Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Испробовав различные веса, падавшие с разной высоты (чтобы падение было достаточно долгим, он даже выкопал две ямы в своем саду), он пришел к выводу, что 838-фунтовая масса, поднятая на фут над землей, создает механическое усилие, достаточное для того, чтобы нагреть фунт воды на один градус Фаренгейта. Поэтому температура на вершине и внизу водопада высотой 838 футов (около 255 м) — примерно такую высоту имеет водопад короля Эдварда VIII в Гайане — будет отличаться почти на один градус, внизу она будет теплее.

В августе 1843 года он изложил полученные результаты на научной конференции в ирландском городе Корке, но, как он позднее говорил, «эта тема не стала предметом всеобщего внимания». Не исключено, что обилие различных явлений — электричество, магнетизм, теплота, движение — не позволили слушателям вникнуть в суть доклада. Джоулю все еще требовался решающий эксперимент, способный убедить любого, но при этом простой, более элегантный и более четкий.

Веса и шкивы, приводящие в движение вал генератора

Рисунок из «Научных записок» Джоуля

К своей оксфордской встрече 1847 года с Томсоном Джоуль уже обладал таким доказательством. Наступал вечер, и его попросили сделать лекцию покороче. Из Манчестера он привез с собой установку, которую и поместил на столе в аудитории. Это был медный сосуд, изнутри покрытый оловом. Крышка также была оловянной. В отверстие посредине крышки входил вал латунного гребного колеса. Во второе отверстие вставлялся термометр.

Джоуль объяснил, как он наполнял сосуд водой и приделывал веса, бечеву и шкивы для того, чтобы колесо вращалось. С внутренней стороны сосуда направляющие лопасти препятствовали свободному вращению воды, увеличивая трение. Поместив на каждую чашу груз весом 29 фунтов (13 кг), он поднял его на высоту 5,25 фута (1,6 м) и позволил ему упасть вниз. Затем он снова намотал бечеву и повторно сбросил груз вниз. Так продолжалось двадцать раз. Это было равносильно тому, что груз весом 58 фунтов (26,3 кг) был сброшен с высоты 105 футов (32 м). Весь эксперимент он проделал девять раз, обнаружив в итоге, что вода нагрелась примерно на о,668°.

Усовершенствованная схема эксперимента Джоуля

Рисунок из «Научных записок» Джоуля

Он понимал, что часть силы падающего груза расходуется на преодоление трения между шкивами и струной. Чтобы определить, какая именно часть силы расходуется на это, он взял валик такого же диаметра, что и шпиндель, и, обмотав вокруг него бечевку, подвесил с обеих сторон по грузу. Постепенно добавляя небольшие веса с одной стороны, он обнаружил, что требуется примерно 7,2 унции (примерно 2оо г), чтобы нарушить равновесие и заставить валик шевельнуться.

Учтя этот и другие факторы, он уточнил свои предыдущие измерения; итак, чтобы нагреть один фунт воды на один градус, требуется 108 «килограмм-метров». Раньше он считал, что для этого необходимо 106,7, а один градус разницы в температуре имеет потенциал, необходимый для подъема 106,7 кг на один метр, и надо только понять, как этот градус использовать.

В тот раз, чтобы не затуманивать основной смысл, в эксперименте не использовались ни обмотки, ни гальванические элементы; тепло и работа не только оказались взаимосвязанными, но и, по сути, одним и тем же: два разных способа преобразования «усилия», или «жизненной силы», или, как мы теперь говорим, энергии, в движение. Выходит, работа — это результат приложения силы, смещающей тело на определенное расстояние. Например, лошадь, тянущая повозку. Это структурированная энергия, поставленная на службу человеку. Теплота же, наоборот, — непроизводительная работа, ненаправленная, неструктурированная — энергия, рассеиваемая в результате неупорядоченных микроскопических вибраций. По мере развития атомистической теории это представление обретало дополнительную конкретику: теплота — это вибрация атомов.

Такая формулировка была исключительно интересной и легко воспринимаемой: при поднятии веса с земли Джоуль расходует энергию, а когда груз падает вниз, он возвращает полученную ранее энергию. Если эту энергию впрячь в генератор, то работу можно преобразовать в электрическую энергию, которая будет приводить в движение моторы, качать воду в резервуар, а вытекая оттуда, вода в свою очередь будет вращать водяное колесо, которое можно использовать для завода гигантской часовой пружины. Но на каждом этапе этой схемы часть энергии будет теряться в виде тепла. А если груз будет падать, не производя при этом никакой полезной работы, то, кроме нагрева земли в месте падения и воздуха в результате трения об него падающего груза, ничего не произойти. Поэтому необходимо сохранять не теплород, а энергию.

Признав, что Джоуль совершил открытие, Томсон тут же задумался о том, что из него следует.

Итак, хотя тепло не исчезает из Вселенной, оно постепенно уменьшается, поскольку процесс перетекания от горячего к холодному, и никогда наоборот, — своего рода путь «безвозвратных потерь». Можно предположить, размышлял он, что мир когда-то был очень горяч и с тех пор постоянно остывает: ‘‘…какой-то конечный период времени тому назад и через какой-то конечный период времени в будущем Земля была и будет непригодна для обитания человека».

Ныне ясно, что это справедливо и в отношении всей Вселенной. Она началась с Большого взрыва и с тех пор постепенно «сползает вниз». И все это открылось потому, что кому-то захотелось понять, как устроена паровая машина!

Глава 8 АЛЬБЕРТ АБРАХАМ МАЙКЕЛЬСОН Затерянные во Вселенной

Для опытного моряка Альберта Абрахама Майкельсона картина, нарисованная Максвеллом, была бы настоящим кошмаром — дрейфовать безветренной ночью, не видя звезд, по которым можно определить, где ты находишься… Майкельсон изучал физику, будучи молодым человеком, во время службы в военном флоте США, а точнее, в Военно-морской академии в Аннаполисе, а также в океане, осваивая штурманское дело. Вы должны забыть о Копернике и думать как Птолемей. Вы и ваш корабль находятся в центре Вселенной, а звезды вращаются вокруг вас. При определении местоположения вам необходимо учитывать скорость вашего судна, а также силу и направление ветра. Несмотря на растерянность и неуверенность, наверняка присущие молодому курсанту, Майкельсон четко знал, что его корабль всегда в визире небесного ока, т. е. на соответствующей широте и долготе. При странствиях во Вселенной в принципе все должно обстоять так же. Должен быть какой-то стандарт, что-то постоянное, по отношению к чему можно производить измерения.