продолжить. Анализ таких изобретений — хорошая тренировка в умении находить и применять соответствующие физические законы. Читателям, интересующимся другими вариантами этих устройств, можно обратиться к соответствующей литературе [2.1-2.6].

Мы перейдем к другим ppm-1, больше соответствующим духу времени по использованным в них силам. На первый взгляд они вносят новую, живую струю в идейную основу ppm-1.

Действительно, электрические и электрохимические явления, которые в них используются вместо шаров, колес, поплавков и фитилей, создают впечатление некоторой новизны. Но, увы, и здесь в основе все остается на том же уровне. Рассмотрим два таких новых проекта (другие в том или ином виде представляют их модификации). Имен многочисленных авторов этих изобретений можно не упоминать: борьба за приоритет здесь не имеет практического смысла.

На рис. 2.10 показан в двух вариантах электромеханический ppm-1. Идея его до гениальности проста. На одном общем валу установлены двигатель постоянного тока и электрогенератор (тоже постоянного тока), соединенные проводами с аккумулятором и потребителем вырабатываемой электроэнергии.

Для пуска системы в ход нужно предварительно зарядить аккумулятор. Дальше следует запустить от него электродвигатель. Двигатель будет крутить генератор, который вырабатывает не только нужную потребителю энергию, но и ту, которая необходима электромотору. Аккумулятор будет играть роль буферной энергетической системы. Если потребитель будет брать больше, чем вырабатывает генератор (за вычетом энергии, нужной для электромотора), то он будет отдавать энергию. Напротив, если потребитель будет брать меньше, то энергия накопится в аккумуляторе.

Совершенно очевидно, что генератор, даже в идеальном случае, выработает ровно столько энергии, сколько возьмет электромотор; в реальных условиях его мощности не хватит даже и на это. Запущенная система, израсходовав энергию, запасенную аккумулятором из внешнего источника, неизбежно остановится. Она не сможет даже обеспечить сама себя, не говоря уже об отдаче энергии потребителю. Второй вариант отличается только тем, что вместо электрического аккумулятора энергии использован механический — тяжелый маховик. Его нужно предварительно раскрутить, чтобы двигатель заработал. Конечный результат, естественно, будет тем же: израсходовав энергию маховика на трение и электрические потери, двигатель остановится. Если составить энергетический баланс такой машины, он будет иметь очень простой вид: 0 = Wʺ. Полезная энергия Wʺ отводится, но внутрь через контрольную поверхность ничего не поступает: W’ = 0. Первый закон термодинамики не соблюдается. Если учесть трение и электрические потери, отводимые в виде теплоты Qʺ, то уравнение примет вид 0 = Qʺ + Wʺ. Чтобы это равенство соблюдалось, Wʺ должно быть отрицательным. Другими словами, чтобы этот «двигатель» работал, его нужно крутить извне!

В электрохимическом ppm, показанном на рис. 2.11, использована та же идея — «сам себя обеспечиваю, а избыток отдаю», что и в электромеханическом ppm.

При начале работы система запускается от аккумулятора. Вода разлагается электрическим током на водород и кислород, которые подаются в газовую турбину. Здесь они реагируют (водород сгорает в кислороде), и горячие газы крутят турбину. Турбина приводит в действие электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, идущую по трем адресам: к внешнему потребителю, на разложение воды и, наконец, на подзарядку аккумулятора, нужного как для запуска, так и в качестве буферной электрической емкости. Отработавший в турбине пар конденсируется в воду, которая возвращается в электролизер; цикл замыкается.

Здесь все хорошо и правильно, кроме одной, но решающей детали: в самом идеальном случае генератор сможет выработать лишь столько энергии, сколько потребляет электролизер, и ни на джоуль больше. В реальных условиях этой энергии не хватит, чтобы разложить всю воду. Поэтому запущенная установка, израсходовав энергию аккумулятора на получение при старте порций Q₂ и H₂, неизбежно остановится. Свести энергетический баланс здесь будет так же невозможно, как и в электромеханическом ppm.

Подводя итоги рассмотрению самых разных моделей ppm-1, можно сделать вывод, что все они в конечном счете основаны на принципе «произвожу нечто из ничего». Это «нечто» — работа, которую пытались получить изобретатели ppm-1, неизбежно оборачивалась ничем. Двигателю обязательно нужна была энергетическая «подпитка».

Изобретатели типа Орфиреуса в конце концов поняли это и прибегли к постороннему источнику энергии, чтобы их ppm-1 делали работу. У Орфиреуса использовался «биологический привод» (служанка или брат); его последователи не ограничились этим. Некоторые из них пошли дальше.

Вспомним здесь двух из них.

Американец Чарльз Рэдгофер, начал свою карьеру в Филадельфии, где показывал вечный двигатель, приводивший в движение точильный камень. За вход он брал с мужчин солидную плату — 5 долларов, зато женщин пускал бесплатно. Когда городской совет Филадельфии заинтересовался его деятельностью, он счел за благо перебраться в Нью-Йорк, где продолжил с 1813 г. демонстрацию своего двигателя.

Идея машины была не нова — те же грузы и то же колесо, в котором они перекатывались. Это был «обычный» гравитационный ppm-1 с наклонными перегородками и шарами. Рэдгофер исправно собирал доллары с доверчивой публики. Все шло хорошо, поскольку было трудно рассчитывать в то время на появление среди зрителей в таком городе, как Нью-Йорк, человека, достаточно научно подготовленного для того, чтобы разоблачить изобретателя.

Но Рэдгоферу фатально не повезло. Надо же было так случиться, что его аттракцион посетил не кто иной, как Роберт Фултон, изобретатель и конструктор первого действующего парохода. Примечательно, что он не хотел идти смотреть машину Рэдгофера, и друзья затащили его туда почти силой.

