Явления скрытой теплоты и теплоемкости побудили некоторых физиков уже в предшествующий период нашей науки принять существование особого вещества теплорода. Теория истечения света говорила в пользу принятия некоторого светового вещества; электрические и магнитные явления, в свою очередь, объяснились существованием особых жидкостей; так как наблюдения указывали, по-видимому, на то, что теплота, подобно всякому иному веществу, способна химически соединяться с телами и выделяться из соединений, то понятно, что мысль о существовании особого теплового вещества должна была привлечь на свою сторону большинство физиков. К своему переводу эйлеровых «Писем к немецкой принцессе» Криз (Kries) добавляет особый отдел, очень характерный для господствовавшего в то время отрицательного отношения ко всяким вообще волновым теориям. «Впрочем, свету приписали два свойства: способность светить и способность нагревать. Те, которые считали свет колебаниями эфира, полагали, что и теплота состоит из подобных же колебаний и движений, производимых эфиром в частицах тела. Но в новейшее время теплоту отделили от света и ее уже не считают непосредственным действием последнего.
Химики считают причиной теплоты особую материю, называемую ими теплородом, которая обладает особым сродством к свету, соединяется с последним и становится благодаря этому более сильным деятелем, сообщая, в свою очередь, и свету согревательную силу». Кроме того, наблюдались такие действия света, которых никак нельзя было объяснить одними колебаниями, при наличии которых становится, наоборот, более чем вероятным, «что в очень многих естественных процессах свет принимает участие как составная часть, как нечто телесное... Так, при посредстве света можно из зеленых листьев деревьев и кустов, положенных в воду, получать очень чистый газ, который называют дефлогистированным воздухом. Однако та же вода, те же листья и та же температура, в отсутствии света, не дают ничего...» Отсюда видно, что «свет обладает силой вызывать в некоторых телах разложение некоторых их составных частей, т. е. действовать подобно многим другим химическим веществам, природа которых не заключается в колебаниях».
Чем больше, однако, накоплялось гипотетических жидкостей для объяснения различных физических явлений, тем труднее становилась характеристика каждой из них; для теплорода же оказалось особенно трудным установить его отношение к световой материи. Представляет ли теплород только видоизменение последней, или это, действительно, особое первичное вещество и, если да, является ли он веществом простым или сложным. Между этими крайними течениями мнения колебались очень долго.
Химики-флогистики прямо отожествляли теплород с флогистоном; но когда было доказано, что последнего вообще не существует, отпала, конечно, и эта гипотеза. Делюк пытался в своих «Nouvelles Idées sur la Météorologie» (Paris 1787) («Новые идеи в метеорологии») выставить теплород сложным веществом, чтобы таким путем объяснить связь между светом и теплотой. Он высказал следующее предположение: теплород, как все упругие жидкости, состоит из тяжелого основного вещества и «расширяющей» материи (fluide déférent), весомой части теплорода соответствует огневая материя, которую никогда нельзя получить в отдельном виде; другую часть его составляет световое вещество. Соединяясь с огневой материей, световое вещество теряет способность светить, но зато их соединение приобретает способность нагревать. Подобно тому как водяные пары распадаются при их сжатии на воду и теплород, так и последний, будучи сгущен в телах до известной степени, распадается, по крайней мере отчасти, на свои составные части, выделяет световое вещество и становится светящимся. Солнечные лучи сами по себе не теплы, они возбуждают у нас ощущение тепла лишь после того, как в телах соединяются с огневой материей в теплород. Этим объясняется низкая температура на высоких горах, темнота солнечного ядра, несмотря на окружающую его световую сферу, может быть, также различие климатов под одинаковыми широтами и т. п. Хотя воззрения Делюка нашли много ревностных приверженцев, но они исчезли из науки скорее, чем этого можно было ожидать, судя по первоначальным их успехам.
Основная причина этого заключается в сложности их начал. Там, где можно обойтись одной гипотетической жидкостью, незачем допускать существование двух жидкостей. Поэтому, в конце концов, за теплородом осталось значение простой элементарной «расширяющей» жидкости, совершенно отличной от всех прочих веществ и находящейся лишь к световой материи в некотором, хотя и очень еще неясном, отношении.
Крауфорд в своем знаменитом сочинении о теплоте осторожно обошел вопрос о конечной причине тепловых явлений. Однако Лихтенберг решительно утверждал, что в основе названного сочинения лежит допущение особого теплового вещества. Химики и физики того времени дали этой новой материи, являющейся причиной всех тепловых явлений, название теплорода (caloricum, calorique), которое за ним и осталось до конца. Лавуазье сообщает в своем «Traité élémentaire de chimie» (Paris 1789) («Элементарный курс химии»): «Когда совместно с де-Морво, Бертолле и де-Фукруа мы поставили себе задачей исправить химическую номенклатуру, то причину теплоты, ту в высшей степени упругую жидкость, которая производит тепло, мы обозначили словом calorique».
