Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шарль выяснил, что газ (а лишь в XVIII веке впервые было установлено существование иных газов, кроме воздуха) расширяется примерно на 1/273 от своего объема при 0° с повышением температуры на каждый градус. Соответственно при понижении температуры на 1º газ сокращался в объеме на 1/273 от своего объема при 0°.
То есть если мы возьмем 273 литра газа при температуре 0° и начнем нагревать, то его объем вырастет до 274 литров при Г, до 275 — при 2°, до 276 — при 3°, и так далее. И наоборот, при -1º объем газа сократится до 272, при -2° — до 271, при -3° — до 270, и так далее.
Если предположить, что закон Шарля верен до самого конца, то при -273° объем газа станет равным нулю, а при более низких температурах величина объема газа примет отрицательное значение, чего быть не может в принципе.
Физиков такие расчеты не особенно изумляли, поскольку основывались на предположении, что закон Шарля верен и для сверхнизких температур, хотя имелись некоторые признаки, позволяющие предположить, что это не так. Во времена Шарля и еще столетие спустя получение действительно низких температур было делом невозможным, и проверить действие закона в таких условиях соответственно было нельзя. Однако уже к 1900 году стало ясно, что задолго до -273° все газы конденсируются в жидкости, а на жидкости закон Шарля не распространяется. Так что — никакого парадокса.
Тем не менее температура в -273° действительно оказалась неким критическим значением, и ученые считают ее абсолютным нулем, точкой, ниже которой температура опуститься не может в принципе. Сейчас самым точным значением абсолютного нуля называют -273,16°, но мы позволим себе округлить это значение. Абсолютный ноль — это температура, при которой тело вообще не содержит тепла. Если принять ее за ноль и отсчитывать от нее привычные нам градусы по Цельсию, то получится, что вода замерзает при 273°, закипает при 373° и так далее. Это — абсолютная шкала температуры (рис. 3).
В 1848 году английский физик Уильям Томсон (позже он получит статус пэра, и нам он сейчас более известен как лорд Кельвин) установил эту систему на прочную теоретическую основу. Поэтому абсолютную шкалу чаще называют «шкалой Кельвина», и, скажем, температуру замерзания воды по ней можно обозначить и как 273 °А, и как 273 °К, причем последнее обозначение встречается чаще.
На шкале Фаренгейта абсолютный ноль — это -460 °F (точнее, -459,69 °F), и можно взять эту точку за ноль, а дальше отсчитывать от нее градусы по Фаренгейту. Первым, кто стал пользоваться такой шкалой, был шотландский инженер Уильям Джон Макуорн Ранкин, и шкала эта теперь называется «шкалой Ранкина». Точка замерзания воды на этой шкале будет равна 492 °Rank, а точка кипения воды — 672 °Rank.
Рис. 3. Различные виды температурных шкал(Название шкалы не сокращается до «R», как можно было бы ожидать, потому что существует еще шкала температуры по Реомюру, которую разработал французский физик Рене Антуан Фершо де Реомюр в XVIII веке, и буквой «R» обозначается именно она. На шкале Реомюра точка замерзания воды — 0 °К, а точка кипения воды — 80 °R. Шкала Реомюра никогда не пользовалась особой популярностью и сейчас представляет сугубо исторический интерес.)
Когда температура и содержание тепла стали легкоизмеримыми явлениями, ученые радостно приняли их под свое крыло и стали по-новому смотреть на энергию. С наступлением XIX века энергию перестали рассматривать как нечто неотрывное от движения. Усиленное внимание к механической энергии привело к замечательным достижениям в XVII и XVIII столетиях, но теперь требовалось нечто большее.
Паровая машина ясно продемонстрировала, что тепло может совершать работу так же, как и падающее тело, и что теплоту соответственно можно считать одной из форм энергии. Магнетизм тоже был признан одной из форм энергии (собственно, в некоторой степени это было ясно уже в Средние века), а проводимые в XVIII веке эксперименты с электричеством показали, что оно тоже является формой энергии.
Само слово «энергия» ввел в науку в 1807 году английский физик Томас Юнг. Наиболее важные из его исследований касались света — еще одной из форм энергии. За несколько десятилетий термин «энергия» расширился до его сегодняшнего понимания и стал означать все, что может производить работу.