Известно, что Фултон был не только одним из самых образованных и квалифицированных инженеров своего времени, но и очень решительным человеком. По неравномерности движения колеса он сразу понял, в чем дело. Не долго думая, он публично объявил Рэдгофера мошенником и сразу же приступил к делу — стал разбирать кожух сбоку колеса, чтобы найти, почему оно крутится. Изобретатель пытался протестовать, но Фултон сразу заявил, что заплатит за нанесенный ущерб. Тем самым он не только вызвал интерес и поддержку публики, но и подвел под свои действия некоторую, по американским понятиям вполне достаточную, юридическую базу. Рэдгофер уже не мог его остановить. Был найден скрытый ременный привод, проходивший сквозь стену и потолок на чердак. Когда толпа ворвалась в комнатку, находившуюся на чердаке, то увидела пожилого мужчину с длинной бородой, который жевал хлеб и вращал рукоятку. Вся «цепочка энергетических превращений», таким образом, была раскрыта, и бедный изобретатель тут же на месте был наказан зрителями.

Рэдгофер все же выглядит примитивным жуликом по сравнению с другим американцем — Джоном Кили, работавшим над ppm-1 позже — уже во второй половине XIX в. Здесь не только уровень техники намного выше, но и размах финансовой деятельности не идет ни в какое сравнение с жалкой лавочкой Рэдгофера. Кили поставил дело с истинно американской предприимчивостью[35].

Джон Кили (1837-1898 гг.) происходил тоже из Филадельфии. Он был плотником и до тридцатипятилетнего возраста никак не проявлял себя в области наук. Более того, данных о том, что он получил какое-либо образование, нет. Однако через год многим читателям газет стало известно, что он открыл некую «эфирную силу», которую можно получить «расщеплением» обыкновенной воды. Надо только организовать производство соответствующих двигателей и тогда, используя небольшое количество воды, можно будет получать огромные количества энергии. На выставке, специально устроенной для этой цели в его родном городе Филадельфии, Кили демонстрировал свой вечный двигатель, работающий на этой «эфирной силе». Он быстро нашел среди крупных промышленных воротил людей, желающих вложить часть своих капиталов в разработку этой энергетической жилы, сулящей огромные прибыли. Была создана «Компания по производству моторов Кили» с капиталом в 5 млн. долларов. Доверие акционеров поддерживалось не только учеными речами, на которые Кили был большой мастер, рекламой в печати, но и новыми научно-техническими достижениями. Главным из них было создание агрегата под названием «Либерейтор» (освободитель), который расщеплял воду, «освобождая энергию». Кили утверждал, что его мотор, заправленный одной квартой (1,1 л) воды, мог провести пассажирский поезд поперек всего американского континента — от Филадельфии до Сан-Франциско, а если израсходовать больше — один галлон (3,79 л), то можно пройти от Нью-Йорка до того же Сан-Франциско на морском судне. Можно представить себе, какие прибыли сулила такая техника!

Так прошло пять лет (1875-1880 гг.), в течение которых фирма Кили процветала и ее акции охотно раскупались, несмотря на то, что ни одного мотора выпущено не было. В немалой степени этому способствовало и то, что нашлись ученые (правда, не физики и не энергетики), которые активно его поддерживали[36].

Однако в конце концов противоречие между грандиозными обещаниями Кили и скромными результатами его деятельности привело к тому, что главные акционеры «Компании по производству моторов Кили» перестали его финансировать. В газетах стали появляться скептические статьи настоящих специалистов-физиков (доктора Крессона, Бархера и других), которые прямо обвиняли Кили в шарлатанстве. «Корабль» Кили явно вскоре должен был пойти на дно.

Однако случилось нечто совершенно неожиданное: Кили вдруг получил мощную финансовую и моральную поддержку, которая не только помогла ему «остаться на плаву», но и обрести новые силы. Французы в таких загадочных случаях говорят cherchez la femme — «ищите женщину». Такой женщиной оказалась миссис Мур, богатая вдова филадельфийского бумажного фабриканта. Она прочла в одном номере газеты две статьи. В первой рассказывалось о бедственном положении Кили, который, дойдя до полной нищеты, упорно работает над своим изобретением. В другой была описана история некоего изобретателя, не понятого современниками и погибшего в одиночестве; лишь после смерти его труд был оценен.

Совместное действие этих публикаций было настолько сильным, что вдова отыскала Кили, познакомилась с ним и… наступил новый период его творчества. Это было в 1882 г. Нужды в деньгах опять не было: состояние вдовы превышало 5 млн. долларов (та же цифра, что и активы «Компании по производству моторов Кили»).

Вдохновленный вдовой, Кили сделал новое открытие — «вибрационную силу в жидкости, находящейся между атомами безграничного эфира». Кроме того, он выиграл (правда, с большим трудом) процесс против акционеров «Компании по производству моторов Кили», требовавших компенсации.

Безгранично веря в талант, открытия и изобретения Кили, миссис Мур решила привлечь для поддержки его дела известных ученых и инженеров. Эта идея не вызывала особого восторга у Кили, но отказать полностью своей покровительнице он не мог.

Как всегда в подобных случаях, эксперты разделились на три группы. Большинство приглашенных, в том числе и такие знаменитости, как Т. Эдисон и Н. Тесла, отказались от участия в экспертизе, не желая тратить время на эти не внушавшие доверия дела. Несколько ученых мужей дали положительные отзывы о трудах Кили. Особенно отличился английский физик У. Леселессскотт. Он имел возможность осмотреть все оборудование и даже ознакомиться с инструкцией по его обслуживанию. Профессор тщательно изучил предмет, после чего публично заявил: «Кили с неоспоримой убедительностью продемонстрировал наличие силы, дотоле неизвестной». Тем самым он продолжил славную традицию, начало которой положили высокоученые эксперты вроде Гравезанда и других, поддержавших в свое время Орфиреуса.

Наконец, среди приглашенных для экспертизы специалистов нашлись и такие, которые соединяли в себе достаточно высокую научно-инженерную квалификацию и некий спортивно-детективный дух. Они проявили интерес к раскрытию чудес, демонстрировавшихся Кили, и решили докопаться до истины. Это были инженер-электрик А. Скотт и президент Спрингсгарденского университета А. Берк.