Многочисленные взвешивания привели к противоречивым результатам. Так, Бойль, Бюффон, позднее Марат и др. вывели из своих опытов заключение, что вообще нагретые тела тяжелее холодных; другие же физики, как Уайтгерст и Ребук, Фордайс, Гютон де-Морво и др., пришли к противоположному результату. Но вскоре затем установили, что данная задача не была решена ни той, ни другой стороной.
Наблюденные случаи увеличения веса правильно объяснили окислениями и другими химическими изменениями при нагревании тел; а тесовую убыль — опять-таки правильно — действием воздушных токов, поднимающихся от нагретого тела кверху. В самом деле, графу Румфорду удалось показать, что если при взвешивании тщательно избегать всех упомянутых выше влияний, то от нагревания тел не получается ни приращения, ни убыли веса. Таким образом пришлось отказаться от мысли, что теплород имеет какую бы то ни было тяжесть, положительную или отрицательную, и перевести его, подобно свету, магнитным и электрическим жидкостям, из категории обыкновенной материи в разряд невесомых. Лишь немногие физики, пытавшиеся сохранить за тяжестью общий и существенный признак материи, продолжали утверждать, что теплород может все-таки иметь некоторый вес, но слишком малый, чтобы быть доступным для наших весов.
Однако и такая частичная имматериализация теплорода не могла спасти его от крушения; очень выдающиеся физики и химики высказывали большое сомнение в его существовании, некоторые же склонялись к волновой теории теплоты. Развитие теплоты от трения раньше объясняли как прямое выжимание теплорода из тела, подвергнутого трению, и самый этот факт считался прямым доказательством существования теплорода. Позднее это явление стали уже более тонко объяснять уменьшением теплоемкости тел при трении, а образование теплоты истолковывалось как ее освобождение из химически связанного состояния. Но вот выяснилось, что трением двух тел можно получить неопределенно большие, быть может, даже неограниченные количества тепла; тогда, конечно, оба эти объяснения стали совершенно невозможными.
Бенджамин РУМФОРД (Томпсон) сделал в 1778 г., при опытах над силой пороха, замечательное наблюдение, что пушечный ствол от холостых выстрелов нагревается сильнее, чем от выстрелов со снарядами, тогда как следовало как будто ожидать обратного ввиду того, что в последнем случае горячий газ дольше остается в соприкосновении со стенками орудия. Несовместимость этого явления с гипотезой теплорода была замечена Томпсоном, но различные обстоятельства помешали ему продолжать тогда свои опыты. Лишь 20 лет спустя он приступил к новым опытам, которые еще яснее показали несостоятельность гипотезы теплорода. Следя за сверлением пушек в мастерских Мюнхенского военного цейхгауза, Томпсон (тогда уже граф Румфорд) с удивлением заметил огромное развитие тепла при кратковременном сверлении. Чтобы подробнее исследовать это явление, он велел приготовить из пушечного металла цилиндр в 9,8 дюйма длиною, 7,75 дюйма толщиной и высверлить в нем канал длиною в 7,2 дюйма, шириною в 3,7 дюйма. В канал было затем введено почти целиком заполнившее его тупое стальное сверло и прижато к цилиндру с силой около 10 000 фунтов. Когда при этих условиях сверло было приведено во вращательное движение со скоростью 32 об/мин, то уже через 30 мин. или после 960 оборотов вставленный сбоку в цилиндр термометр показал повышение температуры с 60 до 130° Фаренгейта; при этом отделившиеся стружки весили всего 837 аптекарских гранов. Румфорд тотчас же понял, что пришло время разрешить вопрос, существует ли огневая жидкость. Откуда получается здесь такое значительное количество тепла? Дают ли его стружки, оторванные от твердой металлической массы? Но тогда, согласно новейшим воззрениям, должна была бы понизиться теплоемкость стружек и притом настолько, чтобы за счет этого понижения могла образоваться вся полученная теплота. Между тем, судя по данным опыта, это казалось невозможным. Затем оставалось еще предположить, что теплота развивается, может быть, из воздуха, вступающего при сверлении внутрь цилиндра. Чтобы разрешить этот вопрос и совершенно закрыть воздуху доступ в цилиндр, весь прибор был погружен в сосуд с водою. Количество последней составляло 2,5 галлона или 18,77 фунтов. После этого, к общему изумлению всех присутствующих, температура воды поднялась спустя 1 час с 60° до 107°, спустя 1,5 часа до 142°, спустя 2 часа до 170°, а спустя 2,5 часа вода начала кипеть. Этим, по мнению Румфорда, было доказано, что из тела можно получить теплоту в неограниченном количестве «без перерыва или пауз и без всяких признаков ослабления или истощения». Но отсюда, далее, следовало, что теплоту совершенно нельзя считать веществом: то, что всегда может быть в неограниченном количестве получено за счет движения, должно быть, в свою очередь, движением; а потому все тепловые явления следует рассматривать, как явление движения.
