Изначально, я думал привести лишь отдельные цитаты из данной лекции, касающиеся того, как исследователь соотносил свои исследования с верой в Бога. Но в силу того, что найти текст данной лекции на русском языке мне не удалось, только ее упоминания, а ИИ Яндекса и вовсе заявил, что ее текста не существует, решил выложить целиком. Текст статьи взят из англоязычного сборника научных трудов Джоуля найденного на проекте archive.org. В целом, лекция может быть весьма интересна и тем, кто подзабыл, что такое закон сохранения энергии и тем, кому любопытно, как и на каких экспериментах это всё когда-то впервые обосновывалось. Разве что самого термина «энергия» здесь нет, в то время он еще не использовался, вместо него используются термины «живая сила» и «теплота».
МАТЕРИЯ, ЖИВАЯ СИЛА И ТЕПЛОТА.
О материи, живой силе и теплоте. Автор: Дж. П. Джоуль, Секретарь Манчестерского литературно-философского общества.
[Лекция, прочитанная в читальне церкви Святой Анны в Манчестере; опубликована в манчестерской газете «Куриер» 5 и 12 мая 1847 г.]
В нашем представлении о материи обычно содержатся две идеи, а именно непроницаемость и протяженность. Под протяженностью материи мы понимаем пространство, которое она занимает; под её непроницаемостью мы понимаем, что два тела не могут существовать одновременно в одном и том же месте. Непроницаемость и протяженность не могут с полным основанием считаться свойствами материи, но скорее заслуживают названия её определений, потому что ничто, не обладающее этими двумя качествами, не носит названия материи. Если мы представим себе непроницаемость и протяженность, у нас возникает идея материи, и только материи.
Материя наделена чрезвычайно большим разнообразием удивительных свойств, некоторые из которых общи для всей материи, в то время как другие присутствуют в разной степени, создавая различие между одним телом и другим. Из этого первого класса притяжение тяготения является одним из важнейших. Мы легко наблюдаем его присутствие во всех твердых телах, составные части которых, по мнению Майокки, удерживаются вместе этой силой. Если мы разобьем тело на части и разнесем отдельные части на расстояние друг от друга, они все равно будут притягиваться друг к другу, хотя и в очень слабой степени, поскольку эта сила убывает очень быстро по мере удаления тел друг от друга. Чем больше тела, тем мощнее сила притяжения между ними. Следовательно, хотя силу притяжения между малыми телами можно оценить лишь с помощью самых чувствительных приборов, за исключением случая соприкосновения, сила, вызываемая телом огромной величины, такой как Земля, становится весьма значительной. Это притяжение тел к Земле составляет то, что называется их весом или тяжестью, и всегда точно пропорционально количеству материи. Следовательно, если какое-либо тело весит 2 фунта, а другое — только 1 фунт, первое будет содержать ровно вдвое больше материи, чем второе; и это справедливо, каков бы ни был объем тел: 2 фунта веса воздуха содержат ровно вдвое большее количество материи, чем 1 фунт свинца.
Материя иногда наделена другими видами притяжения помимо притяжения тяготения; иногда она также обладает способностью отталкивания, силой, благодаря которой частицы стремятся отдалиться друг от друга. Где бы эти силы ни существовали, они не отменяют притяжения тяготения. Таким образом, вес куска железа или стали никоим образом не изменяется от сообщения ему магнитных свойств.
Помимо силы тяготения, существует еще одно весьма примечательное свойство, проявляемое в равной степени каждым видом материи — её стойкость в любом состоянии, будь то покой или движение, в которое она была приведена. Этой способности дано название инерция, означающее пассивность, или неспособность чего-либо изменить собственное состояние. Вследствие этого свойства тело в покое нельзя привести в движение без приложения к нему определенного количества силы, а также, когда тело однажды приведено в движение, оно никогда не остановится само по себе, но будет продолжать двигаться прямо вперед с равномерной скоростью, пока на него не подействует другая сила, которая, если приложена против направления движения, будет замедлять его, если в том же направлении — ускорять, а если сбоку — заставит двигаться по криволинейной траектории. В случае, когда сила приложена в противоположном направлении, но равна по величине той, что первоначально привела тело в движение, оно полностью лишится движения, сколько бы времени ни прошло с первого импульса и на какое бы расстояние тело ни переместилось.
