Текст книги "Неоткрытые открытия, или Кто это придумал?"

В 1838 году Роберт фон Майер, немецкий врач и естествоиспытатель, получил степень доктора медицины. В этом же году в качестве судового врача он на торговом корабле отправился в Батавию. До 1942 года это был главный город Нидерландской Индии на острове Ява, сейчас мы называем его Джакартой. Во время этого путешествия фон Майер сделал открытие, перевернувшее всю его жизнь.

В тропиках часть команды серьезно заболела, и фон Майер избрал одним из методов лечения популярное в те времена кровопускание.

На рейде в Батавии фон Майер произвел немало кровопусканий и заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что попал на артерию». Отсюда он сделал вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном отношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме… Это казалось невероятным, но так было не у одного, а у всех пациентов».

Другими словами, фон Майер пришел к заключению, что в тропиках, где жарко и для поддержания температуры тела нужно меньше энергии, не весь кислород отдается тканям – то есть окислительные процессы идут при значительно меньшем потреблении кислорода. Этот вывод стал результатом многих часов размышлений. Перед фон Майером встал вопрос: как изменится количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу? Если бы количество теплоты не изменилось, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путем перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменится, значит, работа и тепло должны быть каким-то образом связаны и между собой, и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме: «Движение, теплота и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Это уже фактически была формулировка закона сохранения энергии.

Тому же фон Майеру принадлежит перенос закона сохранения энергии на астрономические тела: он утверждал, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должно сопровождаться химическими превращениями или механической работой на самом Солнце: «Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно: она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе». Автору этих слов не было в то время и тридцати. В письме к другу, психиатру Вильгельму Гризингеру, он писал, что для своего закона у него есть доказательство от противного – факт невозможности существования перепетуум мобиле, «вечного двигателя».

Фон Майер сформулировал свои выводы во вполне конструктивной для физиков того времени форме, однако, несмотря на это, ему так и не удалось опубликовать их в физических журналах. В ведущем на тот момент журнале Annalen der Physik und Chemie его статью отклонил главный редактор журнала Иоганн Поггендорф. Тот имел определенные основания достаточно негативно отнестись к работе Майера: высказанные в ней идеи были изложены еще довольно туманно.

Позже эта работа была обнародована в немецком фармакологическом журнале Annalen der Chemie und Pharmacie и в брошюре, изданной фон Майером за свой счет. Но на его статью в журнале не обращали внимания целых двадцать лет, вплоть до 1862 года, когда ее обнаружил немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус.

В работе 1851 года «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» фон Майер впервые пытался защитить свой приоритет. Он признал, что открытие сделано им случайно (и было связано с наблюдениями на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета». Он ссылался на статью 1842 года, цитировал ее, приводил значение механического эквивалента теплоты, разъяснял собственные взгляды на воздействие и особенности того, что позднее назвали энергией.

То, что возможно получить тепло за счет выполнения механической работы, с убедительностью было установлено еще опытами Бенджамина Румфорда и Хэмфри Дэви, произведенными в конце XVIII века. Эти опыты свидетельствовали, что тепловая и механическая энергия – одно и то же. Что, вероятно, экспериментально можно найти механический эквивалент теплоты, то есть определить количество работы в механических единицах, эквивалентное тому же количеству теплоты в тепловых единицах.

Эксперименты, в которых за счет механической энергии создавалась теплота, следовали один за другим. Среди ученых, успешно занимавшихся этой проблемой, конечно, первым следует назвать английского физика Джеймса Джоуля. Он выбрал целью своей жизни доказательство того, что теплота – это форма энергии.

Страсть к науке выдающегося физика-экспериментатора была беспредельной. Даже во время медового месяца он находил время для измерения температуры воды у вершины и подножия живописного водопада, около которого они с молодой женой жили. Он делал это для того, чтобы убедиться, что разность значений температуры воды соответствует закону сохранения энергии.