Опыты Румфорда были частично повторены, подтверждены и расширены Гемфри Дэви, получившим впоследствии столь большую известность химиком, который уже в первом своем сочинении «Essay on heat, light and the combinations of light» («Опыты по теплоте, свету и соединениям света») выступил решительным противником гипотезы теплорода.
Дэви приводил в трение два куска льда, укрепленных на массивных железных стержнях, и не только констатировал таяние льда от образующейся теплоты, но и нашел, что температура образовавшейся воды оказалась выше температуры окружающего воздуха. А так как теплоемкость воды выше теплоемкости льда, то образовавшаяся теплота, очевидно, не могла получиться за счет уменьшения теплоемкости при трении. Затем, под откачанным колоколом воздушного насоса, обложенным льдом, он привел в движение при помощи часового механизма металлическое колесо, которое терлось о металлическую пластинку; при этом температура настолько повысилась, что воск расплавился. Так как в данном случае прибор не содержал в себе воздуха и не был окружен воздухом, а был обложен льдом, то теплород не мог проникнуть в прибор извне и не мог также освободиться в результате химических процессов. Этим Дэви считал гипотезу о тепловом веществе окончательно опровергнутой и несколько лет спустя прямо высказался за колебательную теорию теплоты.
Так как объем всякой материи может быть уменьшен путем охлаждения, то между частицами материи, очевидно, должны существовать свободные промежутки; так как, далее, всякое тело может сообщить другому более холодному телу силу расширяться, т. е. сообщить его частицам отталкивательное движение, то представляется в высшей степени вероятным, что его собственные частицы находятся в движении. А ввиду того, что пока температура остается постоянной, частицы не меняют своих мест, движение это — если оно существует — должно быть волнообразным или вращательным... По-видимому, все тепловые явления поддаются объяснению, если принять, что в твердых телах частицы находятся в непрерывном колебательном движении, с тем большими скоростями и тем большими размахами, чем сильнее нагрето тело; что в капельных и упругих жидкостях кроме колебательного движения, которое в последних, вероятно, является наиболее сильным, существует еще движение частичек с различными скоростями около собственных осей, причем частицы упругих жидкостей движутся с наибольшей скоростью; и, наконец, что в эфирообразных веществах частицы вращаются около собственных осей отдельно друг от друга, пролетая в пространстве по прямым линиям. Таким образом можно думать, что температура зависит от скорости колебаний, повышение теплоемкости происходит вследствие увеличения пространства, в котором происходит движение, а понижение температуры при превращении твердых тел в жидкости или газы — вследствие ослабления колебательного движения, являющегося результатом вращения частиц около своих осей, начинающегося в тот момент, когда тело становится жидким или газообразным; последнее может быть также объяснено уменьшением скорости колебания вследствие того, что размахи колебаний частиц становятся больше».
Томас Юнг, возродивший волновую теорию света, был, конечно, безусловным приверженцем этой новой теории тепла. Уже в своей работе «On the theorie of light and colours» («О теории света и цветов») он говорит: «Долгое время существовало твердо установившееся мнение, что теплота заключается в колебании частиц тел, распространяющемся волнообразно в пустоте, но в последнее время этот взгляд был почти совсем оставлен. Граф Румфорд и мистер Дэви — почти единственные физики, которые высказались в пользу этой теории; но мне кажется, что она была отвергнута без достаточных оснований, и может быть, скоро она снова получит признание». В своих «Lectures on natural philosophy» (1807 г.) («Лекции по естественной философии») он уже более подробно высказывается в пользу волновой теории теплоты и, в конце концов, приходит к убеждению, что свет и теплота состоят из совершенно одинаковых колебаний, отличающихся лишь тем, что тепловые колебания медленнее световых — и что доводы в пользу волновой теории теплоты даже сильнее доводов в пользу волновой теории света. Тем не менее, эти мысли Юнга встретили со стороны физиков столь же мало внимания, как и его усилия преобразовать оптику.
Несовместимость опытов Румфорда и Дэви с идеей теплового вещества, конечно, была совершенно ясна, так что попытки Уильяма Генри, Бертолле, И. Майера и др. примирить это несогласие встречали мало веры даже в кругу их единомышленников. Но, с другой стороны, принятию теории Румфорда мешало то обстоятельство, что она так же мало объясняла сильно занимавшие всех явления теплоемкости и скрытой теплоты, казавшиеся притом и более важными и в теоретическом и в практическом отношении, как гипотеза теплорода мало объясняла появление теплоты от трения. Румфорд, правда, пытался вывести из своей теории теплоту плавления. Он полагал, что твердое тело становится жидким, когда движение его частиц усиливается настолько, что эти частицы перестраиваются в новые независимые друг от друга системы; необходимое для этого добавочное движение не может быть утрачено. Оно должно оставаться постоянно в жидкости и должно выявиться, когда жидкость затвердевает.