Они выяснили, на чем были основаны удивительные эффекты, которые показывал Кили. В частности, он демонстрировал металлические шары и диски, которые, находясь в воде, по команде (и даже под музыку!) всплывали на поверхность, зависали под ней или тонули под действием таинственных сил. Скотт и Берк догадались, что все эти объекты представляли собой полые сосуды, которые меняли объем при изменении давления воздуха, подаваемого в них по тонким полым трубкам. Скотт даже незаметно обломил одну из них и убедился в правильности вывода, к которому он пришел вместе с Берком. Результаты были доложены миссис Мур. В 1896 г. она прекратила поддержку Кили. Все же она была доброй женщиной и оставила изобретателю пожизненную ежемесячную «стипендию» в размере 250 долларов.

Когда Кили в 1898 г. умер, его дом был осмотрен; в подвале была обнаружена целая компрессорная станция, схема которой была опубликована в «Нью-Йорк джорнэл».

Таким образом, Кили занимался надувательством не только в переносном, но и в самом прямом смысле. Созданные им пневматические устройства (в том числе ружье) свидетельствуют о несомненном инженерном таланте и техническом мастерстве. Невольно возникает мысль, что, несмотря на отсутствие образования, он был намного способнее и умнее обманутого им ученого профессора Леселессаскотта.

Кили прекрасно понимал, что, пройдя по пути финансовых афер, он не мог претендовать на место в истории техники. Уже будучи стариком, он сказал одному из своих друзей, что на своей могиле хотел бы иметь эпитафию: «Кили, величайший мошенник XIX в.».

Идея создать двигатель, работающий на основе извлечения энергии из воды или воздуха, несмотря на неудачу Кили, продолжает жить. Действительно, что может быть лучше, благо «топлива» для таких машин — воды вполне достаточно. Однако в условиях нашего времени извлечение энергии из воды с помощью примитивной «эфирной силы» уже не годится: в ход пошли современные, «ученые» подходы. Такие слова или их сочетания, как «кванты», «электронные оболочки», «водородные связи» и т.д. звучат более убедительно. Некоторые журналисты легко «клюют» на рекламу и слухи о таких изобретениях, излагая, как достоверный материал, фантастические истории о сенсационных изобретениях.

Вот два характерных примера.

В газете «Труд» от 20.06.1993 в статье ее корреспондента В. Фролова описываются творческие подвиги жителя города Омска Александра Никитича Тетерина. Корреспондент возмущается косностью экспертизы, которая отвергла в 1967 г. заявку изобретателя на двигатель, работающий на воде, а затем и другую заявку — тоже на двигатель, но работающий на атмосферном воздухе. Далее упоминается некий испанец — Артур Эскевелес Валеро, который три года спустя «ездил на автомобиле, двигатель которого работал на воде». «А через два года тот же испанец ездил по дорогам на автомобиле с воздушным двигателем»[37].

Дальше в заметке приводятся научные откровения изобретателя из Омска.

«Он в результате опытов установил, что взрывчатым веществом является плазма внутренней электронной оболочки атома кислорода». Статья заканчивается сравнительно осторожным прогнозом: «Не исключено, что такие двигатели совершат настоящую революцию в технике. Только представьте себе: мы совершенно не зависим от роста цен на энергоносители». Но дальше автор все же предупреждает возможных скептиков — им может не поздоровиться. «Между прочим, во время одного из запусков неверящий чудак пытался остановить вал машины. Ему оторвало два пальца, после чего он поверил. Если кто не верит, тоже можно попробовать». Как тут не вспомнить «газированный автомобиль» из детской книжки «Приключения незнайки» Н. Носова! Единственное отличие в том, что у Тетерина вода негазированная.

Второй пример связан с изобретением, реклама и история которого не идет ни в какое сравнение даже с «водяным автомобилем» Тетерина. Здесь размах деятельности и рекламы намного больше и вполне сопоставим с тем, который более 100 лет назад показал Кили. Мнение, что такие истории могли происходить только в давние времена, более, чем 100 лет назад, оказывается наивным. Наш «просвещенный век» может порождать сенсации ничуть не хуже, и тоже основанные на воде!

Речь идет о не так давно широко разрекламированном изобретении Юрия Потапова. Газета «Деловой мир» (от 6.12.1994) отрекомендовала его, как доктора технических наук, профессора и заслуженного изобретателя Молдавии.

Идейные основы своего изобретения автор излагает в интервью так: «Вода таит в себе огромные резервы энергии. И не я это первым открыл. Еще в 20-е годы академик Коанца — румынский ученый, работавший в США — доказал, что обыкновенная вода практически неисчерпаемый источник энергии… Сейчас многие в мире бьются над задачей высвобождения скрытой в этой жидкости энергии. Создали и американцы теплогенератор, работающий на воде, правда, их результаты гораздо скромнее: КПД составил 117%. Но со временем и они добьются гораздо большего… За счет каких же процессов выделяет энергию мой генератор? Прежде всего за счет высокой скорости движения воды и трения. Тепло выделяется также в ходе изменения формы молекулы воды и каким-то образом нарушенным водородным связям в жидкости. Далее, теплогенератор устроен так, что во время его работы идет послойная кавитация жидкости. Кавитационные пузырьки выделяют большое количество тепла», (далее идет описание известного явления кавитации. В.Б.) «Но мы заставили этот процесс, известный в технике как вредный, вырабатывать тепло. И, наконец, в нашем теплогенераторе используется гидродинамический эффект. Разогнав жидкость до большой скорости, мы ее резко тормозим, что также приводит к выделению значительного количества тепла… Я назвал четыре эффекта, есть и другие».

В рекламных материалах 1996 г. (их автор — корреспондент «БСТ» А.В. Владимиров) дается, в дополнение к приведенной выше, еще более «ученая» информация. Вот несколько выдержек из нее.

