Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Параллельно шло становление серьезно перестроенной и лучше финансируемой немецкой системы образования. В первой половине XIX века прусское правительство пятикратно увеличило расходы на содержание университетов и переосмыслило их назначение. Они перестали быть учреждениями, где студентов с ложечки кормили имеющимися знаниями, и превратились в заведения, где знания должны были умножаться. Одной эрудиции отныне было недостаточно: преподавателям полагалось проводить исследования, демонстрируя творческий подход к делу.

В таком обществе рос Герман Гельмгольц. Пользуясь всеми его преимуществами, он завел долгую дружбу с другими амбициозными молодыми врачами, физиками и химиками. Сложившаяся группа единомышленников поставила перед собой задачу согласовать изучение живых организмов с текущими исследованиями неживого мира. Выражаясь современным языком, ученые хотели показать, что живые организмы подчиняются тем же математическим, физическим и химическим законам, которые управляют всем остальным. Однако такой подход привел к конфликту группы Гельмгольца с существенной частью европейского научного сообщества, полагавшей, что подобный синтез живого и неживого миров не представляется возможным. Многие ученые в то время верили в состоятельность витализма — идеи, что живые организмы не только получают питательные вещества из пищи, воды, воздуха и так далее, но и обладают “жизненной силой”. Пока организм жив, эта жизненная сила контролирует происходящие в нем физические и химические процессы. После смерти жизненная сила исчезает, и организм разлагается, словно неживой. Гельмгольц и его друзья выступали против “виталистического” представления о мире и считали, что очень важно опровергнуть его, чтобы поставить биологию на один фундамент с физикой и химией.

В 1843 году Гельмгольц окончил медицинский факультет и занял должность ассистента хирурга в гусарском полку в Потсдаме. Хотя в армии он приступал к своим служебным обязанностям в пять утра, когда трубач трубил побудку, Гельмгольц не прерывал свои научные занятия. Он за свой счет организовал в казармах небольшую лабораторию и начал серию экспериментов для проверки состоятельности теории витализма. Особенный интерес для Гельмгольца представляли новые исследования источников животного тепла, которые в то время вызывали ожесточенные споры.

Противники витализма полагали, что если им удастся доказать, что процесс выработки тепла у теплокровных животных напоминает медленное горение, не имеющее принципиальных отличий от горения угля, то витализму будет нанесен серьезный удар.

Эту гипотезу еще в 1780-х годах выдвинул великий французский химик Антуан Лавуазье, который представлял легкие как торпидную [4] печь для сжигания пищи: “Дыхание, таким образом, есть горение, пусть и очень медленное, но все же совершенно аналогичное горению древесного угля”. Иными словами, пища была топливом, которое животные сжигали в кислороде, тем самым вырабатывая тепло при выделении углекислого газа как побочного продукта этого горения.

Однако в последующие годы ученые поняли, что на самом деле процесс гораздо сложнее. Пища не похожа на древесный уголь, который полностью состоит из углерода. Например, сахар и другие углеводы — это сложные молекулы, содержащие в дополнение к атомам углерода атомы водорода и кислорода. Следовательно, животное тепло может вырабатываться не только при сжигании углерода, но и при сжигании водорода. В ходе него также выделяется теплота, а конечным продуктом становится вода (Н2О). Наблюдения показывают, что животные выдыхают углекислый газ и выделяют воду, и это говорит в пользу изложенной теории.

Держа это в уме, двое ученых, бельгиец Сезар-Мансюэт Депре и француз Пьер Луи Дюлонг, исследовали предположение Лавуазье о том, что дыхание представляет собой особую форму замедленного горения. Работая по отдельности в 1820-х годах, они помещали кроликов, морских свинок, голубей, петухов, сов, сорок, кошек и собак в медные ящики, которые погружали в резервуар с водой. Это позволяло ученым измерять, сколько кислорода животное вдыхает за определенный период времени. Затем они оценивали, какая доля вдыхаемого кислорода связывается с углеродом и образует углекислый газ, а какая связывается с водородом и образует воду. После этого — измеряли, насколько повысилась температура воды в резервуаре. Далее — сжигали углерод и водород в кислороде, чтобы получить тот же объем углекислого газа и воды, который выдохнуло и выделило животное. Наконец, ученые измеряли количество теплоты, выделившейся в ходе этого процесса.