Многие ученые стали понимать, что закон сохранения энергии казался нечетко соблюдаемым просто потому, что при оценке не учитывались некоторые из ее форм, в первую очередь — тепло. Так, например, стало ясно, что потери механической энергии при трении сопровождаются выработкой тепла, а значит, вполне возможно, что потери механической энергии уравновешиваются производством энергии тепловой?
В этом отношении выдающимся экспериментатором был английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, занимавшийся изучением того, сколько тепла может произвести тот или иной объем работы. Если закон сохранения энергии действительно верен, то при точном учете всех ее форм заданный объем работы должен приводить к образованию одного и того же количества тепла, независимо от того, какая форма энергии использовалась при совершении работы.
Джоуль начал свои измерения в 1840 году и продолжал их на протяжении десятилетий. Он производил тепло различными способами — путем пропускания электрического тока через проволоку, путем наливания воды в тонкие стеклянные трубки, взбивая лопастями сначала воду, потом масло, потом ртуть, путем трения чугуна, путем пропускания электричества напрямую через раствор, путем вращения проволочной спирали между полюсами магнита…
И каждый раз он подсчитывал количество совершенной работы и количество произведенной при этом теплоты и обнаруживал, что одно и то же количество работы, независимо от источника энергии, всегда приводило к образованию одного и того же количества теплоты. Таким образом Джоуль разработал «механический эквивалент теплоты». Оказалось, что 1 калории тепла соответствует примерно 41 800 000 эрг. работы. В честь Джоуля его именем назвали единицу в 10 000 000 эрг., так что мы можем сказать, что 1 калории соответствует 4,18 джоуля.
Джоулю в 1840-х годах казалось ясным, что в реальном мире энергия действительно сохраняется, если учитывать все без исключения ее формы. По крайней мере, ему не встретилось ни одного случая, где энергия бы не сохранялась. И в течение того же самого десятилетия то же самое поняли и двое немецких ученых — Юлиус Роберт фон Майер и Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц.
Сегодня именно Гельмгольцу принято отдавать пальму первенства в отношении точной и однозначной формулировки принципа сохранения энергии. Этот принцип ученый изложил в книге, изданной им в 1847 году. Согласно содержанию этого научного труда энергию невозможно ни создать, ни уничтожить, она может только переходить из одной формы в другую. Иными словами, общее количество энергии во Вселенной неизменно и никогда не было и не будет иным; нельзя сделать его ни на йоту больше и ни на йоту меньше.
Из некоторых замечаний, находимых в трудах Майера, можно сделать вывод, что он принял этот принцип еще в 1842 году. И он пошел дальше, чем Гельмголыд, причем в том аспекте, который крайне важен для нас в рамках нашей книги. Майер решил, что источником всей энергии, которая есть на Земле, являются солнечный свет и тепло. Более того, он решил, что источником энергии, которую тратят все живые существа, включая человека, тоже является исключительно солнечное излучение. Из этого следовало, что закон сохранения энергии распространяется не только на неживые, но и на живые объекты.
Этот вывод Майера является крайне важным. Человечество всегда считало, что между живой и неживой природой — пропасть. Именно с описания этой пропасти я и начал книгу. До XIX века законы, выводимые учеными для описания деятельности Вселенной, распространялись либо на живые существа, либо на неживую природу, но никогда — и на то и на другое вместе. Планеты двигаются в некоем строго определенном и неизменном порядке, а живые существа — по своему усмотрению. Камень всегда падает вниз, дым — всегда поднимается вверх, но человек может и лечь и подпрыгнуть, как сам того пожелает. С другой стороны, человек или мышь могут поддаться страху или гневу, а кирпич — нет.
И вот впервые родилось предположение о том, что закон природы — закон сохранения энергии — применим в равной степени к живой и к неживой природе. Это был важнейший шаг к пониманию жизни как таковой; возможно, вообще первый шаг к тому, чтобы сделать изучение живой ткани чем-то большим, нежели просто описание.
Но кажется, мы уходим в сторону от цели данной книги, как я описал ее в первой главе. Я писал о том, что понятия работы и энергии помогут нам найти более четкую, чем интуитивная, границу между живой и неживой природой. А сейчас мы, кажется, движемся в обратном направлении — стирая эту границу вообще.
