Текст книги "История науки"

Что такое горение?

Когда горит костер, выделяются тепло и свет. Сегодня мы знаем, что горение костра – это окисление органических веществ кислородом воздуха. Но так считали не всегда. В XVII веке считалось, что горение – это реакция разложения, при котором один из продуктов разложения остается в золе, а другой поднимается вверх в виде огня.

Идею о том, что горение – это реакция разложения, впервые сформулировал в 1667 году немецкий врач Иоганн Бехер (1635–1682). А в 1703 году немецкий химик Георг Шталь (1659–1734) предложил теорию ФЛОГИСТОНА. Согласно этой теории, флогистон – это горячее и ярко светящееся вещество, выделяющееся при горении из сгорающего вещества. А после сгорания от вещества остается зола, которую было принято называть «известью» (на самом деле – окисел).

Уже в XVII веке было понятным, что горят не только дрова, горят и некоторые металлы. Горение металлов тоже считали реакцией разложения с выделением флогистона. С этой точки зрения «извести», образующиеся при горении металлов, считались простыми веществами, а сами металлы – соединениями окислов (как их именовали в то время «земель») с флогистоном.

Однако, если бы флогистон был веществом, выделяющимся при горении металлов, то вес извести, оставшейся после горения образца металла, был бы меньше, чем вес металла до сжигания. Но все оказалось наоборот – продукт сжигания металла весил больше, чем сам металл. Этот факт впервые обнаружил в 1630 году Жан Рэ (1583–1645).

Для объяснения этого странного факта Г. Шталь предложил очень экстравагантную гипотезу, согласно которой флогистон имеет… отрицательный вес. Только такая странная гипотеза позволила свести концы с концами.

Однако развитие химии газов в XVIII веке заставило отказаться от теории флогистона.

Для того, чтобы создать новую теорию горения, нужно было осмыслить понятия «газ» и «воздух».

О том, что нас окружают не только предметы, но и нечто невидимое, находящееся между ними, понимали уже в античном мире. Это невидимое они называли иногда «воздухом», иногда «хаосом». В начале XVII века голландский естествоиспытатель Ян ван Гельмонт (1580–1644) превратил слово «хаос» в слово «газ» и стал рассматривать воздух, как один из газов. А вскоре Эванжелисто Торричелли (1608–1647) показал, что воздух обладает давлением и его давление приблизительно равно давлению столба ртути высотой в 76 см.

В 1650 году бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике (1602–1686) изобрел насос, способный откачивать воздух из-под колпака. Он показал, что если из-под колпака откачать воздух, то свеча гореть не будет. И предположил, что при горении свечи из воздуха что-то поглощается. Фон Герике показал также, что если звенящий колокольчик положить под колпак, из которого выкачан воздух, то звон колокольчика не будет слышен. Отсюда был сделан вывод о том, что воздух проводит звук.

Ван Гельмонт обнаружил, что при сгорании угля образуется «дикий газ», который присутствует в воздухе в виде примеси. Сам же воздух, ван Гельмонт, так же, как и его современники, считал самостоятельным веществом, а не смесью. Попутно ван Гельмонт высказал совершенно правильную идею о том, что дикий газ выделяется и при спиртовом брожении во время производства вина.

В 1754 году Джозеф Блэк (1728–1799) показал, что при нагревании белой магнезии (углекислого магния) выделяется газ, который при пропускании через известковую воду делает её мутной. Этот газ Блэк назвал «фиксируемым воздухом». Было показано, что он обладает теми же свойствами, что и дикий газ Ван Гельмонта и, по-видимому, является тем же самым веществом. Позже этот газ получил название УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА.

В том же 1754 году Блэк сформулировал мысль о том, что воздух – это не газ, а смесь нескольких газов. Свою мысль он обосновал, в частности тем, что известковая вода в открытой банке, через некоторое время мутнеет. А это значит, что в воздухе присутствует некоторое количество открытого им газа.

Прокаливая «свинцовую известь» окисел свинца с углем Антуан Лавуазье (1743–1794) обнаружил, что при этом образуется «фиксированный воздух» Блэка. Первоначально Лавуазье считал его самостоятельным элементом, а окисел – соединением свинца с «фиксированным воздухом», но потом пришел к выводу, что фиксированный воздух это соединение, состоящее из двух элементов, один из которых пришел из угля, а другой – из окисла свинца.

