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

«Я думаю, что с трубкой в руках или работая с компрессором, ты должен двигаться вперед, используя все средства лаборатории Реньо. Ты должен увидеть, какие там есть инструменты, и составить их список, если сможешь. Кроме того, любое его свидетельство [...] по практическим вопросам очень тебе пригодится».

Томсон принимал участие в исследованиях, которые велись в лаборатории. Один из важных экспериментов был связан с определением плотности газов, в нем взвешивались два больших шара: один наполненный газом, другой - пустой. Уильям отвечал за работу вакуумного насоса. В другом эксперименте речь шла об определении скрытой теплоты системы, как называют в физике энергию, поглощаемую или высвобождаемую системой, когда она погружена в процесс, при котором не происходит никаких изменений температуры. Самый известный пример процессов этого типа - фазовый переход (таяние льда или превращение воды в пар при кипении). Работа Томсона заключалась в том, чтобы контролировать работу калориметра.

Уильям всегда вспоминал эти месяцы, проведеиные в Париже. Они превратили его из специалиста по математической физике в ученого, способного ценить эксперимент так же высоко, как и теорию. Через некоторое время, когда Томсон уже был профессором в Глазго, это новое видение науки заставляло его уделять особое внимание экспериментальному образованию студентов-физиков.

Но его интерес к математической физике не уменьшился. Уильям записал в своем дневнике 15 марта 1845 года:

«Я был занят весь день в физической лаборатории Реньо в Коллеж де Франс. В свободное время читал доклады Пуассона об электричестве, которые нашлись среди докладов института на полке у Реньо».

Хотя большинство великих математиков и физиков, которые вдохновили Томсона за несколько лет до этого, уже скончались, в Париже он встретился с некоторыми выдающимися учеными страны. Он познакомился, среди прочих, с физиком и астрономом Жан-Батистом Био, математиками Огюстеном Луи Коши, Мишелем Шалем и Жаком Шарлем Франсуа Штурмом, физиком Жаном Бернаром Леоном Фуко. Но самые близкие отношения у него сложились с Жозефом Лиувиллем, издателем «Журнала чистой и прикладной математики». Лиувилль работал в различных областях математики и также сделал значительный вклад в математическую физику. За те несколько месяцев, что Томсон жил в Париже, они стали очень большими друзьями и постоянно обсуждали физику и науку в целом.

Один из первых вопросов, которые Лиувилль поставил перед Томсоном, побудил последнего вновь вернуться к проблеме понятийных различий между законом Кулона и моделью силовых линий Фарадея. Издатель, как и другие его французские коллеги, не понимал, как можно объединить оба представления о взаимодействии электрических зарядов. Согласно закону Кулона, сила, возникающая между двумя зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, что предполагает взаимодействие по соединяющей их прямой линии. Для Фарадея взаимодействие между зарядами происходит по силовым линиям — кривым, наполняющим пространство вокруг себя.

Портрет Джеймса Томсона, отца Уильяма.

Уильям Томсон в возрасте 22 лет.

Немецкая гравюра 1873 года, посвященная Университету Глазго, где лорд Кельвин учился и занимал должность профессора.

Паровая машина лежала в основе промышленной революции, произошедшей в Англии в конце XVIII века, а затем и в остальных странах Западной Европы, а также США. Возможно, это период самых глубоких социальных, экономических, технологических и культурных изменений в истории. Важность паровой машины заключалась, без сомнения, в том, что она использовалась как в промышленности, так и на транспорте. Схема ее работы показана на рисунке 1 — она очень проста. Сначала с помощью любого топлива нагревается до кипения вода; затем пар проходит через поршень, который, используя давление пара, приводит в движение зубчатый механизм, производящий энергию, необходимую для работы любого механического устройства. Как только пар выполнил свою функцию, он выходит из устройства и охлаждается в конденсаторе, превращаясь в воду и возвращаясь в котел.

РИС 1

Первое механическое изобретение, основанное на свойствах пара, показано на рисунке 2. Этоэолипил, изобретенный Героном Александрийским в I веке. Он состоял из металлического шара, закрепленного на оси, позволяющей ему вращаться. К шару были подсоединены две кривые трубки, находящиеся друг напротив друга. После закипания воды в емкости пар выходил через трубки и заставлял шар вращаться. Османский ученый Такиюддин аш-Шами в 1551 году, испанский изобретатель Херонимо деАянс-и-Бомон в 1606 году и итальянский инженер и архитектор Джованни Бранка в 1629 году также разработали устройства, основанные на производстве пара. В 1690 году французский физик и математик Дени Папен был первым, кто приспособил к одному из этих аппаратов поршень, а в 1698 году английский изобретатель Томас Севери первым начал продажу насоса для выкачивания воды, работа которого также основывалась на свойствах пара. Британский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году, немецкий ученый Якоб Леупольд в 1720 году и английский инженер-строитель Джон Смитон в 1789 году способствовали значительному прогрессу, результатом которого стали работы шотландского математика и инженера Джеймса Ватта, сконструировавшего в 1763-1775 годах машину, которая произвела революцию в промышленности.

РИС 2

Франция — это, без сомнения, альма-матер моей научной молодости и источник восхищения красотой науки, которое влекло и вело меня в течение всей моей карьеры.

Уильям Томсон в речи, произнесенной в связи с вручением ему ордена Почетного легиона в 1881 году

Лиувилль попросил Томсона написать статью, проясняющую этот вопрос, и тот смог доказать, что между обоими представлениями об электрической силе нет противоречий. В случае с двумя взаимодействующими зарядами, как доказал Томсон, силовые линии располагаются симметрично вокруг прямой, соединяющей оба заряда, так что интенсивность силы, возникающей между ними, определяется законом Кулона. В случае взаимодействия с более сложной геометрией также нет никаких расхождений. С кулоновской точки зрения итоговое взаимодействие задано суммой взаимодействий между парами зарядов. Согласно Фарадею, каждый из этих отдельных зарядов производит помеху в пространстве, которая представлена силовыми линиями, так что сила, действующая на каждый заряд, связана с этой помехой.