В 1845 году Джоуль точно измерил количество теплоты, получаемое при преобразовании механической работы в тепловую энергию, и уточнил результат, полученный ранее фон Майером. Таким образом, именно усилиями фон Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее первое экспериментальное доказательство кинетического характера тепла – этой некогда загадочной и таинственной субстанции. Это открытие дало возможность подтвердить переход одного вида энергии в другой. Но вопрос о приоритетном споре в этой сфере закрыт не был. Кроме этих двух ученых был еще и третий!

С утверждением, что энергия может переходить из одного вида в другой, в 1847 году выступил Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц, которого тоже называют среди тех, кто открыл закон сохранения энергии. В отличие от своих предшественников, Гельмгольц смог связать закон сохранения энергии с невозможностью существования вечного двигателя. Все виды сил (позднее получившие название видов энергии) Гельмгольц свел к двум большим типам: живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (тому, что мы сейчас называем энергией потенциальной). Гельмгольц сформулировал закон сохранения этих сил в следующем виде: «Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действием сил притяжения и отталкивания, величина которых зависит только от расстояния между точками, уменьшение силы напряжения всегда равно увеличению живой силы, и наоборот, увеличение первой приводит к уменьшению второй. Таким образом, всегда сумма живой силы и силы напряжения постоянна». Звучит, конечно, довольно туманно, но при желании все же разобраться можно.

Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером естественных наук. К тому же Гельмгольц неоднократно признавал приоритет фон Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой фон Майера он знаком не был, а работы Джоуля знал недостаточно.

Что же касается фон Майера и Джоуля, то их спор о приоритете вскоре вышел за рамки чисто научного. В своих сообщениях фон Майер обращал внимание на то, что закон сохранения энергии, «а также численное выражение его, механический эквивалент теплоты, были почти одновременно опубликованы в Германии и Англии». Он указывает на исследования Джоуля и признает, что Джоуль «открыл безусловно самостоятельно» закон сохранения и превращения энергии и что «ему принадлежат многочисленные важные заслуги в деле дальнейшего обоснования и развития этого закона».

Фон Майер пишет: «Я убежден, что Джоуль сделал свое открытие о теплоте и силе, не зная моих работ, и признаю, что многочисленные заслуги этого известного физика внушили мне большое к нему уважение; тем не менее я полагаю, что могу с полным правом подтвердить: закон эквивалентности тепла и живой силы, с его численным выражением, опубликовал впервые я (в 1842 г.)». Однако в работах Джоуля и Гельмгольца имя фон Майера не встречается – ни в отчете Джоуля о превращениях энергии, опубликованном в журнале Парижской академии Comptes rendus («Доклады») в 1847 году, ни в упомянутой выше работе Гельмгольца «О сохранении силы», появившейся годом позже.

Но фон Майер не был склонен уступать свое право на приоритет. Спокойный тон его заявлений не может скрыть той глубокой душевной травмы, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и «невежеством окружающей среды». А его еще и обвинили в попытке присвоить чужие заслуги…

Последующая жизнь фон Майера была весьма непростой. В течение двух лет умерли двое из его троих детей. Местные ученые дразнили его, называя сумасшедшим философом. Его травили в газетах – скромного и честного ученого обвиняли в мании величия. Закончилось все тем, что в 1850 году фон Майер выбросился из окна своей спальни. Физически он пострадал не сильно, но последующие три года провел в психиатрической клинике.

И все же его спасли физика и самолюбие. Фон Майер нашел в себе силы ответить недругам уже упомянутой нами отдельной брошюрой Bemerhungen u¨ber das mechanische Aequivalent der Wa¨rme («Замечания о механическом эквиваленте теплоты»), вышедшей в 1851 году. По словам Оствальда, «это сочинение было написано кровью Майера, что исчерпало его последние силы». Осенью у фон Майера обнаружилось воспаление мозга, после чего его поместили сначала в частную лечебницу, а затем в казенную психиатрическую больницу. Научную деятельность он смог возобновить лишь в 1862 году.

Последние годы жизни фон Майера все же несколько примирили его со светом, он смог вкусить заслуженной славы, пусть и не в полной мере. В 1871 году он получил медаль Лондонского королевского общества, позднее его наградила Французская академия наук. Фон Майер стал почетным доктором родного университета в Тюбингене.

