Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Дарвин был потрясен. “Представления Томсона о небольшом возрасте мира уже давно доставляют мне серьезное беспокойство”. “Я очень переживаю из-за краткости существования мира в представлении сэра У. Томсона”. “И тут появляется сэр У. Томсон, этот страшный призрак”. Это строки из писем Дарвина к друзьям. Его сторонники, в свою очередь, чувствовали себя неподготовленными, чтобы критиковать аргументы физика, и предполагали, что эволюция, возможно, шла быстрее, чем предполагалось ранее, но такое решение Дарвина не удовлетворяло.

При жизни Дарвин так и не дал достойного ответа Томсону. В последнем опубликованном заявлении по этому вопросу он признал, что возражение Томсона “одно из самых важных, какие были до сих пор выдвинуты”, и продолжил: “Я могу только сказать следующее: во-первых, мы не знаем, как быстро протекают изменения видов, если выражать это время годами, и, во-вторых, многие ученые еще до сих пор не допускают, что строение Вселенной и внутренности нашей планеты известны нам в такой степени, которая допускала бы сколько-нибудь достоверные соображения о продолжительности ее существования”[10].

Если Дарвин не дожил до того момента, когда его теория о древности Земли нашла подтверждение, то Томсон все же узнал о своих ошибках. В 1890-х годах был открыт новый источник энергии, радиоактивность. Это позволило понять, что огромное количество энергии скрыто в атомах. Хотя звездный механизм термоядерного синтеза будет изучен лишь через несколько десятков лет, оценки количества энергии, выделяемой радиоактивными элементами, показали, что такое большое тело, как Солнце, может испускать теплоту на протяжении миллиардов лет. Более того, применение новой техники радиометрического датирования продемонстрировало, что на Земле есть породы сравнимого возраста. Один из пионеров новой науки о радиоактивности Эрнест Резерфорд в 1904 году выступил с речью в Королевском институте в Лондоне и сказал: “Открытие радиоактивных элементов дает время, которое геолог и биолог запросили для процесса эволюции”.

Впрочем, это не убедило 79-летнего Томсона, который оставался при своем мнении до самой смерти через три года.

Так работает наука. Томсон был не более и не менее упрям, чем остальные. Ученые тоже люди: они испытывают эмоциональную привязанность к идеям и руководствуются интуицией, как и все представители творческих профессий. Эти мощные инструменты приводят их к истине, но порой сбивают с пути. Томсон нутром чуял, что Карно прав насчет важности тепловых процессов, и искал доказательства, чтобы подтвердить свою догадку. Сначала фактов было мало, но все же их оказалось достаточно, чтобы Томсон заложил основы термодинамики. Те же самые научные инстинкты, та же самая интуиция говорили ему, что Дарвин ошибается насчет возраста Земли, и Томсон стал искать доказательства своей позиции. В случае с Карно он оказался прав, в случае с Дарвином — ошибся.

Мнение Томсона имело огромное значение для ученых из разных областей, и это показывает, как высоко в 1860-х годах ценили его самого и физику. Законы термодинамики стали триумфом индустриальной эпохи. Теплота открывала миру дорогу в будущее, и ученые понимали, как она себя ведет.

Но что такое теплота? Этот вопрос оставался без ответа.

Движение, которое мы называем теплотой

Как же в таком случае слои табачного дыма в комнатах так долго остаются неподвижными?

Голландский метеоролог Христофор Бёйс-Баллот

Наблюдение Рудольфа Клаузиуса, что теплота самопроизвольно перемещается из горячей зоны в холодную, позволило сделать самое точное на тот момент описание ее поведения. И все же в своей работе Клаузиус подчеркивал, что не опирается ни на какую конкретную теорию о том, что такое теплота. Хотя из более поздних его сочинений понятно, что у него были свои представления о природе теплоты, он опасался, что если он озвучит их и они окажутся неверны, то все его достижения будут дискредитированы.

В 1857 году кое-что изменилось. Появилась альтернатива теории теплорода — так называемая кинетическая теория теплоты. О ней писало достаточное количество ученых, чтобы и Клаузиус — как главный теоретик теплоты в Европе середины XIX века — опубликовал собственную статью, в которой выразил свой взгляд на проблему.

Чтобы понять подход Клаузиуса, подумайте о разнице температур зимой и летом. Поскольку Клаузиус переехал из Берлина в Цюрих, где занял должность профессора математической физики в новом университете, Швейцарской высшей технической школе, представьте летний цюрихский день. Данные свидетельствуют, что температура днем в июле колебалась в районе 20 °C. В декабре, когда солнце светило не так ярко, температура в полдень едва достигала 0 °C. Чем различается воздух при разных температурах? В июле и декабре воздух выглядит одинаково, но ощущается совершенно по-разному Почему?

* * *

Основные постулаты теории Клаузиуса маячили на периферии научных исследований с 1738 года, когда их сформулировал швейцарский ученый-энциклопедист Даниил Бернулли. Целое столетие они оставались в тени теории теплорода. Во многих отношениях идея Бернулли опережала свое время, и даже он считал ее второстепенной — вероятно, потому что самого его больше интересовала кровь, чем теплота.

Бернулли жил в эпоху, когда ученые работали по воле монархов. В возрасте 25 лет он получил от российской императрицы Екатерины I приглашение занять должность профессора математики в Санкт-Петербургском университете. Там Бернулли, который также изучал медицину, заинтересовался тем, как кровь течет по телу. Он заметил, что если ввести кончик тонкой стеклянной трубки в артерию на руке пациента, то кровь в трубке поднимется на несколько дюймов. Измерив эту высоту, Бернулли вычислил кровяное давление пациента. (Такой метод измерения кровяного давления широко применялся до 1890-х годов.)

Но Бернулли был энциклопедистом — врачом, математиком, физиком, — и решил лучше изучить это явление с помощью серии опытов. Он смоделировал происходящее в руках пациента, прокачивая воду по узкой трубе, в которой проделал небольшое отверстие. Затем он вставил в отверстие соломинку. Как и кровь из человеческой руки, вода в соломинке поднялась на определенную высоту, показывая давление воды, текущей по трубе. Бернулли удивило, что вода в соломинке поднималась на тем меньшую высоту, чем быстрее она текла в основной трубе. Чем быстрее текла вода по трубе, тем ниже становилось давление. Заинтригованный, Бернулли стал искать объяснение в математике.

В частности, он обратил внимание на один аспект физического мира, который можно было описать математическим языком того времени, а именно, на механику движения таких твердых тел, как пушечные ядра и бильярдные шары, то есть на так называемые законы механики. Сформулированные Исааком Ньютоном в 1680-х годах, они стали хорошо освоенным научным инструментом ко времени работы Бернулли в 1730-х.