Хал Хеллман - Великие противостояния в науке. Десять самых захватывающих диспутов

К середине XIX века униформизм (как ни странно, этот термин ввел сторонник катастрофизма Уильям Хьюэлл) стал доминирующей доктриной в английской геологии. Хотя теологов такое учение не радовало, для большинства из нас стабильность — намного привлекательнее мысли о том, что в любой момент мы можем исчезнуть с лица Земли. В главе 3 мы видели, как Ньютон и Лейбниц спорили о роли Бога в стабильности Солнечной системы. В начале XIX века французский математик Лаплас доказал, что Богу совсем не обязательно выступать в качестве смотрителя-часовщика, потому что система сама по себе достаточно стабильна. Многие вздохнули с глубоким облегчением.

Хотя Лаплас думал, что такая стабильность установилась случайно, в результате удачного стечения обстоятельств, многие ученые были с этим не согласны, считая, что в ней ясно видна божественная длань. Одним из них был и Томсон. Но в то же время наблюдения за кометой Энке свидетельствовали о том, что в межпланетном пространстве существует некая сопротивляющаяся среда. В результате Томсон предположил, что для всей системы наступит конец, — и эта идея прекрасно согласовывалась с другими работами, которыми он активно интересовался и в которых объединились различные аспекты его интересов.

Со студенческой скамьи Томсон всегда с интересом относился к вопросу теплоты. Несомненно, он знал, что Лейбниц до него верил в первоначально расплавленную Землю, а Ньютон проводил некоторые исследования потери теплоты и остывания тел. К 18 годам Томсон уже опубликовал работу на тему «Однородное движение теплоты в гомогенных твердых телах и его связь с математической теорией электричества». Название знаменательное, потому что показывает, что он не только интересовался проблемами теплоты и ее движения в твердых телах, но и пытался применить к их решению математические методы, которые оказались такими успешными в работе с механическим движением и электричеством.

Для практика Томсон прекрасно разбирался в математике. Например, он изучил работу Жозефа Фурье, который провел первые математические исследования теплопроводности. Воспользовавшись дифференциальным исчислением Лейбница и Ньютона, Фурье нашел способ в любое время определять скорость изменения температуры в разных точках твердого тела, а также реальную температуру в любой точке этого тела. Томсона очаровал этот метод. Позже он писал, что хотя в то время был еще студентом, но «освоил его за две недели — проработал от начала до конца» {185} 185 Smith and Wise, 1989, p. 167. .

Хотя потом он называл работу Фурье «великой математической поэмой» {186} 186 Ibid., p. 127. , она послужила более земным целям, потому что убедила Томсона в том, что Земля постепенно остывала — от первоначального расплавленного и жидкого до теперешнего состояния.

До этого французский физик Никола Леонар Сади Карно под влиянием огромного значения парового двигателя доказал, что теплота и работа взаимозаменяемы. Но этой идее уделялось мало внимания до тех пор, пока Томсон в 1849 году пристальнее не взглянул на нее и не пришел к далеко идущим выводам.

Томсон был убежден, что определенная часть теплоты не превращается в работу, а это было важно при разработке таких машин. Кроме того, он расширил сферу приложения своих усилий, заинтересовавшись ролью данных феноменов в «работе» Земли.

На его взгляд, ответ на вопрос о возрасте Земли лежит в обычных наблюдениях, которые делались при сооружении многочисленных шахт и колодцев: чем дальше копать, тем становится горячее. Хотя это явление можно объяснить и иначе, Томсон считал его доказательством того, что теплота исходит из недр Земли.

Он понимал это так: тепловая энергия уходит из Земли и, как и в паровом двигателе, фактически необратима. Такое рассеивание энергии предполагает, что нашим природным системам когда-то наступит конец, что и стало, по докладу, представленному в 1851 году, вторым законом термодинамики, одной из основ для практического применения теплоты и работы. Первый и второй законы утверждают примерно следующее: энергия никогда не теряется (первый закон), но некоторая ее часть не превращается в работу (второй закон).

Благодаря второму закону был сделан значительный прорыв в научном понимании физических машин любого рода. Например, он объяснил, почему невозможно создание вечного двигателя. Кроме того, говорил Томсон, он показывает, что природные двигатели — такие как Солнце, Земля и другие элементы Солнечной системы — тоже имеют свой конец.