Но это объяснение теплоты плавления, не отличающееся ни ясностью, ни определенностью, казалось еще менее применимым для объяснения удельной теплоты. Таким образом тот факт, что теплота вступает в различные вещества в различных, но совершенно определенных количествах и выделяется из них в таких же количествах по истечении любого времени, заставил большинство физиков вернуться к тепловому веществу; при этом получение теплоты от трения оставалось единственным темным еще неразъясненным пунктом на чистом небосклоне этого учения. В конце концов, физики не без успеха стали обходить этот темный пункт с помощью кратких замечаний. Так, в учебнике физики Био по поводу опытов Румфорда мы встречаем следующее не совсем понятное с точки зрения изложенного выше замечание: «Когда Румфорд... исследовал стружки, образовавшиеся при сверлении бронзовой пушки, оказалось, что они имеют ту же удельную теплоемкость, как самая бронза, хотя при их образовании освободилось огромное количество тепла; отсюда следует, что теплота эта находилась только между твердыми частицами бронзы, т. е. между маленькими группами тех частиц, которые были отделены сверлом».
Свои воззрения на природу теплоты Румфорд естественно пытался подкрепить еще какими-нибудь другими аргументами, кроме теплоты трения; такой новой поддержкой он считал открытое только что явление лучистой теплоты. Но здесь он имел еще меньше успеха, чем прежде. В то время как свет считали возможным объяснять лишь с точки зрения истечения, но было никакого основания рассматривать тепловые лучи как явление волнообразное. После того как Шееле установил название и понятие лучистой теплоты, этими явлениями более подробно занялся Пикте. Он установил два вогнутых зеркала из полированного олова, в 1 фут диаметром, с фокусным расстоянием в 4,5 дюйма, параллельно друг другу на расстоянии 12 футов. Когда в фокусе одного зеркала был помещен нагретый, но не раскаленный шарик в 2 дюйма диаметром, то поставленный в фокусе другого зеркала термометр показал повышение температуры до 13,12° С, между тем как стоявший рядом, но вне фокуса, термометр оставался на 3,12° С. После того как шарик термометра был покрыт сажей, термометр показал большее повышение температуры. При применении стеклянных зеркал вместо металлических ничего подобного не замечалось. Заменяя в фокусе зеркала нагретое тело холодным, он получал на термометре другого фокуса понижение температуры. Пикте пытался также измерить скорость распространения тепла, помещая для этого стеклянную пластинку между зеркалами и затем быстро удаляя ее, но, конечно, без всякого результата. Прево из опытов Пикте вывел теорию теплового лучеиспускания. Подобно тому, как всякое светящееся тело испускает световые лучи, так и всякое нагретое тело испускает тепловые лучи, распространяющиеся в пространстве прямолинейно, тюка не встретят тела, которое их отражает, пропускает или поглощает. Таким образом каждое тело излучает постоянно теплоту и получает благодаря такому же излучению теплоту от окружающих тел. Отношение между обоими этими количествами теплоты определяет температуру тела.
Новым и очень интересным методом, в большей степени экспериментальным, чем теоретическим, определил отношение между тепловыми и световыми лучами знаменитый астроном Фридрих Вильгельм Гершель. Он поместил очень чувствительные термометры в каждой из семи ньютоновских цветных полос солнечного спектра и наблюдал, насколько повысится температура в каждой из этих полос над температурой окружающего воздуха. Таким путем было установлено, что температура в синей полосе повысилась больше, чем в фиолетовой, в зеленой больше, чем в голубой и т. д., вплоть до красной, где повышение температуры оказалось выше, чем во всех остальных местах спектра. Но, что важнее всего, и здесь оно не было наивысшим, максимум его оказался несколько дальше области красных лучей — вне пределов всего видимого спектра. Чтобы изолировать эти невидимые темные лучи, он направил полученный с помощью призмы спектр солнца на собирательную чечевицу, наполовину прикрытую папкой, таким образом, что видимая часть спектра целиком падала на папку и красный конец спектра лежал еще на расстоянии 1/10 дюйма от края папки. Тогда термометр, помещенный в фокусе чечевицы, повысился за 1 мин. с 57 до 102° F, тогда как стоявший рядом термометр продолжал показывать 57°. Замечательно, что при этом шарик термометра казался подернутым красноватым светом, который исчез лишь после того, как красный конец спектра был отодвинут от края шапки на 1/5 дюйма. Однако и теперь термометр дал повышение температуры в течение 1 мин. с 57 до 78° F. Этими и другими опытами Гершель считал не только установленным существование темных тепловых лучей, но и доказанным, что последние отражаются и преломляются по тем же законам, что и световые лучи.
