Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Помимо судостроения, в Глазго также быстро развивались вспомогательные отрасли, от хлопкопрядильных фабрик до химических и сталелитейных заводов. В поисках работы в город стекались приезжие из Ирландии и шотландского Хайленда, и население Глазго возросло с 77 тысяч человек в 1800 году почти до 300 тысяч в 1850 году. Навестив в 1851 году живущего в Глазго брата, один человек отметил, что узнавал о наступлении “шести часов, когда далеко внизу, в долине Клайда, раздавался удар огромного парового молота, которому тотчас отвечала тысяча молотов, ударявших по тысяче наковален, возвещая о том, что город проснулся и готов к новому трудовому дню”.

Уильяму Томсону казалось, что за всеми звуками, отмерявшими время в этом городе, стоят идеи Сади Карно. К такому выводу его подталкивали образование, интуиция и беседы с братом. Этим объясняются смешанные чувства, которые он испытал при встрече с Джеймсом Джоулем в Оксфорде в 1847 году. Убежденность Джоуля, что теплоту и работу можно преобразовывать друг в друга, противоречила сделанному Карно предположению, что теплоту, состоящую из теплорода, невозможно ни создавать, ни уничтожать.

Затем, осенью 1848 года, Уильям Томсон раздобыл экземпляр трактата Карно. Какие бы сомнения ни заронил в нем Джоуль, теперь Томсон был уверен, что труд француза слишком важен, чтобы и дальше пребывать в научном забвении. Он приступил к работе над статьей, которая должна была пролить свет на идеи Карно и представить аргументы в их поддержку. Ее название — “Изложение теории Карно о движущей силе тепла с приведением численных результатов, полученных Реньо в экспериментах с паром” — преуменьшает ее значение. Это не просто английский пересказ французского оригинала, а одна из самых важных работ, написанных Томсоном за его долгую и блестящую карьеру, и не в последнюю очередь ее значимость объясняется тем, что в ней Томсон ввел в научный лексикон новое слово: термодинамика.

Еще важнее то, что Томсон выбрал для “Изложения”, казалось бы, противоречивую стратегию. В основной части он приводит всевозможные теоретические и экспериментальные аргументы в поддержку трактата Карно. При этом он время от времени снабжает текст сносками, в которых рассказывает о работе Джоуля, выступая в качестве докучливого критика. В статье находит выражение терзающий Томсона конфликт между Карно и Джоулем. Не в силах разрешить его, он сталкивает стороны в одном тексте, тем самым позволяя другим присоединиться к дискуссии.

В 1849 году Томсон опубликовал свою статью о Карно и возникших у него сомнениях. Через несколько месяцев неожиданно открылись новые факты, которые, на первый взгляд, говорили в пользу Карно, а не Джоуля. Их представил старший брат Уильяма Джеймс, который разработал хитроумный способ проверить идеи Карно. Джеймс задумался, сможет ли предложить такую конструкцию двигателя, которая опровергнет гипотезу Карно о том, что для выработки движущей силы температура рабочего вещества в машине должна падать. Если такой контрпример для универсального, по мнению Карно, принципа действительно найдется, то вся теория окажется под угрозой. Но что, если контрпример, наоборот, поддержит ее?

Джеймс Томсон знал, что любое расширяющееся вещество теоретически может толкать поршень, таким образом совершая работу. Он также знал, что вода расширяется при замерзании. Почему бы не сконструировать двигатель с таким принципом действия? Томсон представил конструкцию с поршнем и цилиндром, аналогичную той, что использовалась в паровых машинах. Пространство под поршнем было заполнено водой, которая охлаждалась до 0 °C. Достигая этой температуры — и не раньше, — вода превращалась в лед, расширялась и толкала поршень. Главное, что в этой системе поршень приводился в движение при неизменно нулевой температуре. Казалось, что работа производится без падения температуры. Мог ли такой контрпример опровергнуть теорию Карно?

Не обязательно. Дело в том, что, когда вода замерзает, расширяется и толкает поршень, этот поршень, в свою очередь, толкает лед. Это следствие закона, который гласит, что всякому действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие. Представьте, что вы находитесь в цилиндре и толкаете поршень руками. В такой ситуации вы будете чувствовать, как сопротивление поршня, давящего на ваши руки, растет. Подобным образом в гипотетической ледяной машине Джеймса Томсона оказываемое поршнем давление растет по мере замерзания воды.

Во времена Томсона было известно, что вода замерзает при 0 °C на поверхности земли, где на нее оказывает давление лишь атмосфера планеты. (Ученые называют это давлением в “одну атмосферу”.) Однако никто не знал, изменяется ли температура замерзания воды при более высоком давлении. Если бы в таком случае лед формировался при температуре ниже 0 °C, то теория Карно была бы спасена, ведь в ходе превращения воды в лед и получения работы температура опускалась бы с 0 °C до отметки, соответствующей температуре замерзания воды под давлением поршня.

Джеймс Томсон вычислил величину, на которую должна опускаться температура замерзания воды при возрастании давления, чтобы теория оставалась состоятельной. Он выяснил, что при повышении давления на одну атмосферу температура замерзания должна опускаться на 0,0075 °C. Таким образом, при давлении в две атмосферы вода должна замерзать при температуре -0,0075 °C; при давлении в три атмосферы — при -0,0150 °C и так далее.

Прочитав эти выкладки, Уильям Томсон возликовал. Теперь у него появился способ проверить теорию Карно в своей лаборатории в Университете Глазго. Если в ходе экспериментов выяснится, что под давлением температура замерзания воды действительно опускается на величину, предсказанную его братом, то это станет доказательством состоятельности теории Карно.

Само собой, на практике такой эксперимент был сопряжен с огромными сложностями — и не в последнюю очередь потому, что расчетное снижение температуры было крошечным и доступные в то время термометры не могли его зафиксировать. В конце 1849 года Уильям Томсон поручил одному из своих студентов, Роберту Манселлу, создать чувствительный термометр, способный показывать изменения температуры на менее чем одну сотую градуса Цельсия. Прежде чем поступить в Университет Глазго, Манселл учился практической инженерии и имел опыт стекольных работ. Он приложил немало усилий, но все же откалибровал термометр таким образом, чтобы Томсон счел его показания заслуживающими доверия. Затем Томсон наполнил стеклянный цилиндр водой, которую мог сдавливать поршнем. С помощью этой экспериментальной установки он определил температуру, при которой вода замерзала под разным давлением.

К огромному удовлетворению Уильяма Томсона результаты подтвердили правильность расчетов его брата, а следовательно, и состоятельность теории Карно. Джеймс Томсон предсказывал, что под давлением, которое в 8,1 раза выше атмосферного давления на уровне моря, вода замерзнет при температуре -0,061 °C. Измерения Уильяма Томсона дали результат -0,059 °C: расхождение оказалось крошечным. При давлении, которое в 16,8 раза выше атмосферного давления на уровне моря, в теории вода должна была замерзнуть при температуре -0,126 °C. Измерения Томсона показали -0,129 °C, снова дав лишь минимальное расхождение.

В представлении Томсона эксперимент стал убедительным аргументом в пользу теории Карно. И все же нам, людям XXI века, Томсон, как и Джоуль, кажется чересчур легковерным. Два результата наблюдений, которые, как признавал сам Томсон, могли объясняться случайным совпадением, доказывали немногое. Они удовлетворяли его скорее на эмоциональном, чем на логическом уровне. Он был влюблен в изящный анализ Карно о получении движущей силы из теплоты и считал результаты своих экспериментов подтверждением того, во что верил сердцем.