Исследуя превращение металлов в «извести» (на самом деле окислы), Лавуазье показал, что при этом вес металлов возрастает за счет присоединения какой-то части воздуха. С помощью точных опытов в запаянных сосудах Лавуазье показал, что к металлам может присоединиться не более одной пятой части воздуха. Отсюда был сделан важный вывод о том, что воздух – это смесь двух разных газов, один из которых присоединяется к металлам при образовании извести, а другой – нет.

Ещё до Лавуазье мысль о том, что «извести» являются соединениями металлов с чем-то, что приходит из воздуха, высказал французский химик Пьер Байен (1725–1798).

В XVII веке исследователи установили, что при взаимодействии кислот с некоторыми металлами (например, железом и цинком) выделяется легкий газ. Этот газ был исследован в 1766 году Генри Кавендишем (1731–1810). Одно время Кавендиш считал, что этот и газ и является таинственным флогистоном, но затем изменил свою точку зрения. В 1780-х годах А. Лавуазье назвал этот газ hydrogen, а в 1824 году русский химик Михаил Федорович Соловьев (1785–1856) предложил русское название «водород».

Начиная с 1770-х годов, многие химики изучали горение водорода. Они полагали, что при этом образуется какая-то кислота. Но никакой кислоты не образовывалось. Лишь в 1783 году А. Лавуазье показал, что при горении водорода образуется обычная вода.

Пропуская воду через раскаленный ружейный ствол, Лавуазье показал, что при этом образуется легкий газ, открытый Кавендишем. А само ружье ржавеет.

В 1771 году шведский химик Карл Шееле (1742–1786), прокаливая селитру с серной кислотой, получил газ, который назвал «огненным воздухом». Ибо в нем ярко горели многие вещества. А в 1774 году Джозеф Пристли (1733–1804) получил этот же газ, прокаливая окись ртути. Значение этих открытий первым осознал А. Лавуазье, создавший принципиально новую теорию, объяснявшую горение металлов и не только металлов. Согласно этой теории, металлы и водород являются ПРОСТЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ, а извести и вода – их СОЕДИНЕНИЯ с огненным воздухом. Фиксированный воздух Блэка – это тоже соединение угля с огненным воздухом. Горение – это не реакция разложения, как считали сторонники теории флогистона – это реакция соединения.

Для огненного воздуха А. Лавуазье придумал название oxygen (в переводе на русский язык – кислород). А для другого газа, входящего в состав воздуха – азот.

Интересно, что открывший кислород Дж. Пристли (1733–1804) до самой своей смерти оставался бескомпромиссным сторонником теории флогистона.

Вопросы:

**. Что такое горение с точки зрения химии?

**. В чем сущность теории флогистона?

**. Какие факты позволили А. Лавуазье отказаться от теории флогистона и перейти к современным представлениям о механизме горения?

Вопросы для любителей подумать:

**. На каком основании был сделан вывод, что воздух – это не вещество, а смесь веществ?

Закон сохранения массы

Еще древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 до н. э.) считал, что при различных превращениях в природе общий вес веществ не изменяется. Это мнение разделял и Аристотель.

Мнение о том, что суммарный вес веществ при разных изменениях остается постоянным вплоть до XVII века считалось не сколько даже законом природы, сколько чем-то само собой разумеющемся. Однако Жан Рэ (1583–1645), а затем Роберт Бойль (1627–1691) экспериментально обнаружили факт, который, казалось бы, противоречил общепринятому мнению. При нагревании свинца образец этого металла становился более тяжелым.

Сегодня мы знаем, что это произошло потому, что свинец прореагировал с кислородом воздуха и при этом образовался оксид. Однако Р. Бойль этого не знал и предположил, что при превращении веществ их суммарный вес может нарушаться.

Несколько десятков лет спустя опыт Р. Бойля повторил Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765). Однако он нагревал металл, находившийся в наглухо закрытом сосуде. И оказалось, что вес сосуда при этом не изменился, хотя металл стал более тяжелым. Ломоносов сделал естественный вывод, что металл присоединил к себе некоторое количество воздуха и, по крайней мере, в данном случае, при превращении веществ их суммарный вес остался постоянным.