«…Создан уникальный квантовый гидравлический объемный двигатель, обладающий огромной удельной мощностью и высоким крутящим моментом. И, что важно, он не содержит движущихся, трущихся частей типа поршня, цилиндра, распредвала и др. Он в 10 раз эффективнее, чем двигатель внутреннего сгорания и не нуждается в ремонте. Квантовый двигатель работает не на принципе сжигания топлива, а потому он экологически чист».

«…Заметим: коэффициент эффективности преобразования энергии «потаповских устройств» по сравнению с традиционными превышает 1200%[38]».

В завершение следует удивительный пассаж: «И вот сегодня выход из планетарного тупика видится в использовании холодного ядерного синтеза, а в дальнейшем — в прямом превращении материи в энергию как экологически чистого и безопасного метода получения тепловой и электрической энергии, что в 1000 раз эффективнее ядерного реактора»[39]. Вот так!

Совершенно естественно, что этакий глобальный переворот должен сказаться не только в энергетике; он неизбежно приведет к радикальным изменениям в судьбах человечества. Представители ученого мира в такой ситуации не могли остаться в стороне.

Корреспондент «БСТ» Владимиров цитирует мнение профессора, доктора технических наук, зав. кафедрой МАДИ Л.Г. Сапогина. «Теплогенератор Потапова» (которого он характеризует как «создателя унитарной квантовой теории, обуславливающей энергетику будущего тысячелетия») — это прорыв в науке и технике. Его изделие по всем показателям и простоте технических решений не имеет аналогов.

Очевидно — явление высокоэффективного превращения вещества в энергию. При этом соблюдается закон сокращения (возможно опечатка — «закон сохранения» — В.Б). А высокий эффект разумно объясняет квантовая теория. Это по сути квантовый генератор».

Другой доктор наук, профессор В.Никитский (научно-исследовательский центр «Энергия») заявил: Мы… считаем, что сейчас нет никаких преград для установки на космических кораблях и станциях теплогенераторов топлива… Думаю, что применение теплогенераторов и установок Потапова в космосе — решение энергетической проблемы».

Весь этот сценарий удивительно схож с историей изобретений Кили, описанной выше (за исключением, правда, ее романтической части, связанной с участием вдовы миллионера). В остальном сходство удивительное, включая уровень профессорской «научной экспертизы» в традициях сторонника Кили — профессора У. Лесслесскотта. Как тут не вспомнить «эфирную силу» Кили для расщепления воды! Правда, в духе времени она заменена на действие «квантового генератора», а «внедрение» предполагается уже не на морских судах, а в космосе. Меняются лишь словесная оболочка и имена, а неприглядное существо — безграмотность, остается…

2.4. Вечный двигатель в художественной литературе

Истории взлетов и падений Бесслера-Орфиреуса, Д. Кили и их продолжателей наглядно показывают, какой интересный материал для искусства, в частности для художественной литературы, представляют как люди, изобретающие ppm, содействующие или препятствующие им, так и происходящие вокруг них события.

К сожалению, этот сюжет не нашел достаточно широкого отражения в художественной литературе, хотя упоминания о ppm встречаются довольно часто.

Можно назвать лишь немного произведений, специально посвященных этой теме. В зарубежной литературе это небольшая фантастическая повесть немецкого писателя Пауля Шеербарта (1863-1915 гг.) «Перпетуум мобиле. История одного изобретения» [4.1], вышедшая в 1910 г.

В русской литературе прежде всего нужно назвать один из сюжетов в повести М.Е. Салтыкова-Щедрина «Современная идиллия» [4.2], затем повесть писателя Е.М. Петропавловского «Perpetuum mobile» [4.3] и, наконец, рассказ В.Шукшина «Упорный» [4.4].

Каждое из перечисленных произведений интересно по-своему и дает многое для понимания личности создателя ppm, чего нет (и не может быть) в научной литературе.

Время действия в первых трех из перечисленных повестей и рассказов относится ко второй половине XIX и началу XX в.; действующие лица рассказа В. Шукшина — наши современники.

Герой романа Шеербарта — изобретатель, мечтающий создать механический ppm на основе использования гравитационных сил: «построить зубчатое колесо, движимое грузами». Идейная основа изобретения такова: «Притяжение Земли вечно, и эту вечную работу притяжения можно посредством колес превратить в вечное движение».

С законом сохранения энергии герой рассказа справляется очень просто: «Какое мне дело до Роберта Майера?… Физики мне всегда были ненавистны».

Автор дает своему герою возможность решить задачу и построить вечный двигатель, который действительно работает[40].

Переживания героя романа связаны не столько с научно-техническими, сколько с социальными проблемами. Изобретатель думает о том, как преобразится мир, располагающий неограниченными энергетическими возможностями. Тут и превращение Сахары в плодоносную область, срытие ненужных гор, гигантские строительные работы…

Несмотря на такие радужные перспективы, дело кончается ничем. Последствия использования изобретения ppm оказались столь грандиозными, что автор (а вслед за ним, естественно, и его герой) просто испугался. Потрясения, которые может вызвать обилие энергии, остановили изобретателя, и созданная им машина не была использована; она была уничтожена, и все осталось в прежнем виде.

У Салтыкова-Щедрина, так же как и у Петропавловского, в отличие от Шеербарта, в повестях об изобретателях ppm нет ничего фантастического. Более того, прототипы их героев — реально существовавшие люди. В «Современной идиллии» выведен под именем «мещанина Пре-зентова» крестьянин-сибиряк Александр Щеглов, изобретатель-самоучка. У Петропавловского под именем изобретателя Пыхтина изображен крестьянин-пермяк Лаврентий Голдырев, лично ему знакомый.

Оба двигателя описаны в рассказах очень ярко и достаточно подробно[41]. Очень живописно представлены и сами изобретатели. Здесь, не приводя длинных цитат, отметим только некоторые, интересные для истории ppm моменты.