Против защитников лучистой теплоты вообще и против Гершеля, в особенности, выступил очень резко Джон Лесли. Он утверждал, что преломляемость абсолютно связана с видимостью, что понятие невидимых тепловых лучей содержит в себе внутреннее противоречие (contradictio in adjecto), и объяснил явления, наблюденные Гершелем, как результат прямой передачи тепла от видимого спектра к соседним частям, а, может быть, также и воздуху. Еще в 1813 г. он продолжал стоять на своем, утверждая, что, когда нагретое тело передает теплоту соседним частям воздуха, последние сначала расширяются, а потом, сжимаясь, передают теплоту соседним слоям. Таким образом передача тепла от тела к телу совершается при посредстве колебаний воздуха, а не путем излучения. Однако ему никого не удалось обратить в свою веру, после того как Дэви (равно как и некоторые другие еще до него) доказал, что тепловое излучение через разреженный в 120 раз воздух втрое сильнее, чем через атмосферный воздух, а Риттер своими опытами над влиянием различных частей спектра на хлористое серебро бесспорно доказал, что в солнечном свете помимо тепловых лучей существуют еще и другие темные лучи, действующие химически. Тем не менее работы Лесли по лучистой теплоте очень ценны, так как в них впервые даны более точные показания о количествах излученной теплоты. Для своих опытов Лесли пользовался устроенным им дифференциальным термометром и кубиком, названным его именем. Последний представлял собою полую кубической формы коробку из листовой латуни или меди, со сторонами в 4—6 дюймов. Из четырех боковых поверхностей этого куба, по возможности тождественно сделанных снаружи, одна оставалась большею частью полированной, вторая покрывалась сажей, третья покрывалась писчей бумагой, а четвертая — слоем кронгласа. На верхней поверхности находилось отверстие с конической трубкой, через которую можно было вливать холодную или теплую воду и вводить термометр. При посредстве такого куба и поставленного на известном расстоянии от него термометра Лесли определил излучающую способность многих веществ и привел полученные им результаты в следующей таблице:
Опыты Румфорда, которые он начал в 1803 г., и результаты которых он сообщил Парижской академии в 1804 г., были совершенно аналогичны только что приведенным. Он применил для этой цели цилиндры с блестящей металлическою поверхностью; наполняя их теплою или холодною водой, а снаружи покрывая сажей, порошком серебра и пр., он наблюдал действие их на изобретенный им термоскоп. Подобно Лесли, он нашел, что чем лучше поверхность отражает тепловые лучи, тем меньше она излучает теплоты. Результаты его опытов были признаны столь же важными, как результаты опытов Лесли, ссылкам же его на волновую теорию теплоты по-прежнему не придавали значения.
Прибор Лесли для измерения теплового лучеиспускания, дифференциальный термометр, состоит из двух равных по величине стеклянных шаров, соединенных дважды изогнутой стеклянной трубкою. Шары заполнены воздухом, стеклянная трубка в нижней своей части содержит столбик окрашенной жидкости (серная кислота и кармин), перемещающийся при расширении или при сжатии воздуха в том или другом шаре. Диаметр шаров колеблется в разных приборах от 4 до 7 парижских линий, высота вертикальных колен соединительной трубки от 3 до 6 дюймов, а длина горизонтальной части была несколько меньше высоты.
Термоскоп Румфорда отличался от дифференциального термометра только относительными размерами частей, но эти изменения нельзя не признать известным усовершенствованием прибора. Здесь горизонтальная часть трубки была значительно длиннее вертикальных, а показателем служила лишь капля окрашенного спирта. Диаметры обоих шаров были значительно больше, и, наконец, между шарами устанавливался экран из золоченной бумаги, не пропускающей тепла. По показанию самого Лесли он устроил свой дифференциальный термометр между 1797 и 1799 гг., описание же его появилось в третьем томе никольсоновского журнала в 1800 г. Но мы уже раньше заметили, что Штурм в своей «Collegium experimentale» описал по существу такой точно прибор, и, следовательно, Лесли мог знать и данное сочинение и описание прибора Штурма. Румфорд описал свой термоскоп лишь в 1804 г. в той же работе, в которой он опубликовал свое исследование о лучистой теплоте; но и прибор Лесли стал известен в широких кругах только в том же году благодаря описанию, приведенному в его работе. Как бы то ни было, оба прибора действительно оказались очень удобными для исследования лучистого тепла, так как температура воздуха, действуя одинаково на оба шара, не влияет на показания, — лучистая теплота действует таким образом одна.