Несколько позже французский физик Антуан Лавуазье (1743–1794) провел большое число исследований подобного рода, которые подтвердили мнение о том, что суммарный вес веществ при химических превращениях не меняется. Он сформулировал это утверждение, как фундаментальный ЗАКОН ПРИРОДЫ: ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ. Вместе со сформулированным в 1840-х годах ЗАКОНОМ СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ, закон сохранения массы стал одной из фундаментальных основ современной физики.

Значительно позже, уже в XX веке, было показано, что масса может превращаться в энергию и был сформулирован единый ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ И ЭНЕРГИИ.

Вопросы:

**. Какие факты заставили Роберта Бойля прийти к выводу о том, что при химических превращениях общий вес может изменяться?

**. Какие опыты опровергли мнение Р. Бойля о том, что при химических превращениях общий вес может меняться?

Вопросы для любителей подумать:

**. Мог ли Евгений Онегин обсуждать с Владимиром Ленским закон сохранения массы? Закон сохранения энергии?

Энергия и её сохранение

С давних времен люди мечтали о создании устройства, которое не потребляя топлива, производило бы полезную работу. Такое устройство получило название ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

Считается, что первый проект вечного двигателя предложил около 1150 года индийский математик Бхаскара (1114–1185). Несколько позже идея создания вечного двигателя пришла в Европу. Многие европейские изобретатели (в том числе Леонардо да Винчи (1452–1519)) пытались создать вечный двигатель, но все их попытки неизменно заканчивались провалом. И постепенно исследователи приходили к убеждению, что создание вечного двигателя невозможно. В 1775 году Французская Академия наук приняла решение более не принимать к рассмотрению проекты вечных двигателей.

Однако только в середине XIX века стало понятным, что за невозможностью создания вечного двигателя стоит фундаментальный закон природы: ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.

ЭНЕРГИЯ является одним из наиболее фундаментальных понятий современной физики. Энергия – это СКАЛЯРНАЯ ВЕЛИЧИНА, характеризующая, в конечном итоге, интенсивность движения.

Термин «энергия» впервые появился в работах Аристотеля. Однако вплоть до начала XIX века в физической науке этот термин практически не употреблялся. Вместо него употребляли другие термины (сила, живая сила и т. д.).

Аристотелевский термин «энергия» в современной науке воскресил в 1807 году выдающийся физик, врач и лингвист Томас Юнг (1773–1829). Его представлении об энергии были близки к современным. Однако до середины XIX века термин «энергия» в науке употреблялся редко. Широкое распространение этот термин получил только после работ Уильяма Томсона (1824–1907), выполненных в 1850-х годах.

Существует много форм энергии. Это ЭНЕРГИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ, ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭНЕРГИЯ, ЭНЕРГИЯ СВЕТА и т. д. До поры до времени эти формы энергии изучались по отдельности, независимо друг от друга.

Рассмотрение истории формирования представлений об энергии мы начнем с энергии механического движения.

В 1686 году Г. В. Лейбниц (1646–1716) ввел понятие «живой силы» движущегося тела, которую определил, как способность передвинуть другое тело на определенное расстояние при наличии противодействующей силы (например, силы трения). Он показал, что живая сила пропорциональна не скорости движущегося тела, а её квадрату. Кроме того, она пропорциональна массе (весу) тела. В настоящее время эту живую силу (умноженную на постоянный коэффициент 0.5) называют КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ.

Лейбниц предполагал, что после завершения перемещения живая сила не исчезает, а переходит к частичкам, из которых состоит перемещающееся тело. В дальнейшем эта идея стала одной из основ для ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.

В 1740 году увлекавшаяся естественными науками возлюбленная Франсуа Мари. Вольтера (1694–1778) маркиза Эмилия дю Шатле (1706–1749) написала учебник физики, в котором изложила взгляды Лейбница на «живую силу». После этого идея «живой силы» стала популярной. А в 1807 году физик и врач Томас Юнг (1773–1829) предложил вместо термина «живая сила» использовать термин «энергия».

В 1829 году Гаспар Гюстав Кориолис (1792–1843) ввел понятие МЕХАНИЧЕСКОЙ РАБОТЫ. Механическая работа по Кориолису – это произведение расстояния, на которое перемещается тело, на силу, противодействующую этому перемещению. Он показал, что половина живой силы Г. В. Лейбница равна способности тела совершить механическую работу по перемещению другого тела.

