ого магнита — и в кольце толчком, импульсом наводится постоянный ток, не нуждающийся для своего дальнейшего поддержания в непрерывном подводе энергии от аккумуляторов или генераторов.
Нагревание и охлаждение были бы настоящей проблемой в обратимом мире. Отсутствие теплообмена превратило бы стены домов, все вещества в абсолютные теплоизоляторы. Электроплитки и печи не смогли бы работать в обратимом мире — превращение электрической энергии в тепловую, как и горение топлива, безусловно запрещены. Впрочем, если бы даже они и работали, от них все равно не было бы никакого толку: из-за отсутствия теплообмена неопределенно долго могут соседствовать нагретый до миллиона градусов газ и стенки сосуда. Жидкий кислород можно смело хранить в одной банке с расплавленным чугуном, а человек с равным успехом мог бы купаться в расплавленной лаве вулканов и в ледяной воде арктических морей.
Одежда и жилище в таком мире, естественно, утратили бы одно из своих основных назначений — защищать человека от холода и жары. Температура, с которой младенец появляется на свет, в обратимом мире чудесным образом сохранялась бы на всю жизнь.
Итак, со всем, что касается выработки, передачи и сохранения энергии, со всем, что касается перемещения и транспортировки, в обратимом мире дело обстоит неплохо, хотя в обмен за это мы получаем некоторые неожиданные и весьма катастрофические последствия. Но дело не исчерпывается одними этими катастрофами. Вся беда в том, что требование обратимости, по сути дела, налагает запрет практически на любое потребление энергии.
Действительно, в обратимом мире различные формы движения можно сколь угодно долго и без всяких потерь превращать одну в другую, но их невозможно употребить на что-нибудь полезное для человека, так как в таком мире невозможна никакая обрабатывающая промышленность. Вдумайтесь, например, куда девается сейчас энергия, вырабатываемая электростанциями земного шара. Парадоксально, но факт: вся она превращается в теплоту на фабриках, заводах, шахтах. Но зато ценой такого превращения мы достигаем того, что из руды получается металл, из металлических листов — детали, из древесины — бумага, из волокон — ткани. Короче говоря, ценой превращения работы в теплоту мы необратимо преобразуем лицо нашей планеты.
Стоит лишь изгнать из окружающей нас природы необратимость — и привычный мир развалится на глазах. Ткани, веревки, канаты, бумага расползутся на отдельные волокна. Металлы станут абсолютно упругими, и их обработка будет невозможна. Гвозди и шурупы повыскакивают из стен, раскрутятся все винты и гайки, мгновенно соскользнет наземь все, что сейчас держится силой трения.
Больше того, обратимый мир оказался бы настоящей копилкой всех звуков, произведенных или произнесенных на Земле. Уже одно это сделало бы невыносимым наше существование, ибо негде укрыться от чудовищной какофонии, в которой соседствовали бы все удары грома, происшедшие на земле, все выстрелы и взрывы, все автомобильные, паровозные и пароходные гудки, разговоры и крики всех людей, когда-либо живших на нашей планете…
Вот от каких катастрофических последствий избавляет нашу жизнь необратимость, порождаемая трением — процессом непосредственного превращения различных форм движения в тепловое движение. Вот почему, если говорить не об идеальных процессах, нет ни одной области физики, к которой не имела бы отношения термодинамика — учение о теплоте.
Мы уже писали, что зарождение и развитие любого из разделов физики начиналось тем раньше и легче, чем меньше изучаемые в этом разделе процессы зависели от трения и чем, следовательно, проще было идеализировать их, то есть мысленно очистить от порождаемых необратимостью тепловых эффектов.
Чтобы оценить величие основоположников термодинамики, мы должны ясно понимать: им надлежало идеализировать, очистить от необратимости сами тепловые эффекты! Забегая вперед, скажем: им удалось установить, что тепловое движение наделено некоей двойственностью. С одной стороны, существует огромный класс явлений, в которых тепловое движение в принципе выступает, как говорится, «на равных» с другими формами движения и ничуть «не хуже» механического, электрического, магнитного, химического и т. д. С другой — есть множество процессов, в которых тепловое движение, порождаемое трением, играет особую роль, принципиально отличается от всех других форм движения. Другими словами: не всякий тепловой процесс должен быть необратимым, но всякий необратимый процесс должен быть тепловым. Идеализация, то есть устранение трения из всех изучаемых процессов, в том числе и тепловых, равнозначна превращению физики в некую обобщенную механику, в которой нет принципиального различия между механическими, электромагнитными, химическими, световыми и даже тепловыми процессами. Все эти процессы в обобщенной механике полностью обратимы и все формы движения полностью и без всяких потерь могут сколь угодно долго переходить одна в другую. Но прежде чем была достигнута такая ясность, создателям термодинамики пришлось пройти весьма мучительный путь, изобиловавший такими драматическими моментами, каких, быть может, и не найдется в истории других наук…
Научные теории подобны мышам, утверждал некогда Вольтер. Как мышь может счастливо проскочить девять мышеловок и попасть в десятую, так и научная теория, удачно объяснившая девять фактов, может быть опровергнута одним-единственным десятым. Эксперименты баварского министра внутренних дел графа Румфорда как раз и оказались такой «десятой мышеловкой» для теории теплорода.
