Оба количества теплоты, посредством которых определяется температура, являются, как показывает опыт, всегда положительными величинами. Не существует никаких отрицательных абсолютных температур; термодинамическая шкала имеет абсолютную нулевую точку. Этого можно было бы избежать, если за меру температуры принять приближенную функцию этой температуры, например ее логарифм, что является вполне возможным, так как не противоречит никакому закону природы. Если так не поступают, то это происходит потому, что в нашем понятии температуры имеется еще конвенциональный элемент, как правильно указал Эрнст Мах (1838-1916). Если бы это сделали, то шкала уходила бы в бесконечность в направлении отрицательной температуры и можно было бы избежать иллюзии, что нельзя дальше охлаждать тело при достижении, скажем, 1° К. Уже теперь достигнуты гораздо более низкие температуры. Фактически абсолютная нулевая точка недостижима, как это показал в 1906 г. Вальтер Нернст (1864-1941).
Блэк и его современники считали теплоту неразрушимым и несоздаваемым веществом, так как, согласно опыту, при выравнивании температур одно тело получает точно столько же теплоты, сколько другое отдает. Даже в случае созданной Джемсом Уаттом (1736-1819) паровой машины, совершившей в 1770 г. переворот в экономике, сначала никто не признавал, что подведенная к паровому котлу теплота частично превращается в механическую работу и как теплота, таким образом, теряется. Из-за этого заблуждения гениальная интуиция Сади Карно (1796-1832) о том, что работа паровой машины определяется всеобщим законом перехода тепла от более высоких к более низким температурам, сначала не принесла никаких плодов. Лишь после открытия эквивалентности теплоты и энергии Рудольф Клаузиус (1822-1888) смог вывести отсюда второе начало (гл. 9). Уже из этого видно, какой переворот в физике совершил закон сохранения энергии.
Совершенно другим и совсем не простым вопросом является вопрос о практическом применении термодинамической температурной шкалы. Использованный для ее определения круговой процесс есть мысленный опыт, который нельзя выполнить ни в одном случае с полнейшей точностью. Но все же развитие термодинамики дало средства и пути для перехода от других шкал к термодинамической. Мы не будем здесь заниматься этим, но только укажем, что при измерении высоких температур с большим успехом используют тепловое излучение, тем более, что оно связано с температурой источника излучения простыми и теоретически хорошо обоснованными законами (гл. 13). Таким путем приходят также к определению температур звезд, что имеет величайшее значение для астрономии.
Старейшими средствами понижения температуры были охлаждающие смеси и охлаждение быстро испаряющихся жидкостей. Когда такого рода возможности были исчерпаны, их место постепенно заняло открытое в 1852 г. Джемсом Прескотом Джоулем (1818-1889) и Вильямом Томсоном (позднее лорд Кельвин, 1824- 1907) и по их имени названное явление. Предварительно достаточно охлажденный газ при выпускании через насадку переходит из области более высокого давления в область более низкого давления и при этом происходит небольшое охлаждение. Отсюда постепенно развилась в XIX столетии холодильная техника, для промышленного развития которой особенно много сделал Карл Линде (1842-1934). Характерной частью холодильной машины является «противоток», в котором уже испытавшие расширение и охлаждение части газа охлаждают те части газа, которые еще не испытывали расширения. Можно этот процесс продолжать до тех пор, пока будет достигнута критическая температура и газ будет частично превращен в жидкость. Таким способом в 1883 г. Зигмунд Флорентий Вроблевский (1845-1888) и Карл Станислав Ольшевский (1846-1915) достигли ожижения в значительных количествах «постоянных» газов - кислорода и азота; в 1898 г. Джемс Дьюар (1842-1923) произвел ожижение водорода, а в 1908 г. Камерлинг-Оннес (1853-1926) осуществил чреватое большими последствиями ожижение гелия (гл. 5). Тем самым был превращен в жидкость последний «постоянный» газ.
Если заставить кипеть одну из этих жидкостей под сниженным давлением, то можно получить температуры значительно более низкие, чем температуры ожижения. У водорода приходят приблизительно к 10°, у гелия к 0,7° абсолютной температуры.
Используя понятие температуры и представление о неразрушимости количества тепла, Жан Батист Био (1774-1862) в 1804 г. и в более законченной форме Жан Батист Джозеф Фурье (1768-1830) в 1807 и 1811 гг. основали математическую теорию теплопроводности. Созданные ими для этой цели методы являются классическими вспомогательными средствами математической физики; это относится прежде всего к изображению произвольных функций в виде рядов или интегралов синусоидальных функций. В теории любого волнового процесса, будет ли это звук, волны на поверхности жидкостей или электромагнитные колебания, играет важную роль созданное Фурье разложение на чистые синусоидальные колебания, тем более, что каждый акустический резонатор, каждый оптический спектральный аппарат совершают это разложение автоматически (до известной степени). В дополнение к этому математика создала разложение функций в ряды «ортогональных» функций, которые теперь имеют огромное значение для решения уравнения Шредингера (гл. 14).
Труд Фурье является примером того, как требования физики вызывают фундаментальный математический прогресс.
ГЛАВА 8
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Закон сохранения энергии исторически возник в механике. Уже Галилей применял его, но скорее интуитивно, а не как результат наблюдения. Он указывал, что достигнутая при падении скорость тела позволяет ему подняться на первоначальную высоту, но не выше. Гюйгенс обобщил это положение для центра тяжести системы падающих тел. Лейбниц придал этому принципу в 1695 г. такую форму: произведение силы на путь дает увеличение «живой силы» (vis viva). Ньютон не придавал этому понятию особого значения. Напротив, Иоганн Бернулли (1667-1748) часто говорит о сохранении живых сил (conservatio virium vivarum) и подчеркивает, что при исчезновении живой силы не теряется способность работы, но она только переходит в другую форму. Леонард Эйлер (1707-1783) знал, что при движении материальной точки под влиянием центральной силы живая сила всегда одна и та же, когда точка находится на определенном расстоянии от центра тяжести. К 1800 г. уже было твердо установлено, что в системе материальных точек, между которыми действуют центральные силы, живая сила зависит только от конфигурации и от некоторой функции сил, определяемой этой конфигурацией. Термин «энергия» для живой силы применил в 1807 г. Томас Юнг (1773-1829), а понятие «работа» - в 1826 г. Жан Виктор Понселе (1788-1867).
Затем была установлена невозможность построить чисто механически perpetuum mobile. Что это не можетбыть достигнуто также никакими другими средствами, было в конце XVIII столетия, пожалуй, всеобщим убеждением; по крайней мере, Французская Академия решила в 1775 г. не принимать больше на рассмотрение мнимых решений этой проблемы. Какой положительный выигрыш получила наука из этого так отрицательно звучащего воззрения, показало, однако, лишь XIX столетие.
Первый, кто поставил в связь теплоту с работой, был Сади Карно, который, однако, ошибочно считал, что теплота есть неизменная по количеству субстанция (гл. 7). Лишь в 1878 г., когда закон сохранения энергии был уже давно признан, была издана забытая статья рано умершего Карно, в которой он отказался от этого ошибочного исходного пункта и без вывода дал вполне правильно механический эквивалент теплоты. На ход истории Карно больше влияния не имел *).