Однако Лесли придавал своему прибору гораздо большее значение, предлагая употреблять его не только в качестве термометра, но также в качестве этриоскопа (для измерения теплового лучеиспускания небесного пространства), фотометра и гигрометра. Значительная: чувствительность этого прибора вызвала преувеличенные надежды, и прибор долгое время высоко ценился физиками того времени. Позднее, однако, постепенно выяснилось, что, в сущности, он не вполне пригоден ни для одной из указанных выше целей. Во-первых, лучистая теплота, проникая через стекло, не только ослабляется, но и качественно изменяется; во-вторых, показания его зависят не только от расширения воздуха, но также от расширения жидкости, так что показания эти ни в коем случае не пропорциональны разности температур; в-третьих, несмотря на все усилия, не удалось добиться того, чтобы показания различных приборов оказались сравнимыми между собою. Тем не менее, до открытия термоэлектрического столба этот прибор, за отсутствием лучшего, продолжали применять для измерения лучистого тепла. В качестве фотометра его пытался улучшить Ритци еще в 1825 г. В качестве гигрометра он оказался полезным не столько сам по себе, сколько благодаря удачному плану его применения.
Соссюр заметил, что со всякой данной водной поверхности испарение на суше происходит сильнее, чем с такой же поверхности, находящейся посередине озера, а отсюда сделал вывод, что величина испарения зависит от степени влажности окружающего воздуха в данный момент. Лесли использовал это умозаключение в обратном смысле: он смочил один из шаров своего прибора и попытался на основании охлаждения (вследствие испарения), показываемого прибором, судить о степени влажности атмосферы. Но так как шкалу дифференциального термометра не удавалось привести в достаточное согласие со шкалой обыкновенного термометра, то Людике уже в 1802 г. («Gilbert's Ann.», X, стр. 110) попытался осуществить мысль Лесли иным более удачным способом. С этой целью на одной общей шкале были укреплены два термометра, и трубка одного из них была так изогнута, что шарик приходился под шариком другого термометра. В первом из них было сделано углубление, и в него наливалась капля жидкости, испарение которой вызывало охлаждение. Однако и это предложение не обратило на себя внимания, и физики долго еще пользовались в качестве гигрометра прибором Делюка или Соссюра, так как при искусном устройстве показания этих приборов все-таки удавалось до известной степени согласовать. Делюк, после многократных неудачных испытаний, избрал в качестве гигрометрического вещества пластинку из китового уса 8 дюймов длиной и 0,5 линии шириной, вырезанную, однако, не вдоль продольных волокон, а в поперечном направлении. Точки шкалы, соответствующие наибольшей влажности, он определил погружением прибора в воду; вторую же постоянную точку ему долго не удавалось найти, так как он опасался подвергнуть свой прибор действию огня. Впоследствии Делюк определил точку наибольшей сухости, продержав свой прибор в течение суток подвешенным в оловянном ящике, частично заполненном негашеной известью. Шкалу между обеими этими точками он разделил на 100°. Первый еще несовершенный прибор из китового уса с одной только постоянной точкой он представил Парижской академии в 1781 г., а вскоре затем устроил более совершенный прибор.
Соссюр избрал в качестве гигрометрического вещества мягкий белокурый, но не вьющийся, человеческий волос, освобожденный от жира получасовым кипячением в растворе соды с последующим затем кипячением в чистой воде. Точку наибольшей влажности на своей шкале он определил, поместив прибор над тарелкой с водой под стеклянным колпаком со смоченными внутри стенками. Если по истечении 3—6 час. прибор не устанавливался на определенном положении, волос признавался негодным, равным образом, если поступательное движение показателя прерывалось обратным движением. Точка наибольшей сухости определялась помещением прибора в высушенное пространство под герметически закрытым ртутью колоколом, куда вводилась, кроме того, накаленная почти докрасна полоса железа.
Гигрометр Соссюра нашел многих сторонников и очень часто применялся, но встречал также и горячих противников. Каминелло, астроном в Падуе, применял для гигрометра ствол пера, заполненный ртутью и затем выскобленный. За это изобретение он получил премию от Маннгеймской академии наук. Каминелло отказывал гигрометру Соссюра как в правильности ухода, так и в постоянстве обеих точек. Джианбатиста де-Сан-Мартини предлагал взамен волоса кожу, употребляемую позолотчиками, как продукт более дешевый и более подходящий. Наконец, Делюк утверждал, что постоянные точки гигрометра могут быть правильно определены только по его способу и что волосы, подобно всем телам, вырезанным по длине волокон, представляют очень большие неправильности хода. Соссюр возражал всем своим оппонентам, что они брали для своих гигрометрических опытов негодные волосы, а специально по поводу гигрометра Делюка указал, что китовый ус, как тело, пропитанное жиром, плохо воспринимает влажность, вследствие чего приборы этого рода в насыщенном влагой воздухе показывают лишь 80°. После этого было сконструировано множество гигрометров со всевозможными гигроскопическими веществами, например, с шелковыми и пеньковыми нитями, волокнами дерева, с лентами из лягушечьей кожи, из крысьего пузыря и т. п.; однако ни один из них не достигал даже той степени точности, которою обладали приборы Соссюра и Делюка. Все эти гигрометры в еще большей мере, чем приборы Соссюра и Делюка, показывали неравномерный ход и имели ненадежные твердые точки. Впоследствии из упомянутых двух гигрометров первенство осталось за соссюровским. Био говорит в своей «Экспериментальной физике»: «Соссюр применил приготовленные таким образом волосы для устройства гигрометров, носящих его имя и внесших в исследования этого рода недосягаемую до тех пор точность». Все прочие виды гигрометров он обходит молчанием.