Незадолго до его смерти в 1874 году вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под названием «Механика тепла». Фон Майер не был физиком, но смог представить обобщенное понимание закона сохранения, распространив его на явления жизни и космос. Именно это смущало и физиков, именно это рассматривалось научным сообществом как абстрактные метафизические размышления, не более. Куда понятнее для этого сообщества являлись эксперименты Джоуля или работы всемирно известного ученого, каким уже в то время был Гельмгольц. Никто не спорит – слава этих исследователей вполне заслужена, и сомневаться в ней было бы глупо. Однако «ученый мир» состоит не из одних великих деятелей науки.

Как известно, планета Уран была открыта в 1781 году. Но вскоре в движении планетного тела обнаружились загадочные аномалии: она то «отставала» от расчетного положения, то опережала его, ее то не могли увидеть на ожидаемом месте, то она появлялась в определенной точке небосвода раньше, чем следовало по расчетам. Первым эти отклонения от расчетной траектории в 1783 году заметил петербургский академик Андрей Иванович Лексель. Изучив особенности движения Урана, Лексель предположил, что на него воздействует притяжение неизвестного космического тела, расположенного еще дальше.

В 1821 году были опубликованы таблицы положения Урана, рассчитанные на много лет вперед, а в 1832 в отчете Британской Ассоциации развития науки будущий королевский астроном Дж. Эйри указал, что за 11 лет разница в положении Урана достигла почти полминуты дуги, что слишком много для простой ошибки в расчетах. Вскоре после опубликования отчета Эйри получил от британского астронома-любителя, преподобного доктора Хасси, письмо, в котором тот предлагал поискать «заурановую» планету по ее возмущающему воздействию на Уран. По-видимому, это было первым предложением искать планету за Ураном. Эйри идею Хасси не одобрил, и поиски не были начаты.

В 1831 году, то есть за год до описанных событий, талантливый студент Дж. К. Адамс записал: «В начале этой недели появилась мысль заняться сразу же после получения степени исследованием аномалий в движении Урана, которые до сих пор не объяснены. Надо найти, могут ли они быть обусловлены влиянием находящейся за ним неоткрытой планеты, и, если возможно, определить хотя бы приблизительно элементы ее орбиты, что может привести к ее открытию».

Но приступить к решению этой задачи Адамс смог только через два года, а предварительные вычисления были закончены лишь к октябрю 1843 года. Он хотел показать их Эйри, однако встретиться с королевским астрономом ему не удалось. Адамсу пришлось вернуться в Кембридж, оставив для Эйри результаты проведенных расчетов. Отвечая на записку Адамса, Эйри задал вопрос об особенностях вычислений. Дело продолжало стоять на месте, поскольку Адамс не ответил на это письмо (этот ответ не найден до сих пор).

После записки к Эйри Адамс обратился к астроному-наблюдателю Джеймсу Челлису, и тот приступил к поискам в июле 1846 года. Но ему не повезло. Он неоднократно наблюдал планету в августе 1846 года, записывал ее координаты, но так и не удосужился сравнить результаты наблюдений, проведенных в разные дни. Челлис впоследствии объяснял это отсутствием в своей обсерватории точной звездной карты.

В то время точные звездные карты изготавливались в Берлинской обсерватории. Немецкие астрономы, экономя на почтовых расходах, рассылали свои звездные карты попарно, а к тому листу, на котором немцы через несколько месяцев обнаружили планету, еще не было пары, и карта имелась лишь в Берлинской обсерватории.

И все-таки Челлис лукавил: в период, когда он проводил наблюдения, новая планета проходила по соседнему участку неба, карта которого в Кембриджской обсерватории все-таки имелась, но он ею не воспользовался.

Адамс не публиковал расчетов, а сведения о его работе держались в секрете кембриджскими астрономами, и ему пришлось обратиться к обладателю самого крупного телескопа того времени в надежде, что в его мощный прибор удастся разглядеть диск новой планеты без кропотливой работы по сравнению положений сотен звезд.