Из этих фактов очевидно, что сила, затраченная на приведение тела в движение, переносится самим телом и существует вместе с ним и в нем на протяжении всего его движения. Эту силу, которой обладают движущиеся тела, философы-механики называют vis viva, или живой силой. Этот термин может показаться некоторым неуместным, поскольку, строго говоря, речь не идет о жизни; но он полезен для того, чтобы отличить движущуюся силу от той, что носит стационарный характер, как сила тяжести. Поэтому, когда в последующих частях этой лекции я употребляю термин «живая сила», вы поймете, что я просто имею в виду силу тел в движении. Живая сила тел определяется их весом и скоростью их движения. Вы легко поймете, что если тело определенного веса обладает определенным количеством живой силы, то вдвое большей живой силой будет обладать тело вдвое большего веса при условии, что оба тела движутся с одинаковой скоростью. Но закон, по которому скорость тела регулирует его живую силу, не столь очевиден. На первый взгляд можно предположить, что живая сила будет просто пропорциональна скорости, так что если тело движется вдвое быстрее другого, то оно будет иметь вдвое больший импульс или живую силу. Однако это не так; ибо если три тела равного веса движутся со скоростями соответственно 1, 2 и 3 мили в час, то окажется, что их живые силы пропорциональны этим числам, умноженным сами на себя, т.е. 1×1,2×2,3×31×1,2×2,3×3, или 1, 4 и 9 — квадратам чисел 1, 2 и 3. Этот замечательный закон может быть доказан несколькими способами. Пуля, выпущенная из ружья с определенной скоростью, пробьет деревянный блок лишь на четверть глубины по сравнению с тем, если бы она была выстрелена с удвоенной скоростью. Опять же, если бы оказалось, что пушечное ядро летит с определенной скоростью при заданном заряде пороха, и потребовалось бы зарядить пушку так, чтобы придать ядру вдвое большую скорость, оказалось бы необходимым использовать вчетверо больший вес пороха, чем прежде. Таким образом, также обнаружится, что железнодорожный поезд, идущий со скоростью 70 миль в час, обладает в 100 раз большим импульсом, или живой силой, чем при движении со скоростью 7 миль в час.
Тело может быть наделено живой силой несколькими способами. Оно может получить её от удара другого тела. Так, если идеально упругий шар заставить ударить другой такой же шар равного веса, находящийся в покое, ударяющий шар передаст всю свою живую силу ударяемому шару и, оставаясь сам в покое, заставит другой шар двигаться в том же направлении и с той же скоростью, с какой он сам двигался до столкновения. Здесь мы видим пример легкости, с которой живая сила может передаваться от одного тела к другому. Тело также может быть наделено живой силой посредством действия на него тяготения на определенном расстоянии. Если я удержу мяч на определенной высоте и уроню его, то к моменту падения на землю он приобретет степень живой силы, пропорциональную его весу и высоте, с которой он упал. Итак, мы видим, что живая сила может быть произведена действием силы тяжести на заданном расстоянии или в заданном пространстве. Поэтому мы можем сказать, что первая равна по значению, или эквивалентна, последней. Следовательно, если я подниму вес в 1 фунт на высоту одного фута, чтобы сила тяжести действовала на него на этом расстоянии, я сообщу ему то, что равно по значению или эквивалентно определенному количеству живой силы; если я подниму вес на вдвое большую высоту, я сообщу ему эквивалент вдвое большего количества живой силы. Отсюда же, когда мы сжимаем пружину, мы сообщаем ей эквивалент определенного количества живой силы; ибо в этом случае мы вызываем молекулярное притяжение между частицами пружины на расстоянии, на которое они раздвинуты, что строго аналогично созданию притяжения тяготения на определенном расстоянии.