Двигатель Щеглова представлял собой колесо «…со спицами. Обод его, довольно объемистый, сколочен был из тесин, внутри которых была пустота. В этой пустоте и помещался механизм, составлявший секрет изобретателя. Секрет, конечно, не особенно мудрый, вроде мешков с песком, которым предоставлялось взаимно друг друга уравновешивать…».

У Голдырева (Пыхтина) машина выглядела так: «Виднелись плохо отесанные деревянные столбы, перекладины и целая система колес, маховых и зубчатых… В самом низу, под машиной, лежали какие-то чугунные шары; целая куча этих шаров лежала и в стороне…».

Нетрудно видеть, что в обоих случаях у изобретателей возникли по существу те же идеи, что и у западноевропейских и американских изобретателей механических ppm-1. Поразительное сходство мыслей можно обнаружить (несмотря на разницу в форме их выражения) и в анализе причин, по которым машины, после того как их раскрутили, неизбежно останавливались. Всегда объяснение сводится к какому-нибудь частному недостатку конструкции, сборки или качеству материала.

Презентов, например, на вопрос одного из посетителей: «Трения, может быть, в расчет не приняли?» — ответил: «И трение в расчете было… Что трение? Не от трения это, а так… Иной раз словно порадует, а потом вдруг… закапризничает, заупрямится и шабаш. Кабы колесо из настоящего материалу было сделано, а то так, обрезки какие-то».

Интересно отметить еще одну черту сходства: оба изобретателя придают важное значение первому толчку, раскрутке машины. Когда двигатель очередной раз остановился, Презентов сказал: «Надо импет дать», — и снова толкнул машину. Невольно вспоминается теория «импетуса» Буридана, высказанная в XIV в.

Оба героя этих рассказов — несомненно талантливые люди, которые, если бы могли получить образование, принесли бы большую пользу. Но в условиях царской России это было почти невозможно.

Петропавловский (С. Карелин) писал об этом в очерке «Урал, представленный на Екатеринбургской выставке» («Русская мысль», 1887 г.): «Вы здесь не найдете ни одного грамотного ярлыка на кустарном экспонате, а если вздумаете поговорить с самим кустарем, то поразитесь его темнотою…

…Это в особенности надо сказать о тех случаях, когда кустарь начинает фантазировать, изобретая что-то новое. Тут он ходит в совершенных потемках; для него в этом случае ничто не составляет ломать голову над perpetuum mobile… разве он знает, что это нелепо? Он верит, что вечную машину можно придумать, если иметь хорошую «башку»…

…Тяжело смотреть, что в стране такой напряженной заводской и ремесленной деятельности нет ни одного ремесленного училища, ни одной технической школы, доступной для всех…».

Теперь перенесемся на 100 лет вперед, в наше время, когда учиться могут все. Несмотря на это и в наше время люди изобретают ppm-1.

О таком изобретателе и писал В. Шукшин. Но в отличие от мрачных и тяжелых событий прошлого века история, описанная им, носит не трагический, а скорее комический характер.

Герой Шукшина «упорный» изобретатель — совхозный шофер Дмитрий Квасов по прозвищу «Моня», прочитавший «…в какой-то книжке, что вечный двигатель — невозможен. По тем-то и тем-то причинам…».

«Прочитал, что многие и многие пытались все же изобрести такой двигатель… Посмотрел внимательно рисунки тех «вечных двигателей», какие — в разные времена — предлагались… И задумался…». Интересно описаны манера чтения и ход мыслей Мони Квасова: «Что трение там, законы механики — он все это пропустил, а сразу с головой ушел в изобретение такого вечного двигателя, которого еще не было. Он почему-то не поверил, что такой двигатель невозможен. Как-то так бывало с ним, что… от всяких трезвых мыслей он с пренебрежением отмахивался и думал свое: «Да ладно, будут тут мне…» И теперь он тоже подумал: «Да ну!… Что значит — невозможно?».

Дальше Шукшин показывает состояние, известное по собственному опыту каждому творческому человеку: «Моня перестал видеть и понимать все вокруг, весь отдался великой изобретательской задаче. Что бы он ни делал — ехал на машине, ужинал, смотрел телевизор — все мысли о двигателе. Он набросал уже около десятка вариантов двигателя, но сам же браковал их один за другим. Мысль работала судорожно. Моня вскакивал ночами, чертил какое-нибудь очередное колесо… В своих догадках он все время топтался вокруг колеса, сразу с колеса начал и продолжал искать новые и новые способы — как заставить колесо постоянно вертеться. И, наконец, способ был найден. Вот он: берется колесо,…»

Шукшин дает подробное описание двигателя Мони Квасова. Сделано это блестяще «сквозь» характер самого изобретателя, очень серьезно, с подробностями (есть все: «груз, желоб под углом в 45 градусов», «жестко приваренный железный стерженек» и т. д.), но понять из него ничего нельзя. Кончается описание словами «Таким образом колесо само себя будет крутить».

Замечательно показано состояние изобретателя, успешно, наконец, решившего задачу.

«Моня придумал это ночью… Вскочил, начертил колесо, желоб, стерженек, грузик… И даже не испытал особой радости, только удивился: чего же они столько времени головы-то ломали!» И утром: «…Подсел к столу, посмотрел свой чертежик. Странно, что он не волновался и не радовался. Покой все пребывал в душе…».

Днем Моня пошел показать свой проект (сказать свое «фэ», как он выразился) молодому инженеру РТС Андрею Голубеву. Очень интересную беседу между ними здесь, к сожалению, привести нельзя — она займет много места. Обратим только внимание на то, как изобретатель реагировал на насмешливый скепсис («ехидство») инженера. «Моня обеспокоился. Не то, что он усомнился вдруг в своем двигателе, а то обеспокоило, до каких же оказывается, глубин вошло в сознание людей, что вечный двигатель невозможен. Этак — и выдумаешь его, а они будут твердить: невозможен.»

После того как инженер оценил его работу словом «бредятина» и отказался даже смотреть чертеж, а учитель физики доказал, что в устройстве будет «абсолютное равенство» сил, Моня «…сгреб чертежи и пошел вон Он ушел в сарай и начал делать вечный двигатель.» И он его сделал. Несмотря на все попытки, произошло неизбежное — колесо, немного повертевшись, останавливалось. Моня потерпел поражение.