Но увы, ему опять не повезло. Когда письмо пришло в Ливерпуль, у Ласселла была травма ноги, и он не мог дойти до телескопа. На следующий день он почувствовал себя лучше, попытался провести наблюдения, но не смог найти письма с координатами. Выяснилось, что горничная случайно выкинула его вместе с мусором. Ласселлу было настолько неудобно, что он так никогда и не рассказал Адамсу, почему не смог открыть новую планету.

Независимо от Адамса над проблемой «заурановой» планеты работал во Франции астроном-теоретик Урбен Леверье. Он служил в парижском Бюро долгот, возглавляемом великим французским астрономом Франсуа Араго. Именно Араго и заинтересовал молодого ученого поисками местоположения неизвестной планеты.

Неоценимую роль в расчетах Леверье сыграла публикация информации о наблюдениях Урана, проведенных датским астрономом Оле Ремером в 1706 году. Ремер был не только крупной величиной в мире астрономии (он ни много ни мало впервые измерил скорость света!), но также и мэром Копенгагена. Однако после его смерти судьба сыграла злую шутку с его архивом астрономических наблюдений. Даже созданная им хорошо экипированная пожарная команда не спасла его бумаги от уничтожения во время большого копенгагенского пожара 1728 года. Тогда пламя поглотило почти весь город – более 1700 домов, включая ратушу и университет. От обсерватории Ремера осталось только пепелище.

Но толика записей Ремера все же сохранилась. Там нашлись и наблюдения за планетой Уран, сделанные за 75 лет до ее открытия: в 1706 году в течение трех ночей Ремер фиксировал координаты Урана, считая его одной из звезд. Именно эти материалы и попали затем в Берлин, где их исследовал астроном Иоганн Галле. Обработка наблюдений Урана, выполненных Ремером, стала для Галле диссертационной работой. Публикацию ее в научном журнале Галле разослал европейским астрономам, которые занимались вычислениями планетных движений. Получил эту статью и Леверье.

Десятого ноября 1845 года Леверье представил Французской Академии наук результаты своего теоретического анализа движения Урана. Указав на расхождение между данными наблюдений и расчетов, он писал о существующем внешнем факторе, эти оценки были проведены в первой половине 1846 года. Ему помогло предположение, что неведомая планета движется в соответствии с правилом Тициуса – Боде и что орбита имеет очень малый наклон к плоскости эклиптики. Леверье примерно показал, где следует искать новую планету.

Получив второй трактат Леверье, королевский астроном Эйри обращает внимание на близкое совпадение результатов исследований Адамса и Леверье, относящихся к движению предполагаемой планеты. Но, как и ранее, он не торопится начать поиски и начинает хлопотать о них только в июле 1846 года.

Тем временем 31 августа 1846 года Леверье закончил еще одно исследование, получив в окончательном виде систему элементов орбиты искомой планеты и указав ее место на небе. Парижские астрономы не пожелали начать такие поиски, полагая, что невозможно вычислить расположение планеты, не зная о ней почти ничего. Леверье пишет немецкому астроному Галле, который уже один раз помог ему, найдя данные о наблюдениях Урана в архивах Ремера. Письмо было доставлено в Берлинскую обсерваторию 23 сентября 1846 года. По его получении Иоганн Галле тут же отправился к профессору Иоганну Энке, директору обсерватории. Надежда на такие поиски была невелика – да и как можно было запланировать наблюдения неизвестного тела? Однако Леверье повезло: письмо пришло в Берлин в день 55-летнего юбилея директора обсерватории. Иоганн Энке собирался праздновать и в предстоящую ночь наблюдения отменил. Поэтому он и разрешил своему ассистенту Иоганну Галле выполнить просьбу парижского коллеги, хотя скептически заметил, что считает это занятие пустой тратой времени.

Живший при обсерватории немецкий студент Генрих д’Арре попросил разрешения участвовать в наблюдениях, на что Энке тоже согласился. Именно благодаря д’Арре наблюдения и стали успешными. Как только стемнело, Галле навел телескоп на участок неба с координатами, указанными в письме. Он искал заметный диск планеты – главное отличие от звезд. Подобного объекта в поле зрения телескопа не оказалось. А значит, для поиска планеты предстоит записать координаты множества звезд на этом участке неба и на следующий день повторить наблюдения: так можно было обнаружить объект, положение которого изменилось. Работа предстояла долгая и кропотливая.