Изучение ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ имеет давнюю историю. Она началась с осознания того, что существуют тела более нагретые и менее нагретые. И о том, что тепло может переходить от более горячего тела к более холодному. Количественную меру степени нагретости тела назвали ТЕМПЕРАТУРОЙ.

В 1724 году физик Габриэль Фаренгейт (1686–1736) предложил простой способ измерения температуры. Он предложил измерять её по увеличению длины столбика ртути в стеклянной трубочке. Он сравнил высоту этого столбика при температуре таяния льда и при температуре кипения воды и условно принял, что при таянии льда температура равна 32 единицам, а при кипении воды – 212. А затем он разделил расстояние между положением столбика ртути при таянии льда и кипении воды на 180 (212 – 32 = 180) равных промежутков и назвал единицу повышения температуры, при которой столбик поднимается на одно деление, ГРАДУСОМ.

В шкале Фаренгейта не было понятия отрицательной температуры: в морозную погоду температура ниже нуля не опускалась.

В 1742 году шведский физик Андреас Цельсий (1701–1744) предложил считать температуру кипения воды равной 0 единицам температуры, а температуру таяния льда – 100 единицам. Единицу температуры Цельсий также назвал ГРАДУСОМ. При этом температура более холодного тела считалась выше, чем температура более теплого. Это было неудобно и в 1745 году соотечественник и друг Цельсия Великий Биолог Карл Линней (1707–1788) предложил считать нулем градусов температуру таяния льда, а ста градусами – температуру таяния воды. Это предложение было принято.

Вплоть до XX века в мире сосуществовали две ШКАЛЫ ТЕМПЕРАТУР: шкала Фаренгейта и шкала Цельсия. В настоящее время шкала Фаренгейта вышла из употребления и температуру измеряют в шкале Цельсия. В шкале Цельсия, в отличии от шкалы Фаренгейта, температуры могут быть отрицательными.

В научном мире длительное время сосуществовали две точки зрения поводу того, что такое тепло. Согласно одной точки зрения тепло – это такое вещество, согласно другой – тепло – это интенсивность движения частиц, из которых состоит тело.

Мысль о том, что тепло – это интенсивность движения частичек тела, выдвигали многие исследователи, например, Иоганн Кеплер (1571–1630), Роберт Бойль (1627–1691), Готфрид Лейбниц (1646–1716), Даниил Бернулли (1700–1782), Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765). Однако было и другое мнение, согласно которому тепло – это невесомое вещество. Этого мнения придерживался и Великий Химик Антуан Лавуазье (1743–1794), который предложил для «вещества тепла» термин ТЕПЛОРОД.

Лавуазье считал, что любой природный объект состоит из смеси обычных веществ с теплородом. Из подобных взглядов выросла традиция измерять крепость спиртных напитков в градусах.

Из обеих точек зрения логически вытекала мысль о том, что температура не может понижаться до бесконечности. Понижение температуры тела должно закончиться, когда тело отдаст весь теплород или в нем прекратится движение частичек.

Идею о том, что температура не может понижаться до бесконечности, впервые выдвинул в 1702 году французский физик Гийом Амонтон (1663–1705). Он пришел к выводу о существовании АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ температуры. А в 1848 году английский физик Уильям Томсон (1824–1907) предложил новую температурную шкалу, в которой за нуль принималась температура при Абсолютном нуле. Единицей повышения температуры в этой шкале был градус, количественно равный градусу Цельсия. Эта шкала позже получила название ШКАЛОЙ КЕЛЬВИНА (Кельвин – это маленькая речка в Шотландии; в 1892 году английская королева присвоила Томсону титул лорда, и он стал именоваться лордом Кельвином).

В конце XVIII века исследователи начали обращать внимание на тесную связь между теплом и механическим движением. Эту связь самым наглядным образом демонстрировали активно внедрявшиеся в Англии ПАРОВЫЕ МАШИНЫ, в которых тепло превращается в движение.

Возможно ли обратное превращение?