Вы сразу же поймете, что живая сила, о которой мы говорили, является одним из важнейших качеств, которыми может быть наделена материя, и, как таковая, было бы нелепо предполагать, что она может быть уничтожена или даже уменьшена без создания эквивалента притяжения на заданное расстояние, о котором мы говорили. Поэтому вы будете удивлены, услышав, что до самого недавнего времени всеобщим мнением было, что живую силу можно абсолютно и безвозвратно уничтожить по чьему-либо желанию. Так, когда вес падает на землю, обычно предполагалось, что его живая сила абсолютно уничтожается, и труд, который мог быть затрачен на подъем его на высоту, с которой он упал, был полностью потрачен впустую и растрачен, не произведя никакого постоянного эффекта. Мы могли бы рассуждать a priori, что такое абсолютное уничтожение живой силы не может иметь места, потому что явно абсурдно предполагать, что силы, которыми Бог наделил материю, могут быть уничтожены так же, как они могут быть созданы человеком; но мы не ограничиваемся этим аргументом, каким бы решающим он ни был для любого непредвзятого ума. Общий опыт каждого учит его, что живая сила не уничтожается трением или столкновением тел. У нас есть основания полагать, что проявления живой силы на нашем земном шаре в настоящее время столь же обширны, как и те, что существовали в любое время с момента его сотворения, или, по крайней мере, со времен потопа — что ветры дуют так же сильно, а потоки стремятся с равной стремительностью теперь, как и в отдаленный период 4000 или даже 6000 лет назад; и тем не менее мы уверены, что в течение этого огромного промежутка времени движения воздуха и воды постоянно затруднялись и тормозились трением. Мы можем, следовательно, с уверенностью заключить, что эти движения воздуха и воды, составляющие живую силу, не аннигилируются трением. Мы теряем их из виду, действительно, на время; но мы находим их снова воспроизведенными. Если бы это было не так, совершенно очевидно, что задолго до этого вся природа пришла бы к мертвой остановке. Что же тогда, можем мы спросить, является причиной этой кажущейся аномалии? Как получается, что, хотя почти во всех природных явлениях мы наблюдаем остановку движения и кажущееся уничтожение живой силы, мы обнаруживаем, что никакой фактической растраты или потери живой силы не произошло? Эксперимент позволил нам ответить на эти вопросы удовлетворительным образом; ибо он показал, что везде, где живая сила, по-видимому, уничтожается, производится эквивалент, который со временем может быть снова преобразован в живую силу. Этот эквивалент — теплота. Эксперимент показал, что везде, где живая сила, по-видимому, уничтожается или поглощается, производится теплота. Наиболее частый способ, которым живая сила таким образом превращается в теплоту, — это трение. Дерево, потертое о дерево или о любое твердое тело, металл, потертый о металл или о любое другое тело — короче говоря, все тела, твердые или даже жидкие, потертые друг о друга, неизменно нагреваются, иногда даже до того, чтобы стать раскаленными докрасна. Во всех этих случаях количество произведенного тепла неизменно пропорционально усилию, затраченному на трение тел друг о друга — то есть поглощенной живой силе. Пятнадцатью или двадцатью ловкими и быстрыми ударами молота по концу железного стержня диаметром около четверти дюйма, помещенного на наковальню, опытный кузнец может сделать этот конец железа видимо раскаленным докрасна. Здесь теплота производится поглощением живой силы опускающегося молота в мягком железе; что доказывается тем фактом, что железо нельзя нагреть, если сделать его твердым и упругим, так чтобы передать живую силу молота наковальне.
