Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Братья Томсоны, сами того не зная, также объяснили, как движутся ледники. Давление на лед в нижней части ледника так велико, что он тает, хотя температура там составляет 0 °C и ниже. Таким образом под ледником возникает слой воды, который позволяет ему скользить вниз. Любопытно, что к объяснению движения ледников привели размышления Сади Карно о работе паровых машин.

* * *

Впрочем, Томсон понимал, что эксперимент со льдом давал аргументы в пользу Карно, не опровергая при этом выводы Джоуля. Критика теории теплорода, изложенная последним, оставалась состоятельной. Томсон не мог от нее отмахнуться. Кроме того, работа Джоуля усугубила другое сомнение Томсона насчет теории, которое заключалось в следующем.

Хотя при движении из горячей зоны в холодную тепловой поток может производить работу, это происходит не всегда. Возьмем, например, железный стержень, докрасна раскаленный с одной стороны и холодный с другой. Со временем теплота перемещается по стержню от горячего конца к холодному, выравнивая температуру. Томсон задумался: что происходит с работой, которую она могла бы производить? Если теплота представляет собой не поддающийся уничтожению флюид — теплород, — то железный стержень с разностью температур аналогичен ведру воды, стоящему в верхней части наклонного канала. Стоит наклонить ведро, и вода потечет по каналу, как тепло в железном стержне перетекает от горячего конца к холодному. Но представьте, что посередине канала установлено лопастное колесо. Достигнув этого места, вода поворачивает колесо и поднимает груз. Поскольку часть движения воды передается колесу, скорость потока снижается. Когда вода достигает конца канала, раздается всплеск. Уберите колесо — и вода потечет по каналу без препятствий и достигнет его конца с более громким всплеском. Сила, которую вода могла бы передать колесу, превращается в звук. И здесь Томсон видел проблему. Когда теплород без препятствий перемещается по железному стержню от горячего конца к холодному, не раздается ни всплеска, ни другого похожего звука. Что же происходит с силой, которую он мог бы создать? Ответа у Томсона не было.

Джоуль, в свою очередь, понял, что, несмотря на все недостатки теории теплорода, вывод Карно о том, что теплота может производить работу только при перемещении от нагревателя к охладителю, отрицать нельзя. В марте 1850 года он написал Томсону: “Должно быть какое-то связующее звено между результатами, которые я получил, и расчетами на основе теории Карно. Возможно, вы вскоре его обнаружите. Меня лично этот вопрос весьма озадачивает”.

Карно и Джоуль были двумя кусочками одной мозаики. Однако, несмотря на все усилия, ни Томсон, ни кто-либо другой не мог понять, как объединить их теории. Для этого потребовались таланты и труды новой и весьма амбициозной нации.

Главная задача физики

Богам любопытно наблюдать, как мускулы работают подобно цилиндру паровой машины.

Физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон, живший в Берлине

На юго-западе Берлина, где немецкая столица граничит с Потсдамом, река Хафель распадается на систему взаимосвязанных озер, каналов и протоков. На их берегах расположены парки, сады и дворцы, которые в первой половине XIX века служили местом отдыха и развлечений королевской династии Гогенцоллернов. В то время Гогенцоллерны правили Пруссией, занимавшей северо-восточную четверть современной Германии.

Один из увеселительных садов, Глиникский парк, напоминал английский ландшафтный сад с фонтанами, оранжереями и роскошными клумбами. Посетив парк, Хельмут фон Мольтке назвал его “одним из самых красивых в Германии”.

Если пройти по стопам фон Мольтке сегодня, вашему взору в основном предстанут те же достопримечательности. Но некоторые все же не сохранились: например, больше нет намеренно полуразрушенного пешеходного мостика, под которым стремился мощный поток воды. В нескольких метрах от него был слышен странный звук, теперь давно забытый: настойчивое бряцание и пыхтение, доносившееся с виллы, напоминающей постройки средневековой Флоренции. Внутри стояла одна из первых в Пруссии паровых машин, сконструированная инженером, прошедшим обучение в Англии.

Фон Мольтке написал, что эта машина “работает с утра до ночи, поднимая воду Хафеля на песчаные высоты, чтобы луга зеленели там, где без машины выживал бы только вереск. Могучий водопад с ревом срывается с утесов под аркой полуразрушенного моста, словно смытого неистовым потоком, и падает на пятьдесят футов вниз, в Хафель, на землю, где бережливая Мать Природа и не подумала бы пролить ни ведра воды”. Иными словами, это был искусственный ландшафт, который стал красивым под действием машин.

В Великобритании паровую энергию считали путем к коммерческой выгоде, во Франции — к общественному прогрессу, но в Пруссии — во всяком случае, в элитных кругах — ее считали способом совершенствовать природу. Здесь паровая энергия была связана с природой в буквальном смысле, и именно здесь ученые раньше всех поняли, что ее уроки применимы не только к машинам. В конце концов, раз паровая машина способна улучшить природу, может, она способна и объяснить ее? Молодой человек, наблюдавший за установкой паровой машины в Глиникском парке и двух других машин в соседних садах, стал одним из первых ученых, разглядевших их значимость.

Герман Гельмгольц родился в 1821 году в Потсдаме в семье среднего достатка — его отец работал учителем в гимназии, прусской средней школе, где акцент делался на академическом, а не практическом образовании. Гельмгольц вспоминал, что в детстве часто болел и много времени проводил в своей комнате, часто прикованный к постели. Однако, когда он подрос и окреп, отец стал знакомить его с поэзией и прозой и гулять с ним в потсдамских садах и парках. В это время Гельмгольц увлекся математикой и естествознанием и принялся осваивать науки, проглатывая учебники по физике и конструируя самодельные микроскопы из линз от старых очков. С возрастом уверенность Гельмгольца в своих интеллектуальных силах росла, и в 1838 году он получил стипендию для изучения медицины в берлинском Университете Фридриха Вильгельма, который специализировался на подготовке военных врачей. Также в 1838 году в Пруссии была открыта первая железная дорога на паровой тяге, соединившая Потсдам и Берлин. Таким образом, юный Гельмгольц не только наблюдал, как паровая энергия применяется для совершенствования природы в местном парке, но и сам пользовался ею, когда ездил в университет.

* * *

В конце 1830-х и начале 1840-х годов немецкоязычная часть Европы представляла собой лоскутное одеяло из королевств, эрцгерцогств, епископств, княжеств и других суверенных территорий. В экономическом отношении регион отставал от Великобритании и Франции, и паровая технология в нем развивалась медленнее. В 1840 году мощность установленных на местных заводах паровых машин составляла всего 20 тысяч лошадиных сил, что было гораздо меньше, чем в Великобритании (350 тысяч) и Франции (34 тысячи).

Однако в 1840-х годах начали приносить свои плоды реформы, проведенные в прошлые десятилетия. В 1807 году Пруссия отменила крепостное право и позволила крестьянам жить и работать где угодно, что привело к формированию многочисленного и мобильного рабочего класса. Кроме того, в 1834 году коалиция немецких государств создала таможенный союз. Ранее, чтобы доехать из Гамбурга на севере до Альп на юге, приходилось пересекать десяток стран и на каждой границе общаться с “неприязненными таможенниками и сборщиками налогов”. Теперь, когда эта система осталась в прошлом, развитие текстильной, горной и сталелитейной промышленности ускорилось. В 1840–1860 годах мощность установленных на заводах машин возросла в 10 раз, а протяженность железных дорог к 1869 году составила более 16 тысяч километров.