В 1798 году американский исследователь Бенджамин Томсон (Румфорд) (1753–1814) наблюдал за сверлением каналов в орудийных стволах и обратил внимание на то, что при этом стволы сильно нагреваются. Он предположил, что движение может превращаться в тепло и начал исследовать это превращение экспериментально. Так, в одном из опытов в погруженном в воду куске металла тупым сверлом высверливалось отверстие. Сверло приводилось в движение силой двух лошадей. Спустя два с половиной часа вода закипела (!!!). Из своих опытов Б. Томсон сделал вывод, что теплорода не существует и что тепло – это не вещество, а движение частиц.

Таким образом, на рубеже XVIII и XIX веков стало ясно, что механическое движение и тепло могут взаимно превращаться друг в друга. Однако до осознание того факта, что при этом превращении сохраняется какая-то физическая величина, оставалось еще полвека.

В первой половине XIX века началось активное исследование электричества и магнетизма.

Вначале электричество и магнетизм изучали независимо друг от друга, однако в 1819 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) показал, что возле проводника, стрелка компаса отклоняется. Иными словами, ЛЮБОЙ ПРОВОДНИК, по которому течет электрический ток, становится магнитом. После этого физики стали изучать ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, как единое целое.

Несколько позже благодаря трудам Андре Мари Ампера (1775–1836) и Майкла Фарадея (1791–1867) была установлена связь между электромагнитными явлениями и механическим движением.

Еще в 1800 году Антуан де Фуркруа (1755–1809) показал, что проводник, по которому течет ток, нагревается. Но только 40 лет спустя Джеймс Джоуль (1818–1889) и Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) показали, что количество тепла, выделяемого проводником, пропорционально его сопротивлению и квадрату силы тока.

Иными словами, электричество может превращаться в тепло.

В 1821 году Томас Иоганн Зеебек (1770–1831) открыл обратное явление – превращение тепла в электричество. Он соединил в кольцо две проволоки из двух разных металлов и нагревал место соединения. В результате в кольце появлялся электрический ток.

О том, что электричество и магнетизм вызывают механическое движение, знали уже давно. А в 1831 году Майкл Фарадей (1791–1867) обнаружил, что при перемещении проводника в магнитном поле в проводнике возникает электрический ток.

Уже давно было известно, что химические превращения могут сопровождаться поглощением или выделением тепла. А в начале XIX века году была установлена связь между химическими электрическими явлениями. В 1800 году Алессандро Вольта (1745–1827) изобрел первую «батарею», дающую постоянный электрический ток. А в следующем году Иоганн Риттер (1776–1810) высказал предположение, что батарея А. Вольта дает электрический ток потому, что в ней происходит химическая реакция. В этом же году Уильям Никольсон (1753–1815) и Энтони Карлайл (1768–1842) в Англии и Иоганн Риттер в Германии показали, что при пропускании электрического тока через воду выделяются кислород и водород.

В начале XIX века немецкий физик и философ Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) высказал очень важную мысль о том, что все силы в природе имеют под собой единую основу и могут взаимно превращаться друг в друга.

В студенческие годы Риттер был неформальным лидером кружка молодых интеллектуалов, в который входили Фридрих Гарденберг (1772–1801), Фридрих Гельдерлин (1770–1843), Фридрих Шеллинг (1775–1854), Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851). Эти молодые люди много и горячо обсуждали самые разные проблемы: и философские, и политические, и научные, и литературно-художественные, зачастую высказывая весьма радикальные взгляды.

Судьбы членов Кружка сложились по-разному. Ф. Шеллинг стал (наряду с Иммануилом Кантом (1724–1804), Иоганном Готлибом Фихте (1762–1814), Георгом Фридрихом Вильгельмом. Гегелем (1770–1831)) одним из четырех классиков немецкой философии. Основная идея, пропагандируемая Шеллингом, заключалась в том, что мир – это единое развивающееся целое. И вряд ли можно сомневаться в том, что Риттер и Шеллинг оказали сильное влияние друг на друга.

Ф. Гарденберг (который публиковал свои произведения под псевдонимом Новалис) и Гельдерлин стали крупными поэтами. К сожалению, их талант не смог раскрыться в полной мере: Новалис умер, не дожив до 30 лет, а Гельдерлин психически заболел и последние 40 лет своей жизни прожил под присмотром врачей.

Ханс Эрстед стал физиком. Он первым экспериментально показал связь между электричеством и магнетизмом, о чем уже говорилось выше. Связь его главной работы с идеями Риттера совершенно очевидна.