XVIII век вошел в историю физики как эпоха невесомых материй — импондерабилий. Будучи не в состоянии найти хоть что-нибудь общее в механических, оптических, электрических, магнитных явлениях, ученые тех времен с большой легкостью плодили всевозможные материи и жидкости — электрическую, магнитную, световую и т. д. Убедившись в безрезультатности всех попыток взвесить их, они пришли к выводу, что жидкости эти — невесомые. Была придумана соответствующая жидкость — теплород — и для объяснения тепловых процессов. Нужно признать: теплород сослужил хорошую службу науке. Он внес известный порядок в хаос накопленных к тому времени фактов. Он позволил выделить из массы явлений окружающего мира явления чисто тепловые. Следуя теории теплорода, плеяда блестящих экспериментаторов заложила основы современной калориметрии. И вольно или невольно мы и по сию пору отдаем дань уважения достижениям этой теории, когда произносим терм-ины «теплоемкость», «теплопроводность», «теплота парообразования», «теплота плавления». Но был один факт, который вызывал смутное беспокойство у сторонников теплородной теории. Факт этот — выделение теплоты при трении. Чтобы не отказаться от множества объясненных с помощью теплорода явлений, ученые попытались приспособить теорию и для толкования этого процесса.
Первое, что пришло им в голову, — рассматривать нагрев при трении как «выжимание» теплорода из тел. Позднее они стали более тонко объяснять этот эффект уменьшением теплоемкости при трении, а образование теплоты — освобождением теплорода из химически связанного состояния. Все это получилось так удачно, что из факта, противоречащего теории, трение превратилось в факт, подтверждающий ее.
И вот на тебе: Румфорд поставил опыты, убийственные для такой удобной теории. Он доказал: трением двух тел можно получать большие, быть может, даже неограниченные количества теплоты. Его эксперименты лишили хитроумные объяснения приверженцев теплорода всякого смысла. Убедительности румфордовских опытов способствовали их поистине министерские масштабы. Вместо пробирок, реторт, жаровен, характерных для научных лабораторий тех лет, баварский министр пользовался сверлильными станками, пушечными стволами и конями-тяжеловесами мюнхенского цейхгауза.
В одном из опытов тупое сверло, прижатое к бронзовой болванке с силой 4500 кг, уже через 30 мин, сделав всего 960 оборотов, нагрело ее почти на 40 °C. Откуда берется такое огромное количество теплоты? «Выжимается» из стружек? Но их слишком мало. Может быть, из воздуха, поступающего внутрь отверстия при сверлении?
Чтобы закрыть доступ воздуху, Румфорд поместил весь прибор в сосуд с водой. Медленно, со скоростью всего 32 об/мин начало вращаться сверло, и спустя два с половиной часа к величайшему изумлению окружающих вода в сосуде начала кипеть. Это убедило Румфорда в том, что из тела можно получать теплоту в неограниченном количестве «без перерыва или пауз и без всяких признаков ослабления или истощения». А такой вывод никак не мог быть увязан с теорией теплорода: то, что в неограниченном количестве может быть получено за счет движения, само должно быть движением. Следовательно, тепловые явления — явления движения.
И все-таки можно понять нежелание ученых признать опыт Румфорда. Невесомые материи сыграли очень большую роль не только потому, что позволяли произвести какую-то классификацию физических явлений. Оказывается, они позволяли довольно точно описывать явления до тех пор, пока не происходило взаимных превращений одних форм движения в другие, пока изучались процессы чисто электрические, чисто оптические, чисто тепловые. Поэтому вплоть до наших дней сохранили свою научную ценность данные электростатики, геометрической оптики, калориметрии, полученные на основе невесомых жидкостей еще в XVIII веке.
Но как только дело доходило до взаимопревращения различных форм движения, наука XVIII века заходила в тупик. Опыты с трением, в которых механическое движение переставало быть механическим и превращалось в теплоту, не случайно стали камнем преткновения для ученых того времени. Как ни парадоксально, эти опыты, которые для нас — ярчайшее подтверждение принципа сохранения, тогдашним ученым казались вопиющим нарушением именно этого принципа. Внутренним чутьем ученые всегда угадывали: материя не появляется из ничего, ее нельзя уничтожить без следа или сотворить в любых количествах. Этот неизреченный, не сформулированный точно принцип распространяли они, естественно, и на невесомые материи. Из того, что у них не было веса, вовсе не следовало, что их можно уничтожить. Количество теплорода, светового вещества, магнитной и электрической жидкости в окружающем нас мире должно оставаться постоянным. Да, они могут переходить из тела в тело. Да, они могут «скрываться» и «выжиматься», но они не могут быть ни уничтожены, ни созданы вновь.