Холодильник Эйнштейна

Полученные наконец результаты стали триумфом математики Максвелла и кинетической теории. Измерения показали, что в широком диапазоне показателей давления воздуха — от крайне низкого, соответствующего 15 мм ртутного столба, до высокого, равного 760 мм ртутного столба, — диски колебались с одинаковой скоростью. Вязкость воздуха оставалась неизменной при любом давлении.

Экспериментально доказав предположение, которое можно было сделать лишь на основании кинетической теории, Максвелл дал человечеству состоятельное объяснение природы теплоты и позволил понять, почему ощущаются тепло и холод. Благодаря кинетической теории теплоты мы можем представить, что происходит в окружающем мире на неразличимом глазом уровне: в частности, понять, что все вокруг состоит из крошечных частиц, пребывающих в постоянном движении, а ощущение тепла и холода определяется тем, как мы — на макроскопическом уровне — воспринимаем это движение.

Хотя сегодня Максвелл славится прежде всего своими трудами об электричестве и магнетизме, в 1860-х годах современники прекрасно знали о его статьях по кинетической теории. Когда не кто иной, как Майкл Фарадей, заметил Максвелла в толкучке после публичной лекции в Королевском институте, он сравнил людей в толпе со сталкивающимися друг с другом частицами газа, сказав: “Эй, Максвелл, никак не выйдете? Если кто-то и может найти дорогу в толпе, так это вы”.

И все же, несмотря на впечатляющее объяснение природы теплоты, кинетическая теория имела один серьезный недостаток. Она не объясняла, почему теплота самопроизвольно переходит от горячих тел к холодным. Это открытие стало одним из великих достижений науки начала XIX века и уже считалось универсальным законом природы, а именно вторым началом термодинамики. Но ничто из сказанного Максвеллом о кинетической теории не проливало свет на то, почему это так.

Несколько удивительно, что Максвелл не сопоставил факты и не расширил свой статистический анализ, чтобы объяснить второе начало термодинамики. В конце концов, он впервые применил статистику в физике и вместе с Кэтрин провел важнейший эксперимент, доказавший состоятельность такого подхода. Из его сочинений понятно, что интуиция подсказывала ему, что существует какая-то связь между вторым началом и статистикой[13]. Но его внимание переключилось с теории газов и термодинамики на электромагнетизм. Бо́льшую часть 1860-х годов он направлял свою интеллектуальную энергию на изучение этого предмета и наконец опубликовал прорывной математический анализ электромагнетизма в 1873 году. В своей статье Максвелл не только описал все электромагнитные явления, но и раскрыл истинную природу света, проложил дорогу к изобретению радио и вдохновил Эйнштейна на создание теории относительности.

Кроме того, в 1871 году Максвелл был назначен первым руководителем новой физической лаборатории Кембриджского университета — Кавендишской лаборатории. Отныне он посвятил себя преподаванию. В этой лаборатории следующие пять поколений ученых открыли электрон и нейтрон, расщепили атом и изучили строение ДНК. Максвелл с энтузиазмом взялся за организацию лаборатории: он руководил и постройкой здания, и формированием необходимого инструментария. Затем, к несчастью, его поразил рак брюшины, который ранее убил его мать. Максвелл умер в 1879 году в возрасте 48 лет. Кэтрин осталась в имении на юго-западе Шотландии, где прожила в безвестности еще семь лет, до самой своей смерти.

К началу 1860-х годов кинетическая теория получила широкое признание. Однако второе начало термодинамики было по-прежнему окутано тайной. Физики могли сказать, почему чашка чая кажется горячей, но были не в состоянии объяснить, почему она остывает, если предоставить ее самой себе.

Глава 10

Подсчет способов

Математика — это язык.

Джозайя Уиллард Гиббс

Стаккато первых аккордов “Героической” симфонии Бетховена напоминало артиллерийский обстрел — казалось, они рикошетом отлетают от стен зала Венской филармонии. Было лето 1866 года, и среди зрителей сидел 22-летний Людвиг Больцман. Ниже среднего ростом, бородатый, в очках, с копной кудрявых темных волос, он был аспирантом на кафедре физики Венского университета. Одаренный с детства пианист, Больцман видел, как Бетховен схватил западную классическую музыку за шкирку и потащил в совершенно новом направлении. Но тогда он еще не знал, что в последующие четыре десятилетия своей карьеры, напоминающие “Героическую” симфонию множеством перемен тональности и темпа, он сделает то же самое для физики.