Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной - Джонджо МакФадден

Идея Румфорда о том, что теплота является формой движения, оставалась гениальной догадкой, пока через 50 лет после опытов с пушкой, в июне 1845 года, английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) не повторил тот же эксперимент, обеспечив большую точность измерений. Это позволило Джоулю доказать, что теплота пропорциональна кинетической энергии[319], то есть энергии, которую, согласно Ньютону, приобретает движущееся тело. Спустя еще 25 лет, примерно в 1870 году, двое ученых, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) и австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906), независимо друг от друга соединили кинетическую теорию тепла и законы термодинамики Карно с атомистической теорией строения вещества и создали статистическую механику, или современную термодинамику. Оба ученых утверждали, что температура является мерой средней кинетической энергии движущихся атомов, или «корпускул» в терминологии Бойля, который считал, что в вихревом движении «каждая корпускула будет стремиться отогнать остальные». При нагревании тела атомы движутся быстрее, их кинетическая энергия увеличивается, а температура повышается. При остывании атомы движутся медленнее, соответственно, уменьшается кинетическая энергия, и понижается температура. Температура и движение превратились в две стороны одной медали, благодаря чему стало возможным свести в одно два параметра, прежде считавшиеся независимыми друг от друга – теплоту и движение. Теплород стал еще одной сущностью, в которой нет необходимости, а простые законы Ньютона через термодинамику сошли с небес на землю и объединили движение небесных тел, яблок, пушечных ядер и атомов.

ПРИНЦИП ПРОСТОТЫ НА ПРАКТИКЕ

Давайте вернемся к вакуумному насосу, который использовали Бойль и Гук во время демонстрации опытов перед «Невидимой коллегией» (рис. 19). Помните, каково было изумление зрителей, когда они увидели, как груз весом 100 фунтов сам по себе поднимается в камере, из которой выкачали воздух? Вам это ничего не напоминает? Например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания, от которого работает ваш автомобиль, если, конечно, вы еще не пересели на электромобиль.

Обнаруженная Бойлем способность вакуума поднимать тяжелые грузы побудила ученых, изобретателей и инженеров искать пути практического применения этой движущей силы. В 1679 году француз Дени Папен (1647–1714) предложил использовать конденсацию пара для создания вакуума, приводящего в движение поршень в цилиндре вакуумного насоса. Так был изобретен однотактный двигатель. В 1698 году английский военный инженер Томас Севери (1650–1715) получил патент на изобретение водяного насоса, работающего за счет конденсации пара в цилиндре. Десятилетие спустя Томас Ньюкомен (1663–1729), кузнец и механик из Дартмута, который к тому же был проповедником в местной баптистской общине, сконструировал аналогичный насос и назвал его «друг шахтера» (англ. Miner’s Friend), поскольку насос предназначался для откачивания воды из шахт во избежание наводнения. Угольная промышленность в ту пору еще только зарождалась, при этом проблема затопления шахт стояла остро.

Насос Ньюкомена представлял собой атмосферный двигатель, в котором поршень двигался под действием атмосферного давления, по принципу насоса Бойля. В 1774 году шотландский изобретатель, инженер-механик и химик Джеймс Уатт (1736–1819) усовершенствовал конструкцию Ньюкомена, разделив паровой котел и рабочий цилиндр, что значительно повысило энергоэффективность машины. Кроме того, он предложил, изолировав цилиндр с обоих концов, для обеспечения движения поршня использовать расширяющийся за счет нагревания пар путем подачи его через золотник то с одной, то с другой стороны поршня, а конденсирующийся за счет охлаждения отработанный пар собирать в соединенном с цилиндром конденсаторе. Так Джеймс Уатт изобрел паровую машину двойного действия.

Рис. 21. Пароатмосферная машина Ньюкомена

Первые паровые двигатели использовались в основном как насосы, однако Уатт преобразовал качательное движение балансира в непрерывное вращение махового колеса, создаваемое набором шестерен. Это новшество быстро подхватили владельцы британских мануфактур, к примеру крупный текстильный промышленник Ричард Аркрайт. Вскоре текстильная промышленность перешла с водяного двигателя на паровой гипердвигатель. Горный инженер из Корнуолла Ричард Тревитик (1771–1833) сумел уменьшить размеры паровых агрегатов при сохранении их мощности и придумал использовать малогабаритный переносной паровой двигатель для экипажей. Так появилась первая самодвижущаяся паровая повозка, получившая название «пыхтящий дьявол». В канун Рождества 1801 года шесть человек стали пассажирами «пыхтящего дьявола», на котором они прокатились по главной улице Фор-стрит городка Кэмборн, а затем доехали и до соседней деревни Бикон. Промышленная революция была в разгаре.

Дальнейшим усовершенствованием паровой машины Тревитика занимались Джордж Стефенсон (1781–1848) и его сын Роберт (1803–1859), которые считаются создателями первых паровозов, ставших настоящим «локомотивом» промышленной революции. Благодаря новым машинам произошел небывалый подъем промышленного производства. В одной только Великобритании ежегодная добыча угля возросла с 20 миллионов тонн в 1820 году почти до 300 миллионов тонн в начале следующего столетия. Аналогичная картина наблюдалась и в сельском хозяйстве: после нескольких веков застоя благодаря механизации урожайность стремительно выросла. Промышленная революция показала, что развитие и рост производительности напрямую связаны с научно-техническим прогрессом[320]. Безусловно, как и в эпоху Возрождения или Реформации, переход экономики на новые рельсы был обусловлен целым рядом причин: развитием капитализма и империализма, неограниченным доступом к угольным ресурсам, дешевой рабочей силой, возможностью импортировать иностранные технологии даже из таких далеких стран, как Китай, расширением рынков сбыта и перспективами быстрого обогащения за счет работорговли. Однако при этом немаловажную роль играло внедрение изобретений, главным образом таких, как разные виды паровых двигателей и машин, причем увеличение эффективности производства стало возможным благодаря использованию моделей, созданных на основе чертежей и расчетов, подтверждавших простые законы, открытые Бойлем, Ньютоном, Карно или Больцманом.

Теоретические знания находят подтверждение в моделях. Модель воспроизводит устройство и принцип работы машины на языке геометрии и математики. Модели могут быть довольно простыми, как схема паровой машины Ньюкомена 1712 года, наглядно демонстрирующая, как «давление воздуха» по Бойлю приводит в движение поршень насоса. Все их объединяет одна особенность, определяющая их полезность: единичные улучшения по принципу положительной обратной связи способствуют существенному росту эффективности в целом. Однако без бритвы Оккама модели бесполезны.

Представьте себе, что вы решили сконструировать паровую машину, используя модель, созданную на основе учения Мора, в котором вездесущий «знающий дух» действует от имени Бога. Что бы вы стали делать, чтобы усовершенствовать ее? Обратились бы за помощью к «знающему духу»? Когда вы поймете, что это бесполезно, вам не останется ничего другого, кроме как пойти медленным, но проверенным путем проб и ошибок, благодаря которому появлялось все новое на нашей планете, включая саму жизнь. Однако все изменилось, когда ученые и изобретатели начали использовать модели, подтверждающие теории и законы, то есть те модели, которые, по словам Бойля, «должны быть максимально простыми, по крайней мере, в них не должно быть ничего хоть сколько-нибудь избыточного». Имея в своем распоряжении модели, в которых бритва отсекла все лишнее, ученые могли прогнозировать изменения, способные повысить эффективность. В том случае, если прогноз подтверждался,