Оба ученых увидели, что при простом сжигании углерода и водорода в кислороде выделялось примерно на 10 % меньше теплоты, чем когда такое же количество углекислого газа и воды производили животные.

Это наблюдение соответствовало виталистическим представлениям о том, что у животных должен быть еще один источник тепла, который не подчиняется физическим и химическим законам, управляющим неживой природой. Следивший за дебатами из воинской части в Потсдаме Гельмгольц скептически отнесся к такому выводу. Он решил, что изучит животное тепло сам.

Гельмгольц выдвинул три аргумента против Дюлонга и Депре. Во-первых, он заявил, что их эксперименты основаны на неверных предположениях. Ученые измеряли количество теплоты, выделяемой при сжигании углерода и водорода в кислороде. Гельмгольц отметил, что содержащиеся в пище молекулы углеводов при сжигании выделяют большее количество теплоты, чем углерод и водород. Это объясняется тем, что в молекулах углеводов, помимо углерода и водорода, содержится некоторое количество атомов кислорода. В связи с этим при дыхании животные не просто связывают углерод и водород с кислородом из атмосферы, но и получают дополнительный приток кислорода из пищи. С учетом этого разница в количестве теплоты, выделяемой животными и выделяемой при горении, исчезает.

Во-вторых, Гельмгольц применил свои медицинские знания. Он провел несколько искусных экспериментов на лягушачьих лапках, чтобы попытаться доказать, что мышечное движение объясняется обычными химическими процессами, а не присутствием жизненной силы. Если говорить простым языком, Гельмгольц погружал лягушачьи лапки сначала в воду, а затем в спирт и измерял количество вещества, которое выделялось из них и растворялось в жидкостях. Затем он пропускал электрический ток по лапкам других лягушек, еще не погружавшихся в жидкости, и от этого их мышцы сокращались. После этого Гельмгольц помещал лапки, по которым прошел электроток, в воду и спирт и измерял количество выделяемого вещества. Он заметил, что сокращение мышц приводило к уменьшению количества вещества, растворяемого в воде, и это уменьшение точно уравновешивалось увеличением количества вещества, растворяемого в спирте. Иными словами, движение мышц сопровождалось преобразованием растворимого в воде вещества в вещество, растворимое в спирте. Было ясно: мышечное движение обеспечивалось химической энергией, выделяемой при преобразовании одного вещества в другое, что опять же принципиально не отличалось от процесса горения.

В-третьих, Гельмгольц обратился к своим знаниям о паровых машинах, а точнее, к той же гипотезе о невозможности создания вечного двигателя, которую Сади Карно выдвинул в своей революционной статье об эффективности паровых машин. Если виталисты были правы, утверждая, что животные могут создавать больше тепла, чем выделяется при сжигании углерода в кислороде, значит, внутри них существует другой источник тепла, который не подчиняется законам физики. Это, однако, подразумевало, что животные способны производить тепло, не потребляя ни пищи, ни топлива. Если же животные действительно могли создавать некоторое количество теплоты из ничего, то такая теплота теоретически могла использоваться для получения работы: с помощью нее можно было поднимать грузы, обеспечивать работу фонтана, тянуть состав по рельсам и выполнять другие задачи, не расходуя при этом топлива. Таким образом, если часть животного тепла происходила из нематериального источника “жизненной силы”, то она могла обеспечивать работу вечного двигателя. Однако, продолжал Гельмгольц, вечных двигателей не существует. Следовательно, животные не могут производить тепло без топлива. Тепло их тел должно обеспечиваться потребляемыми пищей и кислородом. Если Карно использовал невозможность создания вечного двигателя, чтобы показать, что теплота служит единственным источником работы в паровой машине, то Гельмгольц утверждал, что все тепло, выделяемое животным, должно производиться в ходе химических реакций, которые подчиняются тем же законам, что и неживая природа.