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

В этих статьях Томсон размышлял над решениями уравнения о переносе тепладля отрицательного времени. Он понимал, что хотя распределение температур в теле с течением времени становится все более однородным (о чем говорил и сам Фурье), но если проанализировать то же самое распределение в обратном временном направлении, можно прийти к решениям, лишенным смысла, особенно если эти решения вычисляются для очень большого отрицательного времени. Другими словами, любое распределение температуры, наблюдаемое в данный момент, может иметь в качестве начального распределения только такое, при котором разница во времени между обоими распределениями конечна. Эти результаты Томсон использовал и в последующие годы: как мы увидим в главе 5, они легли в основу полемики о возрасте Земли, в которой он участвовал.

До этих статей, в феврале 1842 года, Томсон опубликовал еще один доклад, озаглавленный «0 равномерном тепловом движении в твердых однородных телах и его связи с математической теорией электричества», который стал его первой работой в области электромагнетизма. Статья была подготовлена в течение месяцев, предшествовавших приезду Томсона в Кембридж, и в ней молодой ученый провел важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока, с одной стороны, и между изотермическими и эквипотенциальными поверхностями - с другой.

На эту работу его вдохновили два великих физика. Первым был Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806), изобретший в 1777 году прибор для измерения силы, с которой два электрических заряда воздействуют друг на друга. Этот французский физик и инженер исследовал, как сила взаимодействия зависит от расстояния между зарядами, и в 1785 году сформулировал то, что сегодня известно как закон Кулона, устанавливающий, что взаимодействие между двумя электрическими зарядами прямо пропорционально произведению этих зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния, которое их разделяет.

Вторым физиком был британец Майкл Фарадей ( 17911867), считающийся основателем электромагнетизма и электрохимии. Его главный вклад в науку состоял в открытии электромагнитной индукции. Томсона заинтересовало понятие, введенное Фарадеем для того, чтобы наглядно представить силу, возникающую между электрическими зарядами, - силовые линии, с помощью которых можно описать то, что сегодня известно как электрическое поле.

Уильям заметил, что методы, разработанные Фурье для описания переноса тепла в твердых телах, могут применяться к взаимодействию зарядов, если только правильно определить задействованные в этом величины. В какой-то степени будущий лорд Кельвин смог понять, что распространение тепла в твердом теле понятийно близко тому, как электрическая сила течет через пространство, разделяющее заряды. В результате его расчетов фарадеевы силовые линии выглядели вполне естественно. В то время как закон Кулона позволял только подходить к простым проблемам, касавшимся точечных разрядов, применение Томсоном теории тепла Фурье помогало решать проблемы с распределением заряда более сложной геометрии.

Отец Томсона хотел, чтобы его сын занял кафедру натуральной философии в Глазго. В конце 1843 года возглавлявшему ее профессору Мейклхему было уже более 70 лет, но Уильяму оставался еще один год учебы в Кембридже. Джеймс Томсон призывал сына ускорить обучение, поскольку состояние здоровья Мейклхема было таким, что он мог оставить должность в любой момент.

С другой стороны, в Университете Глазго существовало некоторое предубеждение против выпускников Кембриджа, которых считали теоретиками, ничего не понимающими в экспериментальной практике. В связи с этим Джеймс посоветовал сыну приобрести необходимый опыт в химической лаборатории, а также в очередной раз напомнил ему, что Уильям должен взрослеть и придерживаться соответствующего поведения:

«Ты должен сформировать свой характер в целом и в научном смысле, чтобы ректор, декан и остальные выборщики, с которыми я обычно взаимодействую, имели основание поддержать тебя, что, с учетом твоей молодости, представляет некоторые сложности».

Однако Уильям видел свое ближайшее будущее другим: он хотел заниматься чистой наукой - например, провести некоторое время во Франции, изучая работы исследователей, которые так сильно повлияли на его видение физики.

Майкл Фарадей — английский исследователь, который сделал основополагающий вклад в развитие электромагнетизма и электрохимии. Он родился в Ньюингтон-Батсе (Англия) 22 сентября 1791 года и был третьим из четырех детей кузнеца Джеймса Фарадея.

Как и его братья, Майкл смог получить только базовое школьное образование, однако в 1812 году он посещал лекции английского химика Гемфри Дэви, после чего составил толстую книгу заметок и идей, которую отправил знаменитому лектору. Тот сразу же предложил Фарадею должность своего секретаря. Через некоторое время Дэви предоставил юноше место химика-ассистента в лондонском Королевском институте. В 1824 году Фарадей был избран членом Королевского общества. В 1833 году его наставник, филантроп Джон Фуллер, создал кафедру Фуллера в Королевском институте, и Фарадей был ее первым членом, оставаясь на этой должности до конца дней. В 1838 году он был избран членом Академии наук Швеции, а в 1844 году-Франции. В области химии Фарадей разработал степени окисления, являющиеся базовыми в химической формулировке, открыл бензол и одним из первых начал использовать такие термины, как анод, катод, электрод и ион.

Портрет Фарадея кисти Томаса Филлипса, 1842 год.

Основные работы ученого проведены в области электромагнетизма, особенно выделяется открытие электромагнитной индукции на основе ряда экспериментов, начатых в 1831 году. Согласно этому физическому явлению, когда проводник в состоянии покоя находится в переменном магнитном поле, появляется ток, который течет по этому проводнику; то же самое происходит, когда, наоборот, проводник движется в статичном магнитном поле. Несмотря на скудное математическое образование, Фарадей был способен догадаться о понятии, сегодня известном как электрическое поле. Он наглядно представил действие силы, которая наблюдается между электрическими зарядами, с помощью так называемых силовых линий, позволяющих показать изменение пространства под воздействием электрического заряда (на рисунках показаны различные отношения между линиями электрического поля). Многие считают Фарадея лучшим экспериментатором в истории. В его честь единица измерения электрической емкости в Международной системе единиц называется «фарад».