Наряду с изготовлением сравнимых между собою пирометров уделяется много внимания устройству термометрографов или максимальных и минимальных термометров. Первый прибор такого рода описал лорд Чарльз Кавендиш (отец знаменитого химика) в Philosophical Transactions, 1757. Максимальный термометр представлял собою обыкновенный ртутный термометр, заполненный поверх ртути спиртом. Заостренная сверху термометрическая трубка была вмазана в шарик с выкачанным из него воздухом. При повышении температуры спирт переходил из трубки в шарик, но вернуться назад при охлаждении не мог; таким образом о наибольшей температуре можно было судить по количеству спирта, перешедшего в шарик. Устройство минимального термометра было несколько сложнее, но основано на том же принципе. Прибор этот действовал правильно, но точность определения температуры затруднялась разнородностью термометрических жидкостей; поэтому он вскоре был вытеснен двумя последующими новыми формами, хотя основная идея его впоследствии была много раз использована. Эти два новых прибора 1 — термометрограф Сикса и максимальный и минимальный термометр Рутерфорда — настолько общеизвестны и настолько подробно описаны в любом учебнике физики, что описывать их здесь было бы излишне. Сикс описал изобретенный им термометр в Philosophical Transactions 1782, а позднее в отдельной работе. Рутерфорд дал описание своего прибора в Edinburgh Philosophical Transaction, 1794.
Споры о тяжести и легкости теплоты, об испарении воды и поднятии облаков в воздухе повели к открытию, которое, хотя и не имело явного отношения к теории теплоты, но было произведено после многократных попыток только при помощи теплоты, а именно: к изобретению воздушного шара. Дальнейшее развитие последнего целиком относится к области техники, и притом оно было описано в столь многих широко распространенных работах, что я здесь коснусь лишь ранней истории этого изобретения, а также некоторых соприкасающихся с ним фактов и соображений.
Желание человека летать по воздуху, вероятно, столь же старо, как самый человеческий род. Ближайшим поводом к такому желанию служил, конечно, полет птиц; поэтому со времен Дедала до наших дней существует много рассказов о людях, предпринявших полеты при посредстве метательных аппаратов, более или менее похожих на крылья птиц. К сожалению, в этих рассказах больше описываются самые полеты, чем примененные для этого машины. Наиболее известна летательная машина венского часовщика Якоба Дегена, описавшего ее в отдельном сочинении 1808 г. Прибор этот имел два крыла, остовом которых служили бамбуковые трости, а поверхностью лакированная бумага. Длина каждого крыла была 10 футов 4 дюйма, наибольшая ширина 9 футов. В каждом крыле было 3500 бумажных клапанов, открывавшихся шелковыми шнурами книзу, чтобы пропускать воздух при поднятии крыла кверху. Все в целом было солидно прикреплено к отвесному стержню при помощи шелковых шнуров. Плоскость крыльев приходилась приблизительно на высоте шеи летчика (при стоячем положении последнего), а остов прибора прикреплялся к его туловищу. Движение крыльев вызывалось тем, что человек, производя движения ногами, как при прыжках, нажимал на раму. При опытах в императорском манеже для верховой езды в 1808 г., Деген уменьшил свою нагрузку на 75 фунтов с помощью противовеса, перекинутого через блок, прикрепленный к потолку, и поднялся за полминуты 34 взмахами крыльев на высоту 50 футов. Позднее он заменил противовес маленьким воздушным шаром, который сам по себе едва был способен поднять его на воздух, и, как уверяют, оказался в состоянии не только производить различные движения в воздухе, но, отпустив шар, во время медленного спуска был даже в состоянии немного подниматься вверх при помощи взмаха своих крыльев. Но, конечно, держаться долго в воздухе вместе со своей машиной он собственною силою не мог. Правда, нельзя еще считать окончательно установленным, насколько рабочая сила человека вообще способна поднимать его тело в воздухе, — отдельные опыты Дегена позволяют лишь думать, что мгновенным усилием человек может несколько подняться на воздух; но если принять во внимание работоспособность человека при плавании и лазании, учитывая при этом, что никакая машина не может дать выигрыша в силе, то легко понять, что одною собственною силою человек подняться на воздух не может. Физик Бабине говорит: «если силы одной лошади достаточно для того, чтобы поднять человека среднего веса в 1 сек. на высоту 1 м, то вчетверо или впятеро меньшая сила человека не поднимет веса последнего в 1 сек. более чем на 1/4 или 1/5 м. Но тело наше в течение такого же времени по заколу тяжести падает вниз на 5 м, следовательно, для того чтобы держаться в