Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Удовлетворимся ли мы заявлением, что различие между живыми и неживыми организмами заключается в том, что живые организмы могут производить локальное уменьшение энтропии, а неживые — нет?
Что ж, выдвинув это утверждение, мы явно встали на верный путь, но, к сожалению, такого определения пока недостаточно. Солнечное тепло тоже может вызывать локальное уменьшение энтропии, когда выпаривает воду из океана, то есть поднимает в воздух огромные массы водяного пара. Силы, задействованные в геологических процессах, происходящих в земной коре, способны воздвигать горы в несколько миль высотой, что тоже подразумевает масштабное уменьшение энтропии. Однако ни Солнце, ни Земля не являются живыми ни в одном из смыслов, которые вкладывает в это понятие человек.
Надо еще поработать над нашим определением. Итак, продолжим.
Глава 6.
ДВИЖУЩИЕСЯ ЧАСТИЦЫ
Еще со времен Джоуля, Кельвина, Майера, Гельмгольца и Клаузиуса, со времен открытия двух великих законов термодинамики, точного представления о том, что же такое тепло, не существовало. По крайней мере, такого, которое удовлетворило бы работающих с теплом ученых.
Это совершенно не означает, что законы термодинамики неполноценны, — они основаны на наблюдениях и не зависят от природы тепла. Однако с практической точки зрения этот факт осложнял применение законов термодинамики к каким-либо иным энергетическим устройствам, кроме тепловых машин, — к тем, где отсутствует тепловой поток.
Например, человеческий организм — главный предмет рассмотрения данной книги — определенно работает, и при этом температура его (37 °С) однородна и постоянна.
Разве это не является нарушением второго закона термодинамики? Мы уверены, что не является, но для того, чтобы четко понимать, почему именно не является, надо понять новую концепцию тепла как такового, выдвинутую впервые около 1800 года, а окончательно принятую научным сообществом только в 1860 году.
Начнем с того, что среди прочих над природой тепла размышляли и такие ученые, как Галилей и Ньютон. Они (и не только они) представляли себе тепло как движение мельчайших частиц материи. Для них это было вполне естественное предположение, поскольку эти великие ученые, исследуя в первую очередь законы движения и представляя тепло одной из форм движения, стремились вписать его в рамки своих грандиозных обобщений.
Однако в XVIII веке принято было представлять тепло как невесомый нематериальный ток. Такую точку зрения впервые выдвинул голландский физик Герман Бургаве примерно в 1700 году. В общем-то никаких объективных причин считать, что тепло представляет собой движение или вибрации, либо предполагать, что в горячих телах это движение или эти вибрации происходят быстрее, чем в холодных, не было. Разговоры о том, что, мол, существуют некие микрочастицы, слишком маленькие для того, чтобы их можно было увидеть, и вибрирующие слишком быстро и малоамплитудно для того, чтобы это можно было заметить, дети «эпохи рассудка» могли воспринимать только как заумную фантасмагорию.
Точнее говоря, в 1738 году профессор-математик из Санкт-Петербурга, столицы России, которого звали Даниил Бернулли, показал, что если представить газы состоящими из крошечных частиц, то из этого можно сделать вывод, что за давление газа отвечает движение этих частиц. Более того, предложенная им математическая модель, при которой скорость этих частиц возрастает по мере повышения температуры, в точности описывала реальные данные наблюдений. Однако его современники сочли эту теорию не более чем забавной спекуляцией. Большинство ученых предпочли принять на вооружение теорию теплорода — невесомого флюида, содержащегося в веществах, поскольку уже тогда было известно (по крайней мере, в представлении общественности) немало подобных флюидов в других областях: свет, электричество, магнетизм и т. п. Все были уверены в существовании такого явления, как «флогистон», — считалось, что его испускает в воздух любое вещество, сгорая или ржавея. Почему бы теплу не быть чем-то подобным? Так и сочли, и флюид тепла получил название «теплород».
Представление об одном из таких флюидов было торжественно похоронено в 1770-х годах, когда Лавуазье опроверг гипотезу о существовании флогистона, заменив ее тем представлением о природе горения и ржавления, которое мы разделяем и сейчас. Он показал, что при этих процессах не теряется или приобретается флогистон, а происходят химические реакции с содержащимся в воздухе кислородом. Однако существование теплорода тот же Лавуазье подтвердил, подкрепив эту теорию собственным авторитетом величайшего химика своего времени. Благодаря его заступничеству теория теплорода продержалась еще полвека, несмотря на лавинообразный рост фактов, свидетельствующих против нее.