Общее правило, таким образом, заключается в том, что везде, где живая сила, по-видимому, уничтожается, будь то ударом, трением или любыми подобными средствами, восстанавливается точный эквивалент теплоты. Обратное утверждение также верно, а именно, что теплота не может быть уменьшена или поглощена без производства живой силы или её эквивалента — притяжения через пространство. Так, например, в паровой машине окажется, что полученная мощность — за счет теплоты огня, — то есть теплота, вызванная сгоранием угля, была бы больше, если бы часть её не поглотилась для производства и поддержания живой силы механизмов. Однако следует заметить, что это еще не было продемонстрировано экспериментом. Но нет сомнений, что эксперимент доказал бы правильность моих слов; ибо я сам доказал, что превращение теплоты в живую силу происходит при расширении воздуха, что аналогично расширению пара в цилиндре паровой машины. Но самое убедительное доказательство превращения теплоты в живую силу было получено из моих экспериментов с электромагнитным двигателем — машиной, состоящей из магнитов и железных стержней, приводимых в движение электрической батареей. Я доказал прямым экспериментом, что точно в пропорции к силе, с которой работает эта машина, теплота отнимается от электрической батареи. Вы видите, следовательно, что живая сила может превращаться в теплоту, а теплота может превращаться в живую силу или её эквивалент — притяжение через пространство. Все три, следовательно, — а именно теплота, живая сила и притяжение через пространство (к чему я мог бы добавить и свет, если бы это соответствовало теме настоящей лекции) — взаимно превращаются друг в друга. При этих превращениях ничто никогда не теряется. Одно и то же количество теплоты всегда будет превращаться в одно и то же количество живой силы. Поэтому мы можем выразить эквивалентность определенным языком, применимым всегда и при всех обстоятельствах. Так, притяжение 817 фунтов на пространстве в один фут эквивалентно и превратимо в живую силу, которой обладает тело того же веса в 817 фунтов при движении со скоростью восемь футов в секунду, и эта живая сила, в свою очередь, превратима в количество теплоты, способное повысить температуру одного фунта воды на один градус Фаренгейта. Знание эквивалентности теплоты механической мощности имеет большую ценность для решения множества интересных и важных вопросов. В случае паровой машины, определив количество теплоты, производимой сгоранием угля, мы можем выяснить, какая её часть превращается в механическую мощность, и таким образом прийти к выводу, насколько паровая машина еще способна к усовершенствованиям. Расчеты, основанные на этом принципе, показали, что могло бы производиться по меньшей мере в десять раз больше мощности, чем получается теперь от сгорания угля. Другой интересный вывод заключается в том, что животный организм, хотя и предназначен для выполнения множества других целей, как машина более совершенен, чем наилучшим образом сконструированная паровая машина — то есть способен производить больше работы при том же расходе топлива.
Взгляните же на удивительные устроения творения. Земля в своем быстром движении вокруг Солнца обладает степенью живой силы столь огромной, что, если превратить её в эквивалент теплоты, её температура стала бы по меньшей мере в 1000 раз выше, чем у раскаленного докрасна железа, и шар, по которому мы ступаем, по всей вероятности, стал бы равен по яркости самому Солнцу. И не может быть сомнений, что если бы путь Земли изменился так, что она упала бы на Солнце, это светило, вместо того чтобы охладиться от соприкосновения с относительно холодным телом, фактически запылало бы ярче, чем прежде, вследствие превращения живой силы, с которой Земля ударила бы Солнце, в её эквивалент теплоты. Здесь мы видим, что наше существование зависит от сохранения живой силы Земли. С другой стороны, наша безопасность в некоторых случаях в равной степени зависит от превращения живой силы в теплоту. Вы, без сомнения, часто наблюдали так называемые падающие звезды, которые, кажется, возникают из темного ночного неба, совершают короткий и быстрый путь, взрываются и рассеиваются сверкающими осколками. По скорости, с которой эти тела перемещаются, мало сомнений в том, что это малые планеты, которые в ходе своего обращения вокруг Солнца притягиваются и увлекаются к Земле. Подумайте на мгновение о последствиях, которые бы наступили, если бы твердый метеоритный камень ударил в комнату, где мы собрались, со скоростью в шестьдесят раз большей, чем пушечное ядро. Ужасные последствия такого столкновения эффективно предотвращаются атмосферой, окружающей наш земной шар, которая тормозит скорость метеоритного камня и превращает его живую силу в теплоту, которая в конце концов становится столь интенсивной, что плавит тело и рассеивает его на фрагменты, вероятно, слишком мелкие, чтобы быть замеченными при падении на землю. Вот почему, хотя множество падающих звезд появляется каждую ночь, найдено мало метеоритных камней, и те немногие подтверждают истинность нашей гипотезы следами сильного жара, которые они несут на своих поверхностях.