Очень интересен конец рассказа — как Моня все же взял реванш и посрамил и инженера, и всю его науку.

На следующее утро Моня пришел к дому инженера.

— «Доброе утро! — сказал Моня, остановившись у изгороди. И смотрел на инженера мирно и весело.

— Здорово! — откликнулся инженер.

— А ведь крутится! — сказал Моня. — Колесо-то…

— Двигатель, что ли?

— Двигатель. Колесо-то крутится… Всю ночь крутилось… И сейчас крутится. Мне надоело смотреть, я пошел малость пройтись.

Инженер теперь ничего не понимал. Моня был нисколько не пристыженный, а даже какой-то просветленный.» Инженер согласился посмотреть.

«— И всю ночь крутится? — не удержался и еще раз спросил инженер перед самым домом Мони. И посмотрел пристально на Моню, Моня преспокойно выдержал его взгляд и, вроде сам тоже изумляясь, сказал:

— Всю ночь! Часов с десяти вечера толкнул его и вот… сколько уже сейчас?

Инженер не посмотрел на часы, шел с Моней, крайне озадаченный, хоть старался не показать этого, щадя свое инженерное звание. Моне даже смешно стало, глядя на него, но он тоже не показал, что смешно.

— Приготовились! — сказал он, остановившись перед дверью сарая. Посмотрел на инженера и пнул дверь… И посторонился, чтобы тот прошел внутрь и увидел колесо. И сам тоже вошел в сарай — крайне интересно стало: как инженер обнаружит, что колесо не крутится.

— Ну-у, — сказал инженер. Я думал, ты хоть фокус какой-нибудь придумал. Не смешно, парень.

— Ну, извини, — сказал Моня, довольный.»

В этой сценке Шукшин очень тонко подметил ощущение инженера, столкнувшегося с непонятным явлением. Инженер, конечно, не сомневался в том, что закон сохранения энергии будет действовать. Вызывало опасения другое: сможет ли он быстро найти причину «фокуса», из-за которого колесо вертится?

Такое ощущение хорошо знакомо многим, даже очень квалифицированным экспертам.

Так изобретатель вечного двигателя Моня Квасов, несмотря на поражение в споре с инженером, «свел счет вничью». Рассказ кончается, несмотря на неудачу Мони, оптимистично.

Еще более интересные события с велосипедным колесом и вечным двигателем произошли не так давно на другом конце Европы — в Англии. Об этом рассказывается в гл. 4.

2.5. Рассуждение о законах и о том, можно ли их нарушать

История ppm показывает, что изобретателям вечной двигателя приходилось и приходится встречаться с самыми разнообразными трудностями. Тут и недостаток средств и материалов, и недоверие окружающих, и сложности конструирования, изготовления и испытания… Однако все это можно в конце концов преодолеть. Остается одно, самое трудное препятствие, которое ни одному из изобретателей ppm преодолеть не удалось, — это законы природы и вытекающие из них законы науки. Мы уже видели, что для тех, кто создавал ppm-1, таким непреодолимым препятствием стал закон сохранения энергии — первый закон термодинамики. Дальше мы покажем, что для тех, кто пытался и пытается создать ppm-2, дополнительную, но столь же непреодолимую преграду ставит второй закон термодинамики.

Тем не менее попытки преодолеть это основное препятствие не прекращаются. До середины XIX в. (а в некоторых случаях и позже) для этого было вполне понятное объяснение — просто эти законы не были еще известны и точно сформулированы. Но почему работа над ppm продолжается и сейчас, несмотря на то что оба закона термодинамики — и первый, и второй — четко сформулированы, доказаны-передоказаны, описаны во множестве книг, вошли в учебники? Большинство изобретателей хорошо знает о них. В чем же дело?

Позицию, характерную для большинства изобретателей, работающими над такими машинами, очень четко изложил в письме к автору этой книги один из них (В.М. Шнырь).

Письмо озаглавлено коротко и ясно: «Я не согласен». Далее написано следующее:«… я не согласен с формулировкой, что ррм-1 есть нарушение законов природы. Законы, выведенные людьми не есть законы природы, а законы природы нигде не записаны и никем не читались. И выдавать людские законы за законы природы есть грубейшее нарушение сущности вещей. Если в большинстве случаев (по книге) законы людей совпадают с законами природы, то это не значит, что нет такого, когда возникает несовпадение. Тогда природа вправе сказать: «Я сама по себе, я вне людей и от их законов не завишу».

Законы людей называются наукой. А в обществе есть масса явлении, когда наука беспомощна объяснить их… Наука сумела ухватить, систематизировать и сформулировать как законы сохранения, явления, ведущие к невозможности ррм-1…

Рассматривая простое, никто не заметил, что есть сложность. А эта сложность есть система рычагов, частично в блочном виде, в целом дающее устройство с КПД > 1, а это устройство есть то самое «из ничего»из которого можно получить избыток энергии (точнее силы или мощности) для построения вечного двигателя….

…Если бы Вы знали, что устройство с КПД > 1 возможно, то Вы не выдавали бы законы людей за законы природы и при том столь категорично.

В год издания Вашей книги… я изготовил модель предлагаемого устройства с КПД > 1 в самом простейшем виде… Простейшее устройство с КПД > 1 не получилось.

После этого я перебрал множество вариантов, более сложных, но все они давали теоретическое равновесие. И лишь в одном варианте (а он мало отличался от других), расчеты дали устройство с КПД > 1. Иначе (по Вашей книге) энергию «из ничего», столь нужную для построения вечного двигателя… Осталось сделать модель. В расчетах я уверен.

К слову — КПД устройства (без учета механического КПД) — более 4…»

С тех пор, как было написано это письмо, прошло более 20 лет. Но обещанный двигатель с КПД «более 400%» так и не появился.

