Antonio Rojo - Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

Проект учебника по натуральной философии похвален, но он чрезвычайно скучен. В то же время я надеюсь, что он сможет предложить Вам идеи для более ценных работ. Написать такую книгу - значит лучше понять пробелы, которые еще остались в науке.

Герман фон Гельмгольц, письмо Томсону, 1862 год

Однако Тэт во время этой работы столкнулся с гораздо большим количеством трудностей, чем представлял вначале.

Томсон, занятый тысячью вопросов, очень редко подключался к работе, из-за чего Тэт испытывал постоянное разочарование.

« Давай разделим работу и возьмемся за нее. В среднем три или четыре (или даже меньше) часов в день приведут нас к книге через шесть недель », — писал Тэт в 1861 году. « Я сейчас пошлю тебе просмотренные заголовки, чтобы ты смог оценить, соответствуют ли они твоим представлениям, которые, признаюсь, я не смог четко понять из твоих записей »,— таким было другое его сообщение, датированное началом 1862 года. « Я бы хотел, чтобы ты вернул мой набросок главы о свойствах материи с твоими исправлениями и прочим, и как только она будет готова, я перепишу ее тщательно и полно », — торопил он коллегу, когда спустя некоторое время от Томсона по-прежнему не было никаких новостей. В июне 1864 году терпение Тэта начинало иссякать:

«Мне бы хотелось, чтобы ты продвигался вперед. Эта большая книга очень беспокоит меня. ( ...] Если ты посылаешь мне только фрагменты, да и то редко, что я могу сделать? Ты мне даже не присылал и намека на то, что ты хочешь сделать в нашей главе о статике жидкостей и газов! Сейчас все очень плачевно; сообщаю тебе, что ты сделал в два раза больше зимой, чем делаешь сейчас. Я послал тебе кучу бумаг на просмотр уже десять дней назад, но от тебя никаких новостей на этот счет. Ты предложил несколько абсурдных задач, которые я не стал утруждаться решать».

Тэт безуспешно, год за годом, пытался получить первый вариант книги для слушателей курса, который он начинал читать. Скажем лишь, что он не единственный потерпел поражение в подобных обстоятельствах. Его друг Стокс как-то обратился к Томсону со словами: « ты ужасный друг, и тебе следовало бы сделать строгий выговор. Том -«Философских трудов» должен был выйти 30 ноября, а там уже месяц твоя незаконченная статья ». Томсона эти ситуации только забавляли — к еще большему раздражению коллег.

Хотя суть вопросов, затронутых в первом томе -«Трактата», относилась к сфере научных интересов Томсона, труд был издан в 1867 году благодаря исключительно стараниям и усилиям Тэта, и эта публикация имела довольно большой успех. Фон Гельмгольц лично позаботился о том, чтобы сразу после появления оригинальной английской версии был издан перевод на немецкий язык. Второй том был опубликован только в 1874 году: как и предсказывал фон Гельмгольц, рассмотрение некоторых тем, особенно касающихся упругости, требовало новых математических разработок, которые пока отсутствовали. Важность -«Трактата» высоко оценил Максвелл:

«За то, что разбилась монополия великих мастеров магии и их колдовство стало близко нашим ушам, как обычные слова, следует во многом благодарить Томсона и Тэта. Эти два северных мага первыми без горечи и страха произнесли на родном языке настоящие и подходящие названия динамических понятий, которые маги древности обычно обозначали с помощью произносимых шепотом символов и плохо выраженных уравнений».

Несмотря на отношение Томсона к «Трактату», порой граничащее с небрежностью, ученый всегда стремился дать понятиям формальное определение и структурировать их в стройную систему.

Предисловие к первому тому «Трактата» Томсона и Тэта возглавляет цитата из Фурье: «Первичные причины нам неизвестны, но они подчиняются простым и постоянным законам, которые могут быть описаны с помощью наблюдения и изучение которых является предметом натуральной философии». И далее авторы пишут:

Термин «натуральная философия» был применен Ньютоном и до сих пор используется в британских университетах для обозначения исследований законов материального мира и вывода данных о его свойствах, непосредственно не наблюдаемых. [ ...] Наша цель двоякая: дать достаточно точное изложение того, что теперь известно в области натуральной философии, на языке, понятном читателю-нематематику, и снабдить тех, кто имеет преимущество во владении высшей математикой, связанным очерком тех аналитических методов, которыми большая часть этих знаний продолжена на еще не исследованные опытом области. [ ...] Цель, которую мы постоянно имели в виду, состоит в применении великого принципа сохранения энергии. Согласно современным опытным данным, в особенности данным Джоуля, энергия столь же реальна и неразрушима, как и вещество. [ ...] В нашей вводной главе о кинематике рассмотрение гармонического движения естественно приводит к теореме Фурье — одному из наиболее важных и полезных для физики выводов математического анализа. [...] Во второй главе мы приводим законы движения Ньютона, выраженные его собственными словами с некоторыми его пояснениями, ибо каждая попытка превзойти их до сих пор оканчивалась полной неудачей. Никогда, наверное, ничто столь простое ив то же время всеобъемлющее не приводилось как основа системы ни в одной другой науке. [ ...] В третьей главе «Опыт» кратко изложены наблюдения и эксперимент как основа натуральной философии.

Обложка издания «Трактата о натуральной философии» 1879 года.

Томсон и Тэт объявили, что во второй том будет включено рассмотрение кинетической динамики и, возможно, часть, посвященная свойствам материи; они даже говорили о двух дополнительных томах, которые так и не появились. Второй том увидел свет в 1874 году.

Капельный конденсатор был изобретен Томсоном в 1867 году. Принцип его работы очень прост. В устройстве имеются два похожих элемента, расположенных как показано на рисунке. Как видно, каждый из них состоит из металлической емкости, в которой собирается вода, падающая из резервуара через капельницу, пронизывающую металлическую крышку. Эта крышка и емкость находятся на некотором расстоянии друг от друга. Оба элемента располагаются так, чтобы они были соединены электрически и емкость одного была подсоединена к крышке другого, и наоборот. В воде содержится много ионов, и можно предполагать, что одна ее капля может нести с собой некоторое количество заряда (положительного или отрицательного). Предположим, что в емкости А изначально минимальное количество отрицательного заряда. Этот заряд передастся крышке В так, что капли, падающие через них, будут предпочтительно нести положительные ионы, которые будут притягиваться к этой капельнице отрицательным зарядом крышки В. Когда капля упадет в емкость В, она увеличит ее положительный заряд, который передастся крышке А. Эта крышка будет пропускать капли воды с отрицательными ионами, которые, упав в емкость А, увеличат ее отрицательный заряд. Очевидно, что когда будет достигнуто заданное количество заряда, могут появляться нежелательные явления. Например, между емкостями может образоваться вольтова дуга. Также падающие капли могут начать отталкиваться самой емкостью (если они имеют одноименный заряд). Может получиться и так, что капли будут в достаточной степени притягиваться самими крышками (имеющими заряд с противоположным знаком) и уменьшать их заряд.