Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

Намеки на понимание сохранения энергии, как это было с импульсом, появились в 1840 году. Но в отличие от импульса, который был сравнительно быстро принят и осознан, энергия все еще оставалась тайной. Стало понятно, что энергия может быть потенциальной или кинетической и одна «трансформируется» в другую; таким образом, принцип сохранения в этом конкретном случае казался бесспорным. На самом же деле эти рассуждения были далеки от полного понимания. Самой большой частью загадки, которая все еще ждала объяснений, было тепло.

Системы, такие как объекты, катящиеся по наклонным плоскостям, и качающиеся маятники (теперь, я уверен, они должны быть вашими любимчиками), были хорошо описаны теорией механики, изложенной в «Началах» Ньютона. Этот тип физических проблем когда-то был решен при помощи геометрии (что сделал Галилео), а теперь описан несколько более абстрактными, но намного более компактными и эффективными уравнениями аналитической геометрии (что сделал Декарт) и дифференциальным и интегральным исчислением (что сделали Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга).

Эти новые математические инструменты с блеском позволили решить проблемы механики. Отношения между фактическими физическими величинами (такими как сила и импульс) и математикой, описывающей их, были надежно доказаны и сопровождались экспериментальной частью; таким образом, можно было записать математические уравнения, описывающие физическую систему, и затем проверить эту теорию в лаборатории. Действительно, физика механики была огромным успехом. Но где в эту замечательную новую структуру вписывалось тепло и было ли для него вообще место в ней?

К концу XVIII века тепло наряду с родственными ему явлениями — светом, магнетизмом и электричеством — считали невесомой жидкостью. Эти невесомые жидкости отделяли от «обычной материи» (понятой только слегка лучше), из которой состоят предметы повседневного пользования, из-за отсутствия у них определенной структуры. Их считали своего рода жидкостью, способной течь подобно воде, что позволяло им свободно перемещаться сквозь предполагаемое пространство, которое должно было существовать в обычной материи, — перемещаться, как, например, солнечный свет проходит через стакан или окно или как тепло сквозь кофейную чашку доходит до вашей руки.

Само собой разумеется, теории XVIII века, описывающие физические явления, носили качественный характер, когда дело касалось электричества, света, тепла и т. д. Это резко контрастировало с физическими проблемами механики, описанными изящной математикой.

Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) предположил, что тепло — это жидкость, состоящая из частиц, а Антуан Лавуазье (1743–1794) считал эти частицы «теплородом». В то время как частицы, составляющие обычную материю, считались соединенными друг с другом, частицы теплорода, как тогда полагали, отталкивали одна другую[29].

То, что частицы обычной материи были соединены друг с другом, казалось, согласовывалось с результатами эксперимента: охлаждение газа приводит к тому, что частицы, перемещающиеся относительно друг друга, формируют жидкую структуру, и последующее охлаждение приводит к тому, что они становятся еще более тесно прилегающими друг к другу, при заморозке формируя твердую структуру. Нагревание же вещества означало, что вы добавляете в него тепловые частицы, и, так как частицы теплорода отталкиваются друг от друга, силы притяжения между частицами обычной материи ослабевают. Следовательно, добавьте достаточно тепла к твердому веществу (такому как лед), и он растает; добавьте еще больше, и он вскипит. Теплород, казалось, имел смысл, когда речь шла о смене агрегатных состояний вещества.

В 1789 году Лавуазье издал «Элементарный курс химии», в котором он описывает тридцать три элемента. Список начинается с теплорода (ну с чего же еще) и продолжается светом, кислородом, азотом и водородом. Лавуазье также рассматривает свои исследования и их результаты в аспекте множества химических реакций. В частности, он отмечает, что в химических реакциях, как он выяснил, масса исходных материалов (реагентов) равняется массе конечных продуктов (продуктов).

Другими словами, независимо от протекающей химической реакции общая масса всех задействованных материалов сохраняется на всем протяжении реакции. На самом деле Лавуазье смог доказать это, просто «взвесив» реагенты и продукты с очень точными весами, которые он сам и создал. Он приходит к заключению, что в целом это фундаментальное свойство всех элементов и, так как тепло входило в его список элементов, оно также должно сохраняться.