Закон «выведенный людьми» здесь сработал и доказал в очередной раз свою правоту. Но, может быть, это «частный случай» и в другой ситуации можно будет все же этот закон обойти?

Чтобы иметь в дальнейшем прочную основу для защиты истины, нужно предварительно внести некоторую ясность в понятие «закон», проведя краткое рассуждение на эту тему. Итак, о законах.

Если посмотреть в справочниках и словарях, то мы найдем два смысла термина «закон». Первый: «необходимая, существенная связь, отношение между явлениями и предметами»; второй: «обязательное общественное установление (закон государственный, уголовный, религиозный и т. д.)».

Нас, естественно, будет в дальнейшем интересовать закон в первом смысле, однако предварительно нужно сказать несколько слов и о законе как «обязательном общественном постановлении».

В таких законах нужно отметить две черты. Первая из них заключается в том, что они могут быть разными применительно к одному и тому же случаю в разных странах и регионах в зависимости от социального строя, традиций и т. д. Могут они с течением времени и меняться, и пересматриваться.

Вторая черта законов, устанавливаемых обществом, состоит в том, что любой из них в принципе может быть нарушен; то, что за этим должно последовать наказание, не меняет дела.

Законы, отражающие «необходимые, существенные связи между явлениями», напротив, не меняются в зависимости от места, времени и общественного строя; нарушить их невозможно в принципе.

Необходимая, существенная связь между предметами и явлениями присуща самой природе и никак не зависит от воли людей. Она необходима, а не случайна, и при наличии определенных условий неизбежно проявит себя тоже определенным образом. Это проявление одинаково везде и всегда, если существуют те же условия.

Одна из самых опасных, но часто встречающихся ошибок в трактовке законов, состоит в том, что свойства общественных законов непроизвольно переносятся на объективные законы природы. Некоторые люди никак не могут понять до конца, что законы природы, в отличие от законов, установленных обществом, нельзя ни изменить, ни нарушить.

Как же так? Ведь история науки ясно говорит, что по мере ее развития законы меняются. Ведь были всякие «флогистоны», «теплороды» и «эфиры», которые теперь исчезли! Считалось, что элементы не могут превращаться один в другой, а их теперь превращают. Если бы сто лет назад кто-нибудь предложил извлекать энергию из атомов, его бы осмеяли, а сейчас работают атомные электростанции. Геометрия Евклида дополнилась геометрией Лобачевского и Римана, а механика Ньютона уже многое не может объяснить; понадобилась теория относительности Эйнштейна! Почему же и другие законы, которые стоят на пути осуществления ppm-1 или ppm-2, тоже не могут оказаться устаревшими и неверными? То, что было верно сегодня, может стать неверным завтра!

Чтобы разобраться в том, насколько правильны эти и подобные им суждения, нужно сделать еще один шаг в разборе понятия «закон» и определить, что такое закон науки. В отличие от законов природы они существуют не сами по себе, а представляют собой отражение объективных связей внешнего мира в сознании человека. В этом смысле они вторичны, по отношению к законам, действующим в природе.

В результате исследовательской деятельности человека они обнаруживаются, открываются и затем формулируются на соответствующем языке — словами или формулами.

Известный закон Бойля-Мариотта, например, отражает объективно существующую связь между объемом v данного количества газа и давлением р, под которым он находится. Закон можно выразить словами: «объем данного количества газа (или удельный объем v) обратно пропорционален давлению р». Этот же закон можно выразить и математической формулой: pv = const.

Однако для того, чтобы судить о долговечности, «устойчивости» научного закона, нужно определить, насколько он может соответствовать объективному закону природы, правильно его отражать. Ведь природа необычайно сложна и многообразна в своей структуре, в связях своих объектов и их проявлениях. Несомненно, что ни один научный закон, какими гениями ни были бы люди, открывшие его, не отражает полностью объективные связи и отношения, существующие в природе. Он может отразить их лишь неполно, с определенной степенью приближения. По мере развития науки ее законы охватывают все более широкие области, уточняются, приближаются к закона природы, делаются адекватными им.

В обобщенном виде характер связи между законами природы и законами науки был четко выражен А. Эйнштейном: «Наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными, и мы всегда должны быть готовы менять эти представления». П.Л. Капица, любивший парадоксы, говорил даже так: «Интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них».

Значит ли это, что законы науки «смертны» и, прожив определенный срок, заменяются из-за отклонений на другие представления, более адекватные законам природы? Если это так, то изобретатели ppm правы, рассчитывая на

вполне возможное изменение законов науки, не разрешающих пока действие вечных двигателей.

Нет, это не так, хотя и Эйнштейн, и Капица, как и многие другие, абсолютно правы. Как же совместить эти две, казалось бы, диаметрально противоположные точки зрения? Представления меняются, отклонения изучаются, а законы остаются незыблемыми?

Дело в том, что законы науки (в частности, физики) не отменяются, а дополняются и развиваются, а это совсем другое. Поясним это положение несколькими примерами.

Возьмем тот же закон Бойля-Мариотта, о котором шла речь выше. Как показали эксперименты, он оказывается верным лишь приближенно. При больших давлениях и низких температурах зависимость между р и v приобретает более сложный характер, выражающийся более сложными уравнениями (уравнением Ван-дер-Ваальса и другими — так называемыми уравнениями состояния). Но в тех достаточно широких пределах, где свойства газа несущественно отклоняются от идеального, закон Бойля-Мариотта работает с достаточной точностью. Более того, он всегда в этой области будет правильным, какие бы невероятные открытия ни произошли.

То же самое происходит и с другими законами. Например, закон всемирного тяготения Ньютона был дополнен следствиями, вытекавшими из теории относительности, которые позволили объяснить новые факты, наблюдаемые астрономами.

При наличии мощных гравитационных полей или при скоростях, близких к скорости света, ньютоновская механика уже не работает. Но у нас на Земле (и даже при расчетах движения спутников Земли) ньютоновская механика остается в силе и будет всегда работать безупречно. «Отменить» ее никто не сможет.

