Холодильник Эйнштейна

Два года спустя, летом 1905-го, у Больцмана настал последний счастливый период в жизни, и он принял приглашение прочесть лекции в новых университетах Беркли и Стэнфорд в Калифорнии. В своих путевых заметках, озаглавленных “Путешествие одного немецкого профессора в Эльдорадо”, он написал о любви к новизне и энергии Америки и отметил: “Всякий раз, когда я вхожу в гавань Нью-Йорка, меня охватывает восторг”.

Из Нью-Йорка Больцман за четыре дня доехал на поезде до расположенного на западе страны Беркли. Его восхитило, как богачи, включая железнодорожного магната Леланда Стэнфорда и Фиби Хёрст — жену миллионера, владевшего горнодобывающей компанией, и мать Уильяма Рэндольфа Хёрста, который стал прототипом главного героя фильма “Гражданин Кейн”, — вкладывали деньги в научные институты.

У Больцмана возникло лишь две претензии к Америке. Первая была связана с едой. Остановившись на роскошной асьенде Фиби Хёрст, он был поражен, когда ему подали овсянку — “неописуемую размазню из овсяной муки, которой разве что гусей кормить, да и то с натяжкой, ведь ни один венский гусь такое есть не станет”. Вторая проблема оказалась серьезнее: дело в том, что обширные области страны, включая Беркли, пребывали под контролем обществ трезвости. Отсутствие алкоголя, по словам Больцмана, вызывало у него ужасное расстройство желудка.

По возвращении домой Больцман пребывал в прекрасном расположении духа. “Калифорния прекрасна, гора Шаста великолепна, Йеллоустонский парк чудесен, — записал он в дневнике, — но пока лучшим моментом путешествия для меня стало возвращение домой”.

И все же через несколько месяцев депрессивные силы, которые всегда жили в психике Больцмана, снова заявили о себе. Вена его не радовала. Возвращение домой, казалось, обострило его противоречия со сторонниками энергетизма. Одна студентка Венского университета, великий физик Лиза Мейтнер, которая в 1930-х годах сыграет ключевую роль в открытии ядерного деления, вспоминала, что Больцман интересно и увлеченно читал лекции, но с трудом мирился с нападками на свои идеи. Даже почти пятьдесят лет спустя лекция Больцмана была свежа в ее памяти:

Лекция была весьма впечатляющей. <…> Больцман говорил без запинок <…> и рассказывал, с какими трудностями и противодействием столкнулся из-за своей уверенности в существовании атомов.

В сентябре 1906 года Больцман с женой и дочерью на несколько дней приехал в отпуск в итальянский прибрежный город Дуино, расположенный неподалеку от Триеста на северо-востоке Италии. Однажды его жена и дочь ушли на пляж купаться и оставили Больцмана одного. Вернувшись с пляжа, дочь Больцмана нашла отца повешенным.

Глава 13

Кванты

Я готов был пожертвовать любым из своих прошлых убеждений, касающихся физики.

Макс Планк

В 1900 году Макс Планк, который почти два десятка лет критиковал работы Больцмана, опубликовал статьи, намекавшие на перемену его взглядов. Более того, теперь он, похоже, утверждал, что статистические методы Больцмана применимы не только в термодинамике, и это было особенно неожиданно.

Вынужденная перемена взглядов была вызвана появлением новой технологии — электрической лампочки. В лампочках электрический ток проходит по нити накаливания, нагревает ее и заставляет светиться. Этот феномен подтолкнул ученых к изучению тонкостей взаимодействия теплоты и света.

Существуют три способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и излучение. Все их можно наблюдать на большинстве кухонь.

Принцип теплопроводности при передаче теплоты реализуют электрические конфорки. Вся нагретая поверхность конфорки пребывает в контакте с нижней частью кастрюли, и теплота передается от одного тела к другому. Кинетическая теория объясняет это следующим образом: чем выше становится температура конфорки, тем быстрее колеблются молекулы, из которых она состоит. Они касаются молекул кастрюли и сотрясают их. Вскоре все молекулы кастрюли начинают колебаться сильнее, чем раньше, и это проявляется в повышении температуры кастрюли.

Передача теплоты через конвекцию происходит в духовках. Нагревательные элементы в стенке духовки заставляют соседние молекулы воздуха двигаться быстрее. Затем эти молекулы сталкиваются с теми, что находятся в глубине духовки, и увеличивают их скорость. Вскоре температура всей духовки возрастает.

Третий способ передачи теплоты — излучение — связан со светом. Включите гриль, и нагревательный элемент покраснеет, когда его температура возрастет. Кроме видимого красного света, он также излучает инфракрасный свет, который и ощущается горячим. Когда этот свет сталкивается с телом — скажем, с колбасками на гриле, — он заставляет молекулы тела колебаться, в результате чего температура тела повышается.

Понимание учеными теплового излучения сильно продвинулось в 1860-е годы благодаря Джеймсу Клерку Максвеллу, который опубликовал систему математических уравнений, описывающих “электромагнетизм”.