воздухе, нужна была бы сила в 20—25 раз больше. Поэтому с математической точки зрения летание человека немыслимо; для этого он должен пользоваться посторонними силами». Другими словами, ему не остается ничего другого, как прикреплять себя к телам, которые легче воздуха и которые могут поддерживать его в последнем. Но такими телами могут быть лишь полые тела, либо совсем пустые, либо наполненные веществами легче воздуха. О пустых телах, которые теоретически представляются наиболее выгодными, стали думать тотчас же после того, как научились получать вакуум. Уже в 1670 г., т. е. едва спустя 20 лет после изобретения воздушного насоса, иезуит Франческо де-Лана предложил изготовить четыре полых тонкостенных шара из меди, выкачать из них воздух и прикрепить к ним воздушный корабль. Но предложение это, конечно, не было осуществлено, так как ни медь, ни другое какое-ли6о из известных нам веществ, при достаточной для подъема легкости, не могли бы выдержать давления воздуха. Поэтому Жозеф Гальен в своем сочинении «L'art de naviguer dans les aires» (Avignon 1755) («Искусство воздухоплавания») сделал другое предложение: наполнять большие полые шары более легким, чем обычный воздух, газом, хотя бы, например, атмосферным же воздухом, взятым из высших слоев. Последняя часть предложения может, конечно, только вызвать улыбку, но первая, несмотря на то, что она тогда показалась еще невозможной, вскоре была осуществлена. В 1766 г. Генри Кавендиш открыл газ более легкий, чем атмосферный воздух; а уже два года спустя известный шотландский химик Блек указал, что тонкостенные полые шары, наполненные этим легким горючим газом, водородом, должны подниматься в воздухе. В 1782 г. итальянцу Кавалло, после тщетных опытов с бумажными шарами и свиными пузырями, опыт с мыльными пузырями, наполненными водородом, действительно удался. Говорят, что и братья Монгольфье работали сначала с водородом, но безуспешно, так как примененные ими оболочки не были достаточно плотны. Отказавшись от водорода, они, однако, не оставили основной задачи и решились последовать в этом деле процессу поднятия облаков в воздухе. После многочисленных опытов они приготовили цилиндрические или призматические тела с двойною стенкою из холста и бумаги, снизу открытые, а сверху закрытые. К раме отверстия были по диагоналям прикреплены бруски, а там, где последние перекрещивались, была поставлена жаровня.
5 июня 1783 г. в Анноне, на торговой площади, они зажгли в жаровне смесь соломы, бумаги и шерсти и в воздух поднялась машина, диаметром в 35 футов, весившая сама по себе 450 фунтов и поднявшая еще 400 фунтов груза. Она поднялась приблизительно на высоту 1000 футов и упала на расстоянии 12 000 шагов от места своего подъема. Слух об этом удачном опыте распространился очень быстро. Парижская академия, получив протокол этого опыта, учредила особую комиссию для обсуждения нового открытия; но прежде чем последняя приступила к работе, Бартелеми Фожа де-Сен-Фон собрал значительную сумму денег на производство опытов, и уже 27 августа 1783 г. Жак-Александр-Сезар Шарль, которому было поручено руководство этими опытами, организовал подъем воздушного шара с Марсова поля в Париже. Парижский шар не был, однако, простым воспроизведением монгольфьеровского, а представлял собою совершенно новое изобретение. Несмотря на множество известий о машине Монгольфье, внутреннее устройство ее было очень мало известно, и это обстоятельство оказалось в данном случае полезным. Благодаря этому машина Шарля оказалась устроенной не только по-иному, но и лучше. Монгольфьеры (так назвали эти летательные приборы) были сначала цилиндрические, шарльеры же вполне шаровидные; стенки первых были сделаны из полотна, подбитого бумагой, и отдельные части его соединялись только пуговицами, так что стенки не были непроницаемы для воздуха; шарльеры же были изготовлены из тафты, покрытой лаком (gummi elasticum, растворенный в терпентине), изобретенным Шарлем, и потому непроницаемы для воздуха.
Еще важнее было то, что Монгольфье наполняли свой шар нагретым воздухом, делая из этого секрет и давая повод думать, что они применяли для этого особый газ. Шарль же употребил для этой цели водород, несмотря на трудности его получения в большом количестве в те времена. Диаметр его шара составлял 12 футов 2 дюйма, весил он 26 фунтов, за 2 мин. он поднялся приблизительно на высоту 488 туазов, затем исчез в облаках и упал в 5 лье от Парижа возле деревни Гонесс, вследствие разрыва оболочки, происшедшей, вероятно, от слишком сильного наполнения газом. Поселяне, оправившись от страха, встретили метавшееся перед ними чудовище цепами и вилами, так что прибывшему туда Шарлю удалось увидеть лишь клочья своего шара.