Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

Если заменить во всем тексте слова «движущая сила» на «энергия», а в последней фразе — на «работа», то формулировка Карно целиком может быть помещена в современный учебник физики. Карно не только сформулировал здесь закон сохранения энергии, но впервые дал числовой коэффициент для пересчета тепла в работу и наоборот.Это был качественный скачок, переход на новый уровень знаний, значение которого нельзя переоценить. Дальше мы увидим, с каким трудом эти истины входили в сознание людей.

Насколько правильно С. Карно подсчитал тепловой эквивалент работы? Анри Пуанкаре в 1892 г. писал: «Можно ли яснее и точнее высказать закон сохранения энергии? Заметим также, что значение эквивалента, вычисленного Карно в 2,7 ккал на единицу работы, за которую он принимает 1000 кГм, соответствует 370 кГм/ккал, что недалеко от истины (427 кГм/ккал)…».

Однако открытие Карно осталось неизвестным его современникам; он не успел его опубликовать. В 1832 г. С. Карно умер, заболев холерой. Только в 1878 г. его брат опубликовал записки, в которых содержался цитированный отрывок, вместе со вторым изданием книги «О движущей силе огня».

Это открытие Карно не оказало влияния на дальнейшее развитие учения о сохранении энергии; главные события, связанные с его установлением, произошли раньше — в 40-е и 50-е годы XIX в. Тем не менее приоритет С. Карно не подлежит сомнению.

Однако как основоположник закона сохранения энергии в историю вошел (с полным правом на это) другой человек, по существу «шедший вторым» — немецкий врач Роберт Майер (1814-1878 гг.). Он впервые опубликовал свой расчет механического эквивалента тепла в 1842 г. (полученная им цифра — 365 кГм/ккал — была немного менее точна, чем у Карно).

Р. Майер, как и многие другие первооткрыватели, принял на себя первые удары противников нового закона. Он понимал проблему энергетических превращений глубже и шире, чем его современники — физики, занятые той же задачей. Это было и хорошо, и плохо. Хорошо потому, что (хотя и не сразу) дало возможность закону сохранения энергии утвердиться в наиболее общей форме. Плохо потому, что работы Майера в значительной степени именно по этой причине долго «не доходили» до его современников и не были оценены по достоинству. Он прожил дольше Карно, но судьба его тоже была трагичной.

^{Рис. 2.3. Роберт Майер}

Майер подошел к закону сохранения с несколько неожиданной для физиков биологической стороны: как и Дарвин, он получил первый толчок к своим идеям из наблюдений во время дальнего морского путешествия. Ему как судовому врачу приходилось делать хирургические операции; он обратил внимание на то, что у жителей острова Ява венозная кровь оказалась намного светлее, чем у европейцев. Майеру было известно, что выделяемое живым организмом тепло получается в результате окисления пищи кислородом (первыми это установили еще А. Лавуазье и П. Лаплас). Размышляя об этом, Майер совершенно правильно пришел к объяснению: в жарком климате организм отдает, а следовательно, и вырабатывает меньше тепла, чем на севере. Соответственно артериальная кровь, переходя в венозную, должна отдавать меньше кислорода (т. е. меньше темнеть).

Развивая эту мысль, Майер связал процесс окисления пищи не только с выделением тепла организмом, но и с работой, которую он производит. Следовательно, и тепло, и работа возникают из одного и того же источника — пищи. Поскольку Майер, так же как и Лейбниц, исходил из принципа равенства причины и действия (causa aequat effectum), для него было очевидно, что теплота и работа могут взаимно превращаться. Более того, их количества при этом должны находиться в совершенно определенном соотношении.

При одном и том же количестве окисленной пищи сумма сил неизменна; сколько убавится работы, столько же прибавится теплоты (и наоборот). Оставалось только вычислить тепловой эквивалент работы.

Насколько далеко смотрел Майер, видно из таких, например, его строк:

«Изучать силу в ее различных формах,исследовать условия ее превращения (метаморфоз) — такова единственная задача физики, ибо порождениесилы или ее уничтожениенаходится вне сферы мышления и действия человека.

Можно доказать a priori и во всех случаях подтвердить опытом, что различные силы могут превращаться одна в другую. В действительности существует только одна-единственная сила.Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и живой природе. Нигде нельзя найти ни одного процесса, где не было бы изменения силы со стороны ее формы».

Если учесть, что слово «сила» соответствует термину «энергия», то эта цитата звучит, как написанная сегодня.