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

Наука. Величайшие теории Выпуск № 31, 2015 Еженедельное издание

ISSN 2409-0069

Наука. Величайшие теории: выпуск 31: Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика.

Пер. с исп. - М.: Де Агостини, 2015. - 160 с.

© Antonio М. Lallena Rojo, 2013 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2013

© ООО «де Агостини», 2014-2015

В газете The Evening News — городском издании Сан-Хосе (Калифорния) — 16 июля 1901 года была опубликована новость, озаглавленная «Нехватка кислорода». Говорилось в ней следующее: «На недавней лекции лорд Кельвин выразил свою тревогу по поводу растраты кислорода, вызванной современными промышленными процессами. Он предположил, что если положение дел не изменится, то примерно через 500 лет количество этого газа, оставшееся на Земле, будет недостаточным для поддержания жизни. [...] В соответствии с расчетами лорда Кельвина, при сохранении современных тенденций кислорода и топлива хватит примерно до 2400 года. Следовательно, если к этому времени человеческий род не вымрет из-за отсутствия топлива, то вполне возможно, что он погибнет от удушья».

Лордом Кельвином был Уильям Томсон, профессор кафедры натурфилософии в Университете Глазго. Его современников довольно сильно поразила мысль о гипотетической нехватке кислорода, с которой человечество может столкнуться. Однако предсказание лорда Кельвина, совершенно справедливое в части истощения запасов углеводородов, не было таковым для кислорода. Ученый считал единственным источником необходимого для жизни газа фотосинтез, но он не знал подробностей этого процесса и в целом не был знаком с циклом выработки кислорода, так что его прогноз оказался ошибочным. И это не единственный случай, когда лорд Кельвин ошибался. Но что же роднит все его прогнозы? Это, без сомнений, стойкое желание ученого применять законы физики к любым научным и техническим проблемам. Независимо от правоты лорда Кельвина, его стремление формулировать задачи и подходить к их решению с физико-математической точки зрения превратило ученого в значительную фигуру в современной ему науке. Он был одним из наиболее выдающихся физиков в истории, хотя многое в его деятельности действительно довольно спорно.

Жизнь лорда Кельвина протекала в викторианскую эпоху. Современник королевы Виктории (1819-1901) - ученый был на пять лет ее моложе и пережил ее почти на семь лет - был свидетелем и участником бесчисленного количества фактов, примечательных для науки в целом и для физики в частности. Как физик-математик и инженер, он решительно повлиял на развитие механистической картины мира, преобладавшей в течение XIX века, и был свидетелем ее блеска. Ученый сосредоточил свои усилия на применении этой модели к различным областям физики, особенно к термодинамике и электромагнетизму. Некоторые его работы в этой области были основополагающими, поскольку давали ответ на главные вопросы термодинамики, а также помогли другим уточнить и довести до совершенства свои теории, как в случае с Максвеллом и его уравнениями электромагнитного поля.

Участие лорда Кельвина в создании механических моделей можно оценить по одной из его знаменитых Балтиморских лекций, прочитанной в 1884 году. Томсон говорил: «Моя цель - показать, как создать механическую модель, которая отвечала бы условиям, необходимым для физических явлений, которые мы рассматриваем - какими бы они ни были. Когда мы рассматриваем упругость твердых тел, я хочу иметь модель этого. Если мы рассмотрим колебания света, я захочу смоделировать, что именно происходит при этом. Мы хотим понять все о явлении, но понимаем только часть. Мне кажется, что для того чтобы проверить, понимаем ли мы каждое физическое явление, нужно ответить на вопрос: можем ли мы создать его механическую модель? [...] Я никогда не чувствую себя удовлетворенным, если не могу себе представить механической модели изучаемого явления. Если я могу представить себе такую модель - значит, понимаю вопрос, если не могу - значит, я не понимаю его...»

К концу жизни Томсон, несколько ошеломленный, наблюдал, как его подход переживает кризис и разваливается: в эти годы наука как раз избавлялась от понятия эфира как среды для переноса света, тепла и других форм энергии. И понимание этого позволяет пролить свет на некоторые комментарии ученого в то время. Например, в дискуссии, которая началась в 1896 году, на торжествах по случаю юбилея его работы в Университете Глазго, лорд Кельвин утверждал: «Только одно слово характеризует упорные усилия, которые я настойчиво прилагал в течение 50 лет, чтобы способствовать развитию научного знания, и это слово — провал». Однако это утверждение не отвечает высокомерию, с которым Томсон, например, вел громкую полемику с геологами и биологами-дарвинистами относительно возраста Земли.

В 1900 году он прочел лекцию под названием «Облака XIX века над динамической теорией тепла и света». В ней лорд Кельвин говорил о двух проблемах, требовавших решения: «Красота и ясность динамической теории, которая устанавливает, что тепло и свет - это способы движения, сейчас затуманены двумя облаками. Первое родилось с волновой теорией света, и им занимались Френель и доктор Томас Юнг; оно подразумевает вопрос: как Земля может двигаться через упругое тело, каковым, по сути, является эфир? Второе - это доктрина Максвелла — Больцмана относительно распределения энергии».

Первый вопрос касается уже упомянутого отказа от эфира как категории, необходимой для объяснения движения света. Вторая проблема сосредотачивается на так называемом излучении черного тела. Два этих вопроса — далеко не второстепенные неудобные мелочи; оба этих «облака» стали отправной точкой для двух теорий, которые произвели революцию в физике начала ХХ века: речь идет о теории относительности и квантовой теории. «Думаю, что скоро мы узнаем о великих откровениях», - написал лорд Кельвин одному из своих коллег за несколько месяцев до смерти.

Одержимость устаревшим механицизмом была не единственной ошибкой лорда Кельвина, выступавшего также против электромагнитной теории Максвелла, радиоактивности и других открытий, произошедших после 1865 года. Его поведение в течение последней трети жизни напоминало поведение маньяка, не желающего принимать ни одно научное новшество, относительно которого он имел сомнения, предубеждения или которое просто не укладывалось в рамки привычных для него теорий. На самом деле сегодня лорд Кельвин представлен в физике довольно скудно: о нем напоминают лишь абсолютная температурная шкала (шкала Кельвина) и единица измерения (кельвин). Любопытно, что эти понятия начали использоваться только в 1954 году, спустя долгое время после смерти ученого.