Спускаясь с планетного пространства и небосвода на поверхность нашей Земли, мы находим огромное разнообразие явлений, связанных с превращением живой силы и теплоты друг в друга, которые говорят на языке, не допускающем непонимания, о мудрости и благости Великого Архитектора природы. Движение воздуха, которое мы называем ветром, возникает главным образом от сильного жара тропической зоны по сравнению с температурой умеренных и холодных зон. Здесь у нас есть пример превращения теплоты в живую силу воздушных течений. Эти воздушные течения, продвигаясь через море, поднимают его волны и движут корабли; в то время как, проходя над сушей, они качают деревья и тревожат каждую травинку. Волны своим сильным движением, корабли своим ходом через сопротивляющуюся среду, а деревья трением ветвей друг о друга и листьев о себя и о воздух — каждое и все они порождают теплоту, эквивалентную уменьшению живой силы воздуха, которое они вызывают. Теплота, таким образом восстановленная, может снова способствовать возникновению свежих воздушных течений; и таким образом явления могут повторяться в бесконечной последовательности и разнообразии.
Когда мы рассматриваем наши собственные животные организмы, «дивно и чудно устроенные», мы наблюдаем в движении наших членов постоянное превращение теплоты в живую силу, которая может быть либо снова превращена в теплоту, либо использована для создания притяжения через пространство, как когда человек поднимается на гору. Действительно, явления природы, будь то механические, химические или жизненные, состоят почти целиком в постоянном превращении притяжения через пространство, живой силы и теплоты друг в друга. Так поддерживается порядок во Вселенной — ничто не нарушается, ничто никогда не теряется, но весь механизм, сколь бы сложным он ни был, работает плавно и гармонично. И хотя, как в страшном видении Иезекииля, «колесо в середине колеса», и всё может казаться запутанным и вовлеченным в кажущийся хаос и сложность почти бесконечного разнообразия причин, следствий, превращений и устройств, тем не менее сохраняется совершеннейшая регулярность — всем управляет верховная воля Бога.
В заключение можно сказать несколько слов относительно истинной природы теплоты. Самым распространенным мнением до недавнего времени было, что это вещество, обладающее, подобно всей другой материи, непроницаемостью и протяженностью. Мы, однако, показали, что теплота может превращаться в живую силу и в притяжение через пространство. Совершенно ясно, следовательно, что если только материя не может превращаться в притяжение через пространство — идея слишком абсурдная, чтобы удерживать её хоть мгновение, — гипотеза о теплоте как о веществе должна рухнуть. Теплота, следовательно, должна состоять либо из живой силы, либо из притяжения через пространство. В первом случае мы можем представить, что составные частицы нагретых тел целиком или частично находятся в состоянии движения. Во втором мы можем предположить, что частицы удаляются в процессе нагревания так, чтобы проявлять притяжение на большем пространстве. Я склонен полагать, что обе эти гипотезы окажутся верными, — что в одних случаях, особенно в случае ощущаемой теплоты, или такой, что показывается термометром, теплота будет состоять в живой силе частиц тел, в которых она индуцирована; в то время как в других, особенно в случае скрытой теплоты, явления порождаются отделением частиц друг от друга, заставляя их притягиваться друг к другу через большее пространство. Мы можем представить, следовательно, что сообщение теплоты телу состоит, фактически, в сообщении импульса, или живой силы, его частицам. Возможно, для кого-то из вас покажется странным, что тело, по-видимому находящееся в покое, на самом деле является местом чрезвычайно быстрых движений; но вы заметите, что сами тела, рассматриваемые как целое, не предполагаются движущимися. Составные частицы, или атомы тел, предполагаются находящимися в движении, не производя общего движения всей массы. Эти частицы, или атомы, будучи слишком малы, чтобы быть видимыми даже с помощью самых мощных микроскопов, неудивительно, что мы не можем наблюдать их движение. Поэтому есть основания