Первые эксперименты, результаты которых однозначно указывали на ошибочность поддерживаемой Лавуазье теории теплорода, провел эмигрант из Америки Бенджамин Томпсон. Томпсон был тори и бежал из Америки во время Войны за независимость. Впоследствии, в 1791 году, курфюрст Баварский пожалует ему графский титул, и новоиспеченный граф вскоре женится, как ни забавно, на вдове самого Лавуазье. В историю он попал под именем графа Рамфорда.
В 1798 году граф Рамфорд наблюдал за высверливанием пушечного жерла в одной из оружейных мастерских курфюрста. В процессе погружения сверла в металлический цилиндр выделялось очень много тепла. Чтобы избежать перегрева, отверстие, в котором работало сверло, заливали водой и постоянно подливали ее по мере выкипания.
Сторонники теории теплорода не могли отрицать, что при такого рода трении вырабатывается тепло, и объясняли это так: металлический предмет всегда содержит тепло, а когда сверло вскрывает поверхность предмета, тепло выходит наружу. Рамфорд отметил в связи с этим два факта. Во-первых, количество содержащегося в металле тепла кажется бесконечным — сколько его ни сверли, тепло не перестает вырабатываться. А во-вторых, даже сточившееся сверло, уже практически не углубляющееся в металл, все равно производит не меньше тепла — а строго говоря, даже больше.
Рамфорду пришло в голову лишь одно вразумительное объяснение, почему при сверлении вырабатывается тепло — потому что в него переходит производимая работа. Рамфорд даже придумал единицу измерения механического эквивалента тепла на полвека раньше Джоуля, но выбранное им значение было слишком уж велико. Граф решил, что работа и тепло — тесно взаимосвязанные явления, и, поскольку работа, за которой он наблюдал, представляла собой механическое движение, Рамфорд заключил, что тепло тоже должно представлять собой одну из форм механического движения.
Через год, в 1799 году, близкий по сути эксперимент провел английский химик Гемфри Дэви. Он взял два куска льда и стал тереть их друг о друга с помощью механического устройства при температуре чуть ниже точки замерзания воды. Согласно господствовавшей на тот момент теории теплорода, при такой температуре лед просто не мог содержать в себе достаточно теплорода, чтобы растаять. Однако в процессе трения лед все же начинал таять. Дэви, как и граф Рамфорд, сделал вывод, что энергия движения переводится в тепло, а значит, тепло — это одна из форм движения.
Несмотря на это, теория теплорода господствовала в умах еще несколько десятков лет.
Поколебать ее господство удалось не путем изучения тепла как такового, а путем изучения материи. XVII и XVIII века стали периодом постепенного накопления знаний о свойствах газов. В четвертой главе уже упоминалось о законах Бойля и Шарля. Все эти знания просто взывали к тому, чтобы свести их в единую теорию вроде той, которую безуспешно пытался продвинуть Бернулли.
И вот в 1803 году английский химик Джон Дальтон продвинулся еще дальше. Он предположил, что не только газы, но и вообще любое вещество состоит из крошечных частиц, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть, неделимых и неразрушимых. Он назвал такие частицы «атомами». Этот термин происходит из древнегреческой философии, поскольку еще среди древних греков были философы, которые придерживались сходных взглядов. Однако греки в свое время не увидели в этих теориях ничего, кроме пустых рассуждений, и отвергли их. А Джон Дальтон — и это принципиальная разница! — положил в основу своих выводов строгие экспериментальные данные.
Несмотря на это, теория Дальтона не сразу овладела умами химиков — скорее всего, из-за того, что уложить в голове представление о существовании каких-то частиц, слишком малых для того, чтобы быть заметными в принципе, очень сложно. Но мало-помалу стало выясняться, что эта теория в силах дать ответ на многие вопросы. В ее рамках описывались не только свойства газов (как в теории Бернулли), но и многие свойства химических реакций твердых и жидких веществ. Все реакции обретали единую логику, если рассматривать их как взаимодействие различного рода атомов, связанных в определенные группы (позже их назовут «молекулами»), которые распадаются, чтобы дать возможность образовавшим их атомам связаться уже по-другому. Сами по себе атомы так и продолжали оставаться невидимыми, но преимущества, которые несла с собой теория атомов в отношении понимания свойств вещества, понемногу заставляли ученых ее принять.
