Остров знаний

Объяснив процесс горения, но все еще не поняв до конца природу тепла, Лавуазье предположил существование нового вещества – теплорода. Согласно его теории, передача тепла от горячего объекта к холодному осуществлялась в форме потока теплорода. Учитывая, что общая масса на входе и на выходе любой реакции остается неизменной, Лавуазье заключил, что теплород не имеет массы, а его общее количество в Природе является константой. За этой теорией последовало множество объяснений разнообразных явлений с участием тепла. Несмотря на кажущуюся логичность, все они были ложными. К примеру, горячий чай якобы остывает, потому что теплород, имеющий более высокую концентрацию в теплом воздухе, медленно оттекает из более теплых областей пространства в более холодные (то есть из горячей жидкости в более прохладный воздух вокруг чашки). Теплород был своего рода эфиром, способным двигаться, не имеющим веса, но удобным для объяснения многих природных явлений.

Первым человеком, поставившим под сомнение гипотезу о теплороде, был граф Румфорд, лоялист из Нью-Гемпшира, по биографии которого можно было бы снять неплохой эпический фильм. После отъезда из Соединенных Штатов он занимал множество должностей, и в том числе был специалистом по артиллерийским боеприпасам в Баварии. В его обязанности входило надзирать за тем, как создаются пушки. Когда в цилиндрической металлической заготовке огромным сверлом проделывалось дуло, для уменьшения жара от трения использовалась вода. Румфорд заметил, что в процессе сверления тепло никогда не оттекало от металла, а вода постоянно кипела. В 1798 году он записал: «Если изолированное тело или система тел может создавать нечто без ограничений, это нечто не является материальной субстанцией».[108] Далее он предположил, что тепло возникает не из-за потока теплорода, но из-за трения между сверлом и металлом. Итак, заключил он, тепло – это производная движения, а не вещество. Несмотря на то что научное сообщество не сразу приняло его идеи, эксперимент Румфорда посеял зерно сомнений. Возможно, тепло действительно было не веществом, а свойством вещества.

Второму и куда более опасному испытанию гипотеза о теплороде подверглась со стороны Джеймса Прескотта Джоуля, который в 1840-х годах провел серию детально проработанных экспериментов, чтобы определить, как механическая работа может приводить к повышению температуры. Джоуль опустил в бочку с водой вращающиеся лопасти, чтобы точно определить количество механической работы, необходимой для того, чтобы поднять температуру воды на 1 градус по Фаренгейту. С помощью полученных результатов он смог объяснить процесс сохранения и передачи энергии, ответственный за нагревание и охлаждение веществ. По мере того как лопасти заставляют воду двигаться, ее молекулы разгоняются и набирают скорость. Увеличение скорости ведет к повышению температуры, как и предполагал Уотерстоун. Джоуль был знаком с работами Джона Херэпэта и Джеймса Уотерстоуна о микроскопической теории газов, а его учителем был сам Джон Дальтон, главный приверженец атомистической теории, который еще в начале XIX века предположил, что химические реакции происходят в результате обмена атомами между веществами. Например, олово могло соединиться с одним или двумя атомами кислорода и массы полученных смесей отражали бы количество кислорода в каждой из них. Дальтон считал, что каждый элемент имеет собственные атомы, которые не распадаются в ходе химических реакций. Кроме того, атомы различных элементов могли связываться друг с другом, образуя комплексы, которые мы сегодня называем молекулами.