Однако Генриху д’Арре пришла мысль воспользоваться подробной картой звездного неба. Такие карты для различных участков как раз и готовила в те годы Берлинская обсерватория. Он стал рыться в шкафах, и снова везение – карта была найдена! Это оказался самый свежий лист, только что отпечатанный и еще не разосланный в другие обсерватории. И вот Галле вновь смотрит в телескоп, произнося вслух координаты каждой звезды, а д’Арре сличает их с картой, отвечая: «Есть, есть…»

Спустя полчаса, в начале первого ночи, в башне обсерватории раздался радостный возглас: «Этой звезды нет на карте!» Расхождение с координатами, указанными Леверье, составило меньше одного градуса, но оно было!

Однако берлинские астрономы с сообщением об открытии торопиться не стали, нужно было абсолютно точно убедиться, что это планета, а не звезда. На следующую ночь было обнаружено, что за прошедшие сутки «звездоподобный» объект 8-й звездной величины сместился относительно неподвижных звезд. Вот теперь стало ясно, что планета, вычисленная Леверье, обнаружена!

Утром в Париж полетело письмо с радостной вестью и предложением назвать планету Янусом. Леверье поздравил коллег и предложил назвать новую планету Нептуном. Поначалу, однако, планету называли просто планетой Леверье. Но и сам по себе факт открытия стал событием: найдена еще одна, восьмая планета Солнечной системы. Причем не случайно найдена, а вычислена, и эти вычисления подтверждены наблюдением!

По указанным координатам новую планету наблюдают астрономы разных стран. Франция награждает и Леверье, и Галле орденами Почетного легиона. Лондонское Королевское общество (Британская Академия наук) присуждает Леверье высшую награду – медаль Копли. Петербургская Академия наук избирает его почетным членом.

Но никто не подозревает, что в дело об открытии новой планеты вот-вот вмешаются астрономы из соседней Англии – и на бесспорный приоритет Леверье будет брошена тень.

Через полтора месяца после триумфального открытия Нептуна Англия заявила, что претендует на приоритет в открытии планеты. На собрании Королевского астрономического общества было объявлено, что Джон Адамс, астроном-теоретик из Кембриджа, еще осенью 1845 года (то есть за год до открытия Нептуна) вычислил положение новой планеты, о чем он сообщил краткой запиской королевскому астроному и директору Гринвичской обсерватории Джорджу Эйри.

Англичане, к их чести, начали с того, что попытались выяснить, почему Эйри не организовал поиски новой планеты (мы уже знаем, как это получилось). Впоследствии Джон Гершель, один из руководителей Королевского астрономического общества, выступал с пропагандой выполненных Адамсом вычислений, хотя они и не были опубликованы и не привели к открытию новой планеты. Кампания велась агрессивно, ее следы заметны до сих пор: во многих справочниках значится, что Нептун открыт по вычислениям, которые независимо друг от друга сделали Адамс и Леверье. Причем фамилия Адамса, как правило, стоит первой.

Сам же Адамс вел себя в высшей степени корректно. Он отказался и от дворянского титула, который ему хотела присвоить королева Виктория, и от должности в Гринвичской обсерватории, предпочтя остаться профессором геометрии в Кембридже. Несмотря на спор за приоритет открытия между Францией и Англией, который продолжался больше года, между Адамсом и Леверье установилось полное взаимопонимание, они оставались друзьями до конца жизни.

Показательно то, что рассчитанная Леверье и Адамсом орбита Нептуна очень быстро отклонялась от действительной орбиты планеты, и если бы поиски затянулись на несколько лет, то по этим вычислениям найти планету уже было бы нельзя.

В последующие годы Нептун был найден на более ранних звездных картах, датированных до его открытия. Однако самое раннее наблюдение, по-видимому, было сделано Галилео Галилеем в 1612 году: на зарисовках Юпитера и его спутников, сделанных рукой Галилея на рубеже 1612–1613 годов, значится звезда 8-й звездной величины, которой нет на современных звездных картах.