Пытаясь обосновать свою основную идею И. В. Риттер начал исследовать связь между светом и химическими процессами. Эту связь обнаружил в 1727 году немецкий химик Иоганн Генрих Шульце (1685–1744), показавший, что соли серебра чернеют из-за того, что на них падает свет. В своих экспериментах Риттер разлагал с помощью призмы поток белого света на разноцветные лучи и облучал этими лучами соли серебра. К своему удивлению он обнаружил, что соли серебра сильнее всего чернеют в той области, где никакого видимого света нет. Риттер совершенно правильно объяснил свое наблюдение существованием невидимых ультрафиолетовых лучей.

В 1818 году работающий в России барон Теодор фон Гротгус (1785–1822) сформулировал основной закон химических превращений под действием света (ФОТОХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ). Согласно этому закону, химические превращения того или иного вещества вызывал только тот свет, который этим веществом поглощался.

Таким образом, мы имеем все основания считать, что в начале XIX века произошла НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ, основным содержанием которой было осознание возможности «взаимопревращения сил». Оказалось, что внешне совершенно различные явления и процессы могут переходить друг в друга. Результатом этой революции стало формирование ФИЗИКИ, как ЕДИНОЙ НАУЧНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ, изучающей с единых позиций и механическое движение, и электрические процессы, и свет, и тепло. В философии итоги этой научной революции были осмыслены в трудах Фридриха Шеллинга (1775–1854).

Логическим завершением этой научной революции стал ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.

В середине XIX века было осознано, что при любом превращении «сил» друг в друга величина, характеризующая их общее количество, остается неизменной. Первым сформулировал эту мысль отнюдь не профессиональный физик, а немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878). Произошло это в 1842 году.

Ю. Р. Майер был корабельным врачом. Когда корабль, на котором он служил, стоял на рейде в жаркой Батавии (Джакарте), Майер обнаружил, что в венах у матросов течет не синяя, а красная кровь. То есть, организм почти не забирает из крови кислород.

К этому времени уже существовало понимание, что дыхание – подобно сжиганию топлива, в результате чего выделяется Нечто, что двигает человеческое тело. Майер предположил, что это Нечто организм может получать не только при сжигании топлива, но и непосредственно из теплого воздуха. Поэтому то в жару и нужно сжигать меньше топлива.

Вообще говоря, с точки зрения физиологии эта мысль очень неточна. Дело в том, что организм Млекопитающего (к которым принадлежит и человек) должен поддерживать постоянную температуру внутри тела. И именно для этого расходуется значительная часть сжигаемого топлива. А совершать механическую работу за счет поглощаемого извне тепла человек в принципе не может. Но неправильная предпосылка привела к правильному выводу: при химических превращениях и взаимном переходе между теплом и механическим движением сохраняется некоторая величина, которую Майер по старинной традиции назвал «силой».

Название силы для такой величины было явно неудобным: ведь этот же термин имел и второе значение, которое ему присвоил Исаак Ньютон. Нужен был другой термин, который и ввел через 10 лет Уильям Томсон (1824–1907).

Чуть позже Майера к мысли о том, что превращении механического движения в тепло и обратно сохраняется какая-то величина пришел Джеймс Джоуль (1818–1889). Он попытался оценить эту величину количественно и предложить способ её измерения.

Джоуль рассуждал следующим образом. Тело, падающее с определенной высоты, может совершить какую-то работу, за счет которой нагреется вода. К этому времени уже умели измерять количество тепла (в калориях) и механическую работу, которую может выполнить падающее тело. Джоуль предположил, что за количеством тепла и выполненной работы стоит одна и та же величина и попытался определить, с какой высоты должно падать тело стандартного веса для того, чтобы нагреть стандартный объем воды на 1 градус. В результате его экспериментов получилось, что для того, чтобы нагреть 1 г воды на 1 градус тело массой 1 кг должно падать с высоты 4.184 м. И эта величина неизменно получалась во всех экспериментах.

Ещё в XVIII веке количество тепла, которое необходимо сообщить одному грамму воды для того, чтобы нагреть её на 1 градус, получило название КАЛОРИИ. А величина, характеризующая работу, которую может совершить тело массой 1 кг, падающее с высоты 1 метра в те времена ещё никак не называлась. Лишь значительно позже она (по понятным причинам) получила название джоуль.