полагать, что частицы всех тел, их составные атомы, находятся в состоянии движения, почти слишком быстрого для нашего понимания, ибо явления не могут быть объяснены иначе. Скорость атомов воды, например, составляет по меньшей мере милю в секунду. Если, как есть основания думать, некоторые частицы покоятся, а другие движутся, скорость последних будет соответственно больше. Увеличение скорости вращения частиц будет составлять повышение температуры, которое может распространяться среди соседних тел посредством того, что называется теплопроводностью, — то есть, согласно настоящей гипотезе, путем передачи возросшего движения от частиц одного тела частицам другого. При дальнейшем увеличении скорости частиц они будут стремиться разлететься друг от друга вследствие того, что центробежная сила преодолевает притяжение, существующее между ними. Это удаление частиц друг от друга будет составлять новое состояние тела — оно перейдет в состояние плавления, или станет расплавленным. Но из того, что мы уже сказали, вы поймете, что для разъединения частиц, сильно притягивающихся друг к другу, потребуется затрата определенного количества живой силы или теплоты. Отсюда и происходит, что теплота всегда поглощается, когда состояние тела изменяется из твердого в жидкое или из жидкое в газообразное. Возьмем, к примеру, глыбу льда, охлажденную до нуля; приложите к ней теплоту, и она постепенно достигнет 32∘32∘ — числа, условно используемого для обозначения температуры, при которой лед начинает таять. Если, когда лед достиг этой температуры, вы продолжите прикладывать к нему теплоту, он растает; но его температура не будет повышаться сверх 32∘32∘, пока весь лед не превратится в воду. Объяснение этих фактов ясно согласно нашей гипотезе. Пока лед не достиг температуры 32∘32∘, приложение теплоты увеличивает скорость вращения его составных частиц; но в тот момент, когда он достигает этой точки, скорость производит такое увеличение центробежной силы частиц, что они вынуждены отделяться друг от друга. Именно на осуществление этого разъединения сильно притягивающихся друг к другу частиц тогда тратится приложенная теплота; а не на увеличение скорости частиц. Как только, однако, разъединение произведено и образована жидкая вода, дальнейшее приложение теплоты вызовет дальнейшее увеличение скорости частиц, составляющее повышение температуры, и термометр сразу поднимется выше 32∘32∘. Когда вода будет нагрета до температуры 212∘212∘ (точки кипения), повторится подобное явление; ибо окажется невозможным повысить температуру сверх этой точки, потому что прикладываемая тогда теплота расходуется на разделение частиц воды для образования пара, а не на увеличение их скорости и живой силы. Когда же, в свою очередь, применением холода мы конденсируем пар в воду, а дальнейшим отнятием теплоты приводим воду в твердое состояние льда, мы наблюдаем повторение подобных явлений в обратном порядке. Частицы пара, переходя в состояние воды, сближаются на определенное расстояние. Живая сила, таким образом произведенная, превращается в теплоту, которую необходимо удалить, прежде чем еще больше пара сможет превратиться в воду. Поэтому всегда необходимо отнимать большое количество теплоты, чтобы превратить пар в воду, хотя температура все это время будет оставаться ровно 212∘212∘; но в тот миг, когда весь пар сконденсирован, дальнейшее отнятие теплоты вызовет снижение температуры, поскольку она может быть использована только для уменьшения скорости вращения атомов воды. Сказанное относительно конденсации пара в равной степени применимо к замерзанию воды. Я мог бы продолжить применение теории к явлениям горения, теплота которого состоит в живой силе, вызванной мощным притяжением через пространство горючего вещества к кислороду, и к разнообразным другим термохимическим явлениям; но вы, без сомнения, сможете продолжить изучение предмета в свое свободное время. Уверяю вас, что принципы, которые я столь несовершенно излагал сегодня вечером, могут быть очень широко применены для прояснения многих как сложных, так и простых вопросов науки, и что терпеливое исследование на этих основаниях едва ли не будет щедро вознаграждено.