Закон сохранения энергии был тоже расширен на основе теории относительности после открытия эквивалентности массы и энергии. (Его выражает известное уравнение е = mс², где е — энергия, m — масса, а с — скорость света в пустоте.) Поэтому при расчете, например, ядерных процессов это уравнение надо учитывать. Но в других отраслях техники, где скорости далеки от с, все уравнения балансов массы и энергии можно спокойно рассчитывать, совершенно не принимая во внимание это уравнение. Так же дело обстоит и в других случаях: новые законы оказываются более полными, глубокими и включают прежние как частный случай, но не отменяют их. В этой связи стоит вспомнить об одной дневниковой записи Д.И. Менделеева (10.VI. 1905 г.): «…По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает…».

Н. Бор сформулировал общее положение (1923 г.), отражающее эту закономерность развития науки: принцип соответствия, который гласит, что всякий более общий закон включает в себя старый закон как частный случай; он (старый) получается из нового при переходе к другим значениям определяющих его величин.

Применительно к закону Бойля-Мариотта это не выходящие за определенные пределы значения давления р и температуры T; применительно к механике — это значения скоростей частиц или тел и т. д. Следовательно, как бы ни развивалась дальше наука, ее «старые» законы никуда не исчезнут; «в пределах своей компетенции» они будут справедливы всегда[42].

Но как же тогда быть с теориями «флогистона», «теплорода», «эфира» и т. д.? Они-то несомненно отменены и исчезли!

Здесь тоже нужно разобраться, чтобы не впасть в ошибку.

Теория флогистона была развита Г.Э. Сталем (1660— 1734 гг.). Ее основой была мысль о том, что в состав всех горючих веществ входит одна общая составная часть («флогистон»), которая исчезает в процессе горения. Теория естественно вытекала из наблюдений хорошо всем известного процесса горения. Действительно, когда горит кусок дерева или угля, видно, что из всех его пор выходят языки пламени и газы уходят вверх; остатки превращаются в золу. Что может быть естественнее предположения, что некая огненная часть ушла, а зола осталась? Значит, дерево или уголь (или металл) — это соединение флогистона и золы (или оксида металла). Считалось также, что человеческий организм живет потому, что выделяет через легкие флогистон!

Теперь нам все это кажется смешным и алогичным. Но нельзя забывать, что в свое время теория флогистона помогла «объяснить», свести в единую концепцию и скоординировать большое количество известных в то время фактов.

Однако она, как и многие другие теоретические обобщения того времени, была чисто качественной. Никому не приходило в голову взвесить металл и его оксид и убедиться, что металл весит меньше, а не больше оксида, как следовало из флогистонной теории. Очень немногие химики и физики делали количественные опыты, да и то часто смешивали вес с удельным весом (плотностью), совершенно серьезно считая фунт свинца тяжелее фунта пуха. Но как только в химию вошли вес и мера (в чем немалая заслуга «славного Роберта Бойля», как его назвал Ломоносов, (и самого Ломоносова)), теория флогистона стала разваливаться.

Таким образом эта и другие подобные теории не могли завершиться созданием каких-либо физических законов. Их исчезновение к отмене какого-либо закона не привело. Следовательно, история флогистона «не работает» как доказательство того, что «был закон, а потом оказался неверным».

Теперь о «теплороде». Его введение позволяло уже количественно установить законы калориметрии. Теория теплорода тоже исчезла. Но все связанные с ней законы калориметрии исправно действуют до сих пор (и будут незыблемы и впредь) несмотря на то, что теории теплорода давно нет.

Аналогичная ситуация и с гипотетической всепроникающей средой — «эфиром». Все количественные законы, отражающие объективные, существующие в природе связи, только дополнялись. Следовательно, и здесь нет поводов для утверждения, что законы науки, в частности физики, могут отменяться.

Все сказанное выше показывает, что доводы типа «раньше считалось, что элементы нельзя превратить один в другой, а теперь оказывается, что можно», «раньше не предполагали, что может существовать атомная энергия, а теперь она используется» и т. д., из которых по аналогии выводится тезис: «Сейчас считают, что вечного двигателя не может быть, а потом окажется, что он возможен», не годятся. Законов науки, запрещавших эти явления (в отличие от ppm), никогда не было; их появление никаких законов не нарушило.

Наконец, о той, защищаемой некоторыми изобретателями, точке зрения, что законы науки сдерживают творческую мысль изобретателей, «не дают ей развернуться».

Ничего не может быть ошибочнее. На самом деле все обстоит как раз наоборот; категорические запреты, налагаемые законами науки, способствуют работе творческой мысли исследователей и изобретателей. И дело не только в том, что эти законы предостерегают их от напрасной траты сил и времени на поиски в тупиковых направлениях. Законы не только запрещают ошибочные ходы мысли, но одновременно наводят на правильные решения. Например, «закон сохранения», взятый применительно к механике, даже в еще несовершенной, первоначальной форме, до установления строгого понятия об энергии, навел математиков и инженеров, от Архимеда до Галилея и Стевина, на открытия как законов равновесия, так и падения тел. Он же в других его проявлениях определил направление работ С. Карно и Р. Майера: первого на анализ действия тепловых двигателей, а второго — на изучение энергетических превращений в живых организмах.

Более того, как мы увидим дальше, понятие «теплород» в его рациональной части тоже осталось в современной науке под названием «энтропия».

Так всякое обоснованное отрицание чего-либо или запрет приводят в конечном счете к открытиям и созиданию нового — ив науке и в ее практических приложениях. «Свобода в рамках закона» оставляет, несмотря на ограничения, необъятный простор для настоящего творчества; об этом свидетельствует вся история науки и техники.

Чтобы закончить рассуждение о законах, необходимо сказать несколько слов об одной важной их разновидности — статистических законах. Именно к ним относится второй закон термодинамики, запрещающий ppm-2. Однако лучше это сделать не здесь, а в следующей главе, специально посвященной второму закону. К ней мы и перейдем.