Опыты Джеймса Джоуля наглядно показали, что одна калория ВСЕГДА равна 4.184 джоуля.

Третьим исследователем, независимо сформулировавшим закон сохранения величины, которая характеризует «силы» стал немецкий исследователь Герман Гельмгольц (1821–1894). В своих рассуждениях он шел от НЕВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

Осознание революционных изменений, которые принес с собой новый закон, сдерживалось архаичностью понятийного аппарата, которым в те времена пользовалась физика. Для того, чтобы новый Закон сохранения действительно стал основой физики, была необходима реформа понятийного аппарата. Эту реформу осуществил тогда ещё очень молодой, но исключительно четко мыслящий физик Уильям Томсон (1824–1907).

Уильям Томсон был одним из первых в мировой истории физиков-теоретиков, сила которых заключалась не в умении поставить эксперимент, а в умении обработать данные, полученные другим и экспериментами. Он великолепно владел математикой и ещё в студенческие годы выполнил ряд интересных чисто теоретических работ. Окончив университета в Глазго, он был оставлен в университете, который специально создал для молодого исследователя новую кафедру Теоретической физики.

Первый вопрос, который поставил перед собой Томсон, заключался в том, как назвать величину, которая, согласно вновь открытому закону, сохраняется. Он понимал, что сохранить для неё название «силы», значит увековечить сложившуюся путаницу. И Томсон предложил назвать эту величину ЭНЕРГИЕЙ.

Термин «энергия» предложил ещё Аристотель. В начале XIX века его воскресил выдающийся английский физик и лингвист Томас Юнг (1773–1829). Термин «энергия» Юнг употреблял в значении, близком к современному, однако не вполне строго.

В 1851 году У. Томсон предлагает назвать сохраняющуюся по новому закону величину ЭНЕРГИЕЙ и предлагает для нового закона сохранения новое название: ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.

В 1848 году У. Томсон ввел понятие АБСОЛЮТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ. Это понятие основывалось на представлении том, что температура является мерой интенсивности движения отдельных частичек, составляющих природные объекты. Если это движение прекращается, то температура достигает абсолютного нуля, ниже которого опуститься не может.

У. Томсон предложил считать нулевой температурой АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ, при которой полностью прекращается всякое движение, и измерять температуру так же, как и было принято измерять раньше – в градусах.

В 1851 году У. Томсон предложил называть живую силу Г. В. Лейбница (умноженную на коэффициент 0.5) КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ.

В 1853 году инженер Уильям Ренкин (1820–1872) ввел понятие ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ. Потенциальная энергия – это запас энергии, который в настоящий момент не реализуется, но может быть реализован в определенных условиях. Например, камень, лежащий на крыше, обладает потенциальной энергией, которая может реализоваться, когда его с крыши сбросят. Понятие «потенциальной энергии» придало закону сохранения энергии логическую завершенность.

До поры до времени в справедливости закона сохранения энергии никто не сомневался. Однако в начале 1930-х годов этот закон подвергся серьезному испытанию. При исследовании электронов, излучаемых ядрами радиоактивных элементов оказалось, что энергия этих электронов не одинакова, как можно было предположить, но сильно колеблется. И притом она всегда меньше той энергии, которую предсказывали теоретические расчеты. Возник вопрос: куда девалась избыточная энергия? В 1931 году великий датский физик Нильс Бор (1885–1962) предположил, что в этом процессе энергия безвозвратно теряется и, тем самым, нарушается закон сохранения энергии. Это предположение было очень «крутым», но некоторые исследователи были склонны его принять. Несколько менее крутое объяснение выдвинул физик-теоретик Вольфганг Паули (1900–1958), по мнению которого одновременно с электроном из ядра вылетала другая частица, которую очень трудно наблюдать в опыте. Эта частица и уносила с собой избыток энергии.

Последующее развитие физики показало, что прав был В. Паули. А частица, уносившая избыток энергии, получила название НЕЙТРИНО (по-итальянски – «нейтрончик»). Работавший в Советском Союзе итальянский физик Бруно Понтекорво (1913–1993) ласково назвал нейтрино «воришкой энергии».

Вопросы:

**. Когда